Способ определения температуры ударно-сжатого газа при сварке взрывом

 

Использование: при исследованиях и разработке технологий изготовления слоистых материалов сваркой взрывом. Сущность изобретения: при измерении фототока фотодиода от действия излучения ударно-сжатого газа через диафрагму с цилиндрическим отверстием диаметром d диафрагму и фотодиод ФД-К-155 распологают в светоизолированной втулке, причем диафрагму - с торца втулки, а фотодиод - на расстоянии r от внешнего края диафрагмы из соотношения r = 125d, втулку устанавливают в неподвижную свариваемую заготовку таким образом, чтобы диафрагма находилась на уровне свариваемой поверхности. 1 ил.

Изобретение относится к методам определения температуры высокотемпературных газовых потоков и может быть использовано при исследовании процессов, происходящих при сварке взрывом.

Известен способ определения температуры [1] , находящегося между свариваемыми пластинами ударно-сжатого газа с помощью фоторегистратора СФР-ГМ по относительному почернению фотопленки.

Недостатком данного способа является расположение регистрирующего прибора в направлении распространения ударной волны, что вносит погрешности в определение температуры ударно-сжатого газа, обусловленные, с одной стороны, увеличением его оптической толщины, когда длина свободного пробега фотона становится сравнимой с размерами газового сгустка, а с другой - собственным коротковолновым излучением газа во фронте ударной волны, которое нагревает газ перед фронтом настолько, что последний начинает поглощать длинноволновое, в частности, видимое излучение с фронтом, экранирует его. Кроме того, вырез щелью СФР свечения середины зазора позволяет измерить только температуру основного газового потока, а не температуру заторможенного газа на границе с поверхностью пластины, которая является определяющей при теплообмене между потоком газа и поверхностью свариваемых пластин.

В качестве прототипа выбран способ измерения температуры ударно-сжатого газа [2] , при котором излучение светоизмерительной лампы и ударно-сжатого газа проецируют с помощью объектива через отверстие в экране на фотоэлектронный прибор, яркостную температуру лампы определяют с помощью прецизионного оптического пирометра, различие яркостей ударной волны и лампы компенсируют установкой диафрагмы, световой сигнал от лампы моделируют вращающимся диском с различными отверстиями, с помощью электронной аппаратуры фиксируют совпадение амплитуд сигналов от ударной волны и лампы, а яркостную температуру определяют затем по результатам измерений диаметра отверстия диафрагм на компараторе.

Недостатком данного способа является его сложность, что не дает возможности его применения при исследовании процессов сварки взрывом, а также низкая точность измерения температуры, связанная с дискретностью значений диаметра отверстий во вращающемся диске.

Целью изобретения является повышение точности и упрощение технологии измерения температуры ударно-сжатого газа при сварке взрывом.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе в качестве фотоэлектронного прибора используют фотодиод ФД-К-155, располагают его и диафрагму с цилиндрическим отверстием диаметра d в светоизолированной втулке, причем диафрагму - с торца втулки, а фотодиод на расстоянии r от внешнего края диафрагмы из соотношения r= 125d, втулку устанавливают в неподвижную свариваемую заготовку таким образом, чтобы диафрагма находилась на уровне свариваемой поверхности, а температуру определяют по формуле T = Kln + 1 где К₁= 17546,341 К; К₂= 0,0450976 А; i= фототок фотодиода При сварке взрывом впереди точки контакта образуется область ударно-сжатого газа, под действием излучения которого в цепи фотодиода возникает фототок: i= S_E˙E (1) где i - фототок фотодиода; S_{E -} чувствительность фотодиода по освещенности; Е - освещенность фотодиода.

Освещенность Е зависит от яркости источника света L и телесного угла, заполняемого пучком света:
Е= L ω (2)
Согласно закону Планка спектральная плотность энергетической яркости абсолютно черного тела связана с температурой источника излучения следующим соотношением:
L^°_e(λ, T)= · (3) где λ - длина волны излучения;
С₁= 3,74˙10^-16Вт˙м²
Для конкретной пары источник излучения - фотодиод выражение (3) примет вид:
L = dλ (4)
где ϕ (λ) - спектральная чувствительность фотодиода;
v (λ , Т) - коэффициент излучения источника света.

Доказано, что ударно-сжатый газ в направлении, перпендикулярном распространению фронта ударной волны, излучает как абсолютно черное тело и в этом случае v(λ , Т)= 1. Экспериментально определено, что для фотодиода ФД-К-155 выражение (4) можно представить в виде
L = (5)
Также экспериментально установлено, что чувствительность фотодиода ФД-К-155 равна:
S_E= · 1,05038·10^-21 (6)
На основании формул (1), (2), (5), (6) для температуры Т ударно-сжатого газа получим:
T = 17546,341ln+1 (7)
Телесный угол ω для предлагаемого способа измерения температуры ударно-сжатого газа определяется выражением:
ω =
где d - диаметр отверстия диафрагмы;
r - расстояние от внешнего края диафрагмы до фотодиода.

Чем больше величина ω , тем больше фототок и тем меньше сказывается влияние электрических наводок от действия детонации взрывчатого вещества. Однако при исследовании процессов сварки взрывом при высоких скоростях детонации ВВ, а соответственно, и высоких температурах ударно-сжатого газа (до 70000 К) зависимость фототока фотодиода от освещенности может иметь нелинейный характер. Установлено, что при условии допустимой погрешности измерений не более 5% отношение r/d не должно превышать 125. Учитывая то, что при низких скоростях детонации ВВ с уменьшением величины r/d увеличивается погрешность от электрических наводок, для обеспечения возможности измерений температуры ударно-сжатого газа во всем диапазоне скоростей детонации ВВ, применяемых при сварке взрывом (2000-4500 м/с), оптимальная величина r/d= 125. Тогда выражение (7) примет вид:
T = 17546,341ln+1 (8)
Измерение температуры ударно-сжатого газа при сварке взрывом известно из способа [1] . Однако, в отличие от него предлагаемое решение более простое в осуществлении и повышает точность определения температуры ударно-сжатого газа за счет размещения узла фотодиода перпендикулярно распространению ударной волны. В этом случае устраняется влияние увеличения оптической толщины области ударно-сжатого газа и экранирования излучения с его фронта на точность определения температуры. Кроме того, предлагаемое решение позволяет определять линейные размеры области ударно-сжатого газа и время действия его на свариваемые заготовки.

Измерение температуры ударно-сжатого газа с помощью фотоэлектронных приборов известно из способа [2] . В отличие от него предполагаемое решение проще в осуществлении (отсутствует объектив, экран, вращающийся диск с отверстиями), менее трудоемко (температура ударно-сжатого газа определяется по формуле (8) непосредственно по показаниям регистрирующего прибора) и более точно (устраняется погрешность, вносимая измерением диаметра отверстия диафрагм на компараторе, а также определением яркостной температуры светоизмерительной лампы с помощью пирометра). Кроме того, расположение диафрагмы на уровне свариваемой поверхности позволяет измерять температуру не только основного газового потока, но и температуру адиабатически заторможенного газа в приграничном слое, которая и определяет теплообмен между газом и свариваемыми заготовками.

На чертеже 1 показана схема определения температуры ударно-сжатого газа при сварке взрывом. В неподвижной свариваемой заготовке 1 на уровне свариваемой поверхности устанавливают втулку 2 с расположенными в ней на расстоянии r диафрагмы 3 и фотодиода 4. При метании зарядом взрывчатого вещества 5 заготовки 6 впереди точки контакта образуется область ударно-сжатого газа. Под действием излучения газа в цепи фотодиода возникает фототок i, величину которого измеряют с помощью регистрирующей аппаратуры (осциллографа). Подставив полученное значение в формулу (8), определяют температуру ударно-сжатого газа.

П р и м е р. Осуществляли измерение температуры ударно-сжатого воздуха при сварке взрывом алюминиевой и стальной пластин. Размеры пластин: стальной - 10х150х400 мм; алюминиевой - 2х150х400 мм. В неподвижной стальной пластине устанавливали