СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ КУМУЛЯТИВНОЙ СТРУИ, ПЛАВЯЩЕЙ МЕТАЛЛ, И ОБРАЗОВАННОГО ЕЮ КАНАЛА НЕОБХОДИМОЙ ДЛИНЫ
METHOD FOR FORMING HEAT CUMULATIVE METAL MELTING JET AND CHANNEL OF REQUIRED LENGTH FORMED BY IT

Область техники
Группа изобретений относится к области исследования физических свойств вещества, в частности к исследованию процессов в плазме и в газоразрядных приборах. Заявляемое изобретение может найти применение при формировании направленной тепловой кумулятивной струи, плавящей металл, и образованного ею канала на металлической поверхности катода в дуговом импульсном разряде при взрыве размещаемой между электродами проволочки. Изобретения могут найти применение в технике и научных исследованиях, в новых технологиях микроэлектроники, в сварке при регулировке длины сварных швов и длины проводящих каналов на поверхности металлов.
Уровень техники
Из уровня техники не известен способ регулировки длины тепловой кумулятивной струи, плавящей металл, и длины образованного ею канала на металлической поверхности катода в импульсном дуговом разряде при взрыве проволочки между электродами.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ получения канала, образованного тепловой кумулятивной струей расплавленного металла, на металлической поверхности катода в импульсном дуговом разряде при взрыве металлической проволочки между электродами [Патент RU 2537383, опубликован 10.01.2015. Бюл. №1]. В соответствии с изобретением между катодом и анодом с фиксированным расстоянием между ними подается напряжение, возникающий ток плавит и испаряет тонкую проволочку, которая размещается между электродами, при этом расстояние межэлектродного промежутка выбирается таким, при котором разряд самопроизвольно без проволочки не зажигается, а между электродами создаются условия для лавинного пробоя разрядного промежутка, возникающего при наличии в воздухе паров испаряющейся проволочки. При этом проволочка располагается в отверстии внутри металлической катодной поверхности и касается ее, а при подаче напряжения на разрядный промежуток на катоде образуется канал, исходящий из точки касания катодной поверхности в направлении от места соединения катода с отрицательным полюсом источника напряжения.
В данном источнике информации также раскрыто устройство для получения канала, образованного тепловой кумулятивной струей расплавленного металла, на металлической поверхности катода в импульсном дуговом разряде при взрыве металлической проволочки между электродами.
Однако известные способ и устройство не позволяют изменять длину тепловой кумулятивной струи, плавящей металл, и длину образованного ею канала на поверхности катода в импульсном дуговом разряде при взрыве проволочки между электродами.
Раскрытие изобретения
Техническая задача, решаемая в предложенном изобретении, заключается в разработке способа, позволяющего формировать тепловую кумулятивную струю необходимой длины и управлять длиной образуемого ей канала на поверхности металлического катода в импульсном дуговом разряде при взрыве проволочки между электродами посредством размещения на поверхности катода на пути тепловой струи диэлектрической преграды (барьера), выполненной с возможностью перемещения по поверхности катодной пластины.
Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности формирования тепловой кумулятивной струи, плавящей металл, и образованного ею канала на поверхности металла необходимой длины.
Поставленная задача решается тем, что способ формирования тепловой кумулятивной струи, плавящей металл, и образованного ею канала на металлической поверхности катодной пластины в импульсном дуговом разряде при взрыве размещенной между электродами проволочки необходимой длины, согласно техническому решению, включает подачу на электроды напряжения, обеспечивающего лавинный пробой разрядного промежутка, возникающий при наличии в воздухе паров испаряющейся проволочки с формированием тепловой кумулятивной струи, плавящей металл, на металлической поверхности катодной пластины, размещение на поверхности катодной пластины диэлектрической преграды на пути кумулятивной струи и перемещение диэлектрической преграды вдоль этой струи до получения необходимой длины тепловой кумулятивной струи и длины образованного ею канала проплавленного металла. В качестве устройства для реализации заявляемого способа предлагается использовать диэлектрическую преграду (барьер), размещаемую на поверхности катодной пластины на заданном расстоянии от начала формирования кумулятивной струи в поперечном направлении относительно траектории ее перемещения. Диэлектрическая преграда представляет собой ленту или пластину из диэлектрического материала. В качестве диэлектрического материала может быть использован полимер высокой плотности (HDPE) или текстолит, или стекло. Устройство выполнено также с возможностью перемещения по поверхности катодной пластины вдоль кумулятивной струи и может дополнительно содержать фиксаторы, обеспечивающие ограничение траектории ее перемещения по поверхности катодной пластины.
