小型化钡钨空心阴极的结构设计与性能试验研究

介绍了一种用于电推进系统的长寿命高可靠性的小型化钡钨空心阴极,给出了该钡钨空心阴极的结构,进行了仿真计算与测试。结果表明该钡钨空心阴极点火启动功率≤30 W,阴极发射电流范围0.5~2.0 A、所需氙气流量≤1.2 mL/min,并且可满足20000次启动次数要求,同时具有高可靠性力学结构。

空心钨极中心负压电弧基础特性研究

为了提高传统钨极惰性气体保护(Tungsten inert gas,TIG)焊电弧的能量密度和热源边界的能量梯度,保证焊接热输入均衡,规避输入能量分散,提出空心钨极中心负压电弧焊接方法,设计并构建空心钨极中心负压电弧焊接系统,介绍系统的组成及操作方法。利用高速摄像机拍摄空心钨极中心负压电弧的宏观形态,进行定点焊接烧蚀试验,并对阳极表面熔池尺寸和焊接接头的宏观形貌进行分析。试验结果表明,在电弧自身刚性的作用下,空心钨极中心负压电弧能够稳定地建立于空心钨极和阳极工件之间;与传统TIG焊电弧相比,在宏观形态上,空心钨极中心负压电弧的弧柱沿径向收缩,呈现拘束状,空心钨极的尖端呈现白炽状态;在焊接接头的宏观形貌上,空心钨极中心负压电弧对应焊接接头的熔深大,熔宽小,焊缝成形好。

空心钨极中心负压电弧的物理性能

空心钨极中心负压电弧优化了传统焊接热源的能量密度及分布.为了深入理解环境压力对电弧行为和放电特性的影响,在流体力学和麦克斯韦方程组基础上,建立了空心钨极中心负压电弧的三维稳态数学模型.利用FLUENT软件,选择合适的源项和边界条件进行迭代计算,得到了不同局部压力下空心钨极中心负压电弧的物理状态,与试验结果相符.结果表明,与传统TIG焊电弧相比,空心钨极中心负压电弧的能量分布和热力输出均发生改变.随着局部压力的减小,电弧半径逐渐减小,径向温度梯度增大;电弧对工件的热力输出随着局部压力的降低而减少.

空心钨球侵彻性能的研究

利用LS-DYNA软件对现有93W球型破片侵彻装甲钢试验结果进行符合计算,对93W合金材料参数进行标定,基于上述数值模拟与试验结果的一致性,进一步研究了93W空心钨球对装甲钢的毁伤效能。研究发现:空心钨球的弹道极限随靶板厚度的增加而增加,且弹道极限随空心钨球孔腔直径的增加呈近似指数型增加,对靶板的开孔直径也逐渐增加;动能一定的条件下,空心钨球余速、剩余动能随孔腔半径的增加呈现先增加后减小的趋势。结果表明:合理选择孔腔直径的空心钨球,可实现余速与开孔兼顾的威力要求。

空心钨球孔腔直径对靶板侵彻能力的影响

利用LS-DYNA软件对不同孔腔半径的大小不同的空心钨球侵彻靶板过程进行了数值模拟研究。分析不同孔腔半径的大小不同的空心钨球贯穿靶板时的状态,发现孔腔半径r与钨球半径R的比值为0～0. 3时,钨球的剩余速度、剩余动能均达到最大,残余钨球的侵彻能力要高于实心钨球与其他比值的空心钨球。研究表明:当空心钨球孔腔半径r与钨球半径R比值为0～0. 3时,对靶板的侵彻效能有增益作用。

空心钨极TIG焊电弧特性数值模拟

建立了内径2 mm的空心钨极TIG焊电弧数值模型,用Fluent软件用户自定义函数(UDF)功能加载了氩气电导率、动量方程和能量方程的源项,计算了稳态下焊接电流为60 A时电弧的温度场、流场以及电弧压力,并与相同条件下实心钨极TIG焊电弧作了对比.结果表明,空心钨极TIG焊电弧呈钟罩形,空心钨极圆环放电和钨极中心气流的冷却作用使得电弧温度分布云图顶部下凹;电弧等离子体在钨极下方运动速度较快,阳极表面电弧压力呈柱状分布,弧柱区空间压力分布比较均匀;与相同电流条件下TIG焊相比,空心钨极TIG焊电弧峰值温度降低17.3%,钨极下方2 mm位置处峰值温度降低27%,等离子体最大运动速度降低40%,电弧压力峰值降低57%,堆焊焊缝熔宽增加30%,熔深减小27.9%.

