空心阴极真空电弧焊接技术.doc

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，电弧能量密度低，柔性大，轮廓不清，它是发散态电弧。
电弧的特点(2)
电流>50A时，弧柱直径相当于阴极内孔直径，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10-2～10Pa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2～10㎜，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
Ⅰ、阴极压降区（激活区）
Ⅱ、内部等离子区
Ⅲ、阴极出口区
Ⅳ、弧柱区
Ⅴ、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1×105W/㎝2,不开破口一次可焊接厚度为14～16㎜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,
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.NAS8-39932,1996
[2] 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)：129～133
[3] Jacobson D T and Jankovsky R S. , Test Results of a2002W Class Hall Th ruster [C ]. A IAA Paper No. 9823792, 34th A IAA öA SM Eö SA EöA 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
09034304
2012年5月1日