При реализации заявляемого способа электроды размещают на расстоянии друг от друга, исключающем самопроизвольное зажигание разряда без проволочки, а диэлектрическая преграда, заряжающаяся отрицательно электронами из струи расплавленного металла, препятствует перемещению самой струи, ограничивает ее протяженность и позволяет тем самым формировать необходимую длину кумулятивной струи, плавящей металл, и управлять длиной образованного ею канала при перемещении преграды вдоль поверхности катода. При этом диэлектрическая преграда плотно прилегает к поверхности катода (в качестве катода используют катодную пластину) (зазор между поверхностями катодной пластины и диэлектрической преграды не превышает 0,1 мм). Эффект от диэлектрической преграды не зависит от формы поверхности катода (плоскость, цилиндр, шар).
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами, где
на фиг. 1 представлена схема реализации заявляемого способа;
а на фиг. 2 представлены фотографии каналов, образованных тепловыми кумулятивными потоками, плавящими металл, на катодной пластине. Позициями на чертежах обозначены:
1 - проволочка,
2 - катод (катодная пластина),
3 - анод,
4 - отверстие в катоде для размещения проволочки,
5 - каналы на катоде, образованные тепловой кумулятивной струей, плавящей металл,
6 - переменное сопротивление,
7 - блок подачи напряжения на электроды,
8 - диэлектрическая преграда,
9 - канал расплавленного металла при ограничении его длины диэлектрической преградой.
Осуществление изобретения
Процесс возникновения кумулятивной струи не является предметом настоящего изобретения, тем не менее для лучшего понимания сущности заявляемого технического решения ниже приведены подробности получения кумулятивной струи в общем случае. Между анодом и катодом при фиксированном расстоянии между ними размещают тонкую металлическую проволочку из различных металлов (например: Cu, W, Ni), которая находится в контакте с упомянутыми электродами. При этом один из концов проволочки может быть размещен, например, в специально выполненном для него отверстии внутри катодной пластины. Подают напряжение на электроды. Возникающий ток плавит и испаряет тонкую проволочку. В результате происходит пробой разрядного промежутка в парах металла, из точки касания проволочки и катодной поверхности на катоде возникает тепловая кумулятивная струя расплавленного металла, в результате чего образуется канал. При этом расстояние между электродами выбирают таким, при котором разряд без проволоки не возникает. Между электродами создают условия для лавинного пробоя разрядного промежутка, возникающего при наличии в воздухе паров испаряющейся проволочки. Для реализации заявляемого способа на поверхности катодной пластины размещают с плотным прилеганием и возможностью перемещения по катодной пластине диэлектрическую преграду. Расположенная на поверхности катодной пластины на пути струи расплавленного металла диэлектрическая преграда заряжается отрицательно электронами из струи. Возникает электрическая сила, которая препятствует продвижению электронов, перемещению самой тепловой струи и ограничивает ее протяженность. Перемещение диэлектрической преграды вдоль струи позволяет регулировать ее длину и длину образованного ею канала на металлической поверхности катода, иначе говоря, формировать необходимую длину струи. Фиксаторы, которыми может быть снабжено устройство, предназначены для ограничения диапазона перемещения диэлектрической преграды и задания общего направления перемещения.