空心钨极同轴填丝焊空间热场分布特征

利用理论建模与试验相结合的方法,系统研究了空心钨极同轴送丝焊接过程中焊丝熔化热量的来源.结果表明,基于磁流体力学的理论模型分析结果和实际情况高度吻合;在高温电弧热辐射及钨极热传导共同作用下,钨极内孔形成的梯度式高温区会对焊丝起到一定的预热作用;环状空心钨极电弧中轴线上近几何中心区域的温度最高,焊接电流400 A时温度高达13 700 K;熔滴与液态熔池接触后电势相等,在最小电压原理作用下,部分高温电弧的阳极作用区会由液态熔池转变至焊丝表面,同时部分焊接电流会从焊丝流过,形成的电阻热也是高效熔丝的主要原因之一;熔滴过渡分析结果表明空心钨极同轴填丝焊接具有较高的工艺稳定性,是一种极具发展前景的焊接新方法.

空心钨极焊接关键技术问题及发展现状

简要介绍了大气环境和低真空环境下空心钨极电弧特性及其焊接特点,概述了空心钨极同轴激光复合焊接、同轴电子束复合焊接及同轴填丝焊接技术特征及研究现状,分析了空心钨极同轴填丝焊接“高效焊接”与“优质成形”有机融合的独特技术特征。评述了空心钨极焊接技术工程化应用面临的挑战,指出该技术的进步将在很大程度上取决于研究者在以下关键科学与技术问题上能够取得突破性成果,从电弧稳定性和焊接冶金角度出发提出空心钨极焊枪优化设计新思路;空心钨极及同轴复合热源焊接电弧稳定燃烧边界条件及调控措施;空心同轴填丝焊接焊丝稳定熔化与熔滴过渡过程的协同调控;非平衡凝固过程中焊缝相变为及显微组织演化规律。

空心钨极同轴填丝焊接丝弧交互作用机制

空心钨极同轴填丝焊接焊丝与电弧(丝-弧)交互过程是决定焊接质量的关键.首先利用高速摄像观察分析了空心钨极电弧与实心钨极电弧形态,及其对焊缝成形特征的影响规律,然后构建了熔丝过程受力模型,系统分析了同轴填丝焊接过程中熔滴形成及过渡过程动力学特征.结果表明,空心钨极电弧表面辐照区域大于实心钨极,在大电流工艺条件下焊缝成形稳定;熔滴形成阶段,焊丝末端熔滴处于静力平衡状态,在较大表面张力作用下,无法自发从焊丝末端直接过渡进入熔池;熔滴过渡阶段,部分电流从焊丝流过,产生电磁收缩力,引起焊丝与熔池之间的熔滴摆动.

钡钨空心阴极放电等离子体特性实验研究

空心阴极作为电推力器的核心部件之一,其放电等离子体特性对空心阴极的性能和可靠性具有决定性的作用。采用实验的方法,使用朗谬尔静电探针置于钡钨空心阴极放电出口处,诊断和分析了钡钨空心阴极出口处的放电等离子体特性随阴极推进剂流量和放电电流的变化规律,结果表明:阴极推进剂流量和放电电流对空心阴极放电等离子体特性具有比较明显的影响,各等离子体参量随阴极推进剂流量和放电电流均有明显的变化,其中,电子数密度随阴极推进剂流量和放电电流的增大而上升,等离子体电势随阴极推进剂流量和放电电流的增大而下降,电子温度随阴极推进剂流量的增加而下降,随放电电流的增大有略微升高,而且,放电电流对放电等离子体特性具有更显著的影响。

钡钨空心阴极等离子体放电模式实验研究

主要通过实验的手段,系统研究了钡钨空心阴极的等离子体放电特性及其工作模式。实验中,使空心阴极工作在三极管构型下,调节相应的放电参数,详细分析钡钨空心阴极放电特性的变化规律、存在的放电模式及其转化规律。最后得到结论:钡钨空心阴极放电表现为羽毛状、亮斑状和弥漫状等3种典型的工作模式;不同放电模式可以用放电电流、放电电压及其振荡特性进行判定和区分;随着放电参数的变化,几种放电模式之间可以相互转化。

六硼化镧与钡钨空心阴极的放电特性实验研究

空心阴极作为电推力器点火和羽流中和的核心部件,其内部气体放电特性对于阴极的工作性能起着决定性的作用。本文对基于不同发射体的钡钨空心阴极和六硼化镧阴极的放电特性进行了系统的实验研究,结果表明:随着阴极工作参数的不同,两种阴极的放电均表现为三种典型的放电模式;在相同的工作参数下,六硼化镧阴极可维持的放电电流较钡钨阴极的大,工作电流范围也更宽,但钡钨阴极工作时的放电电压更加稳定,应用于霍尔推力器时,有利于推力器工作效率的提高和稳定。

一种新型的亚硝酸根离子选择性电极的制备及其特性

在一种特殊的钨酸空心管的基础上制备了一种结构简单且灵敏的亚硝酸根离子选择性电极。其线性响应范围是20ng/ml—5pg/ml NO_2~—,斜率约为68mV,此线性功能至少在电极连续使用时能保持三个月左右。电极的一些特性,如pH值的影响,选择性,响应时间,电极内阻,漂移,寿命及其存放等均已经过测试。该电极的是大特点是低至2.8×10^(-5),即大量的NO_3~—存在时一般不干扰NO_2~—的测定。