1、空心阴极真空电弧焊接技术特性与应用综述（Hollow Cathode Vacuum Arc Welding）摘要 研究了空心阴极真空电弧焊接(HCVAW）的一些基本特性及空心阴极在航空方面的应用关键词 空心阴极真空电弧焊接特性 应用前言 空心阴极真空电弧焊接(Hollow Cathode Vacuum Arc Welding，HCVAW)的特点是：将空心阴极焊枪置于真空室内，空心阴极内部通以微量的惰性气体，气体经过空心阴极到达真空室中，真空泵不断地将真空室内的气体抽走，从而维持真空度在一定数值，电弧在空心阴极和阳极工件之间燃烧，见图 1。 将空心阴极作为焊炬的真空焊接设备，具有设备简单、适应性
2、强的特点，既利用了真空保护的优点，又能和常规电弧焊设备相通用，有着良好的工艺条件，在俄罗斯众多工业企业中HCVA已广泛应用于熔焊、堆焊和真空钎焊。自80年代以来，美、日等国家也竞相开始了空心阴极真空电弧焊接技术1。我国则是从90年代初开始进行 HCVAW焊接技术方面的研究。2 图 1 空心阴极真空焊接焊接设备HCVAW 的引弧方法 接触引弧：它会损坏电极，一般不用。高频引弧：低气压下产生放电比较困难，需要更高的引弧电压，引弧的可靠性差。非接触加热引弧：等到钽电极被加热到白热状态时，在空载电压下转为电弧，加热方法有高频加热和电阻加热。 电弧的特点(1) 电流50A 时，弧柱直径相当于阴极内孔直径
3、，电弧变为光亮的蓝色弧柱，这时的电弧是一束挺直度很好、穿透能力很强的聚积态电弧，见图 2。(a) 发射态电弧 (b) 积聚态电弧图 2 空心阴极真空电弧放电的两种电弧形态电弧的特点(3)与常规大气压下焊接电弧放电相比，空心阴极真空电弧放电有以下不同之处：a)放电气压不同，真空室的真空度一般在 10-210Pa 的范围。b)电极形状不同，有微量的等离子工作气体从空心阴极内流过。c)电子发射位置不同，电子发射位于空心阴极的内腔（激活区）d)常规 TIG 电弧焊时弧长 210，而 HCVAW 过程中电弧气隙可达到 100。电弧的特点(4)真空电弧的构成，见图 3、阴极压降区（激活区）、内部等离子区、
4、阴极出口区、弧柱区、阳极压降区 图 3 空心阴极真空电弧构造示意图真空电弧焊应用由于加热能量密度可达 1105W/2,不开破口一次可焊接厚度为 1416的钛合金板。由于是真空状态，O2、N2 的分压特别小，熔池金属的保护效果非常好。钛合金的真空电弧焊在俄罗斯运载火箭的钛合金燃料箱中得到了应用，并采用了带有横向磁场控制的空心阴极焊枪，见图 4。空心阴极在微推力器中应用3空心阴极微推力器是一种新的低功率电推进方式, 它具有比冲高、可靠性高、体积小、结构简单的突出特点, 在小卫星和微小卫星有广泛的应用前景。空心阴极微推力器结构如图5 所示, 它有一个微小的高效率空心阴极, 用于电离Xe 推进剂 ,
5、产生的Xe离子在离子光学系统作用下, 向空间喷出, 产生推力。空心阴极微推力器通常很小, 直径可小于1 cm ,长度可小于2 cm , 功率在5 25W , 比冲在1500 S,推力在0. 2 1 mN. 效率为可达25% , 由于空心阴极微推力器的离子束流只有数mA ,因此束流的中和也比较容易实现。 图 9 采用磁控技术的 HCVAW 焊枪图 4 空心阴极微推力器原理图 和胶体推力器、场致发射推力器, 以及其他一些新型推力器相比, 空心阴极微推力器采用的关键技术是空心阴极技术, 该技术已经经过多次空间飞行验证 , 在可靠性方面, 有比较好的基础。因此, 关于空心阴极微推力器的研究在国外很受重
6、视4。与常规 TIG 焊相比较(1) 焊接方法 材料 板厚 焊接电流 弧长 焊接速度 氩气流量HCVAW Cr18Ni9Ti 6 100A 10 12m/h 15mL/min TIG焊 1Cr18Ni9Ti 6 100A 2 12m/h 8L /min与常规 TIG 焊相比较(2)(a) TIG (b) HCVAW图 5 HCVAW 和 TIG 焊熔深对比总结 空心阴极真空电弧焊接(HCVAW）在空间技术中有广泛的应用, 国外在这一领域已经进入了实用化阶段。我国如果在这一领域能取得突破性进展, 不仅对推动我国电推进技术的发展有重要意义, 而且对我国发展航天器电位主动控制技术、空间实验室技术、宇
7、航员出舱技术、空间电动力学系绳技术都具有重要的意义, 因此, 我们对空间空心阴极的研制工作应该予以重视。参考文献1 Weeks J L,Krotz P D，Todd D T,et al.Vacuum gas tungsten arc xelding,Final Report,Contact.No.NAS8-39932,19962 孙乃文，关桥，郭德伦等真空电弧焊接与钎焊技术焊接学报，199r7，18(3)：1291333 Jacobson D T and Jankovsky R S. , Test Results of a2002W Class Hall Th ruster C . A IAA Paper No. 9823792, 34th A IAA A SM E SA EA SEE Jo int P ropulsion Conference, Cleveland,U SA , July 1998.4 郭宁, 顾佐, 邱家稳,空心阴极在空间技术中的应用,真空,VACUUM,兰州物理研究所,2005,9:第42卷第5期空心阴极真空电弧焊接基本特性与应用综述（Hollow Cathode Vacuum Arc Welding）南昌航空大学 俞鑫年090343042012年5月1日