Физические процессы, лежащие в основе заявляемого способа, заключаются в следующем. При взрыве проволочки в малой области вокруг точки касания катода и проволочки происходит локальный нагрев металла и выход горячих электронов из нагретой области. Поскольку на анод уходят не все электроны, у поверхности катода возникает отрицательный объемный заряд и электрическое поле пространственного заряда с минимумом потенциала около точки касания проволочки и катода. В результате над поверхностью металла образуется направленный поток электронов, движущийся в электрическом поле пространственного заряда и плавящий металл на своем пути. Электропроводность вдоль канала становится больше, чем средняя электропроводность металла катода. Это является следствием того, что при плавлении поверхностного слоя металла вдоль канала происходит его очистка, испарение легкоплавких примесей, уплотнение проплавленного металла и исчезновение раковин (См. Н.Д. Григорьев. Электричество. №5, с. 58. 2014). Поэтому при многократных повторных пробоях тепловая кумулятивная струя всегда следует по каналу, возникшему при первом пробое. Движение заряженных частиц вдоль канала происходит из-за возникновения объемного пространственного заряда электронов и действующей при этом электрической силы. При помещении на поверхности катода на пути движения тепловой струи, плавящей металл, диэлектрической преграды она заряжается отрицательно электронами из струи. Возникающие электрические силы препятствуют продвижению электронов и перемещению самой струи. Это ограничивает протяженность струи. Передвижение диэлектрической преграды вдоль поверхности катода позволяет менять протяженность тепловой кумулятивной струи и длину образованного ею канала на металлической поверхности катода. Тем самым становится возможным регулировать длину тепловой кумулятивной струи, плавящей металл, и длину образованного ею канала при перемещении диэлектрической пластинки по поверхности металлического катода.
Данный способ дает возможность управлять длиной кумулятивной струи, плавящей металл, и длиной образованного ею канала на металлической поверхности катода при перемещении диэлектрического материала, помещенного на пути струи, вдоль поверхности катодной пластины.
Схема осуществления способа показана на фиг. 1.
При выполнении опытов по реализации заявляемого изобретения использовались различные значения толщины проволочки, расстояния между электродами, длительности разряда и т.д., а также различный качественный состав проволочки.
Проволочка 1 натянута между катодом 2 и анодом 3 и контактирует с ними. При этом один конец проволочки контактирует с катодной поверхностью внутри отверстия 4 в катоде. Расстояние между электродами изменялось и составило 0,5-2 см. Для подачи напряжения на электроды используют блок подачи напряжения на электроды 7, например, выпрямительный агрегат «Дельфин» с выпрямленным напряжением 220 В. Разрядный ток в максимуме меняется в области 20-100 А с помощью переменного сопротивления 6. Длительность разряда около 0,1 секунды. В качестве катода применялись различные металлы (Cu, Ni, Fe, Ti, латунь, нержавеющая сталь и другие). Использовались проволочки разных металлов и сплавов (Cu, Ni, Fe, нихром, ковар и другие). Диаметр проволочек менялся в интервале 0,02-0,1 мм, их длина определялась расстоянием между электродами. Диэлектрическая преграда 8 использовалась в виде полосок высотой в интервале: 0,2-0,5 мм и шириной: 1,5-3 мм. При этом кумулятивная струя электронов распространяется вдоль поверхности катода из области объемного пространственного заряда в сторону возрастания электрического потенциала. Диэлектрическая преграда, размещенная на поверхности катодной пластины и контактирующая с ней (с поверхностью), заряжается отрицательно и препятствует продвижению кумулятивной струи электронов, тем самым ограничивая ее длину.
При подаче напряжения на разрядный промежуток с проволочкой, натянутой между электродами, из точки касания проволочки и катодной поверхности на катоде под действием избыточных электронов пространственного разряда с катода и ионов из плазмы образуется канал 5. Канал 5 исходит из области контакта катода и проволочки - отверстия в катоде 4, и направлен от места контакта (область пониженного потенциала, созданная избыточным объемным пространственным зарядом электронов с катода) в сторону более положительного потенциала.
Размещенная на поверхности катодной пластины на пути тепловой кумулятивной струи диэлектрическая преграда заряжается электронами струи. Возникающая при этом электрическая сила препятствует распространению струи по поверхности катода. При этом сокращение длины канала сопровождается увеличением выделяющегося на единицу длины канала тепла.
Пример
При осуществлении несамостоятельного (импульсного) разряда с расстоянием между электродами 15 мм использовалась медная проволочка диаметром 0,06 мм. В качестве катода использовали пластины из трансформаторного железа длиной 50 мм. Максимальный разрядный ток в импульсе составил 100 А. Без диэлектрической преграды длина кумулятивной струи и длина канала расплавленного ею металла составляет 31 мм, а при помещении на пути струи диэлектрической преграды их длина составляет 16 мм.
Таким образом, в предложенном способе впервые решена проблема регулировки длины тепловой кумулятивной струи, плавящей металл, и формирования необходимой длины образуемого ею канала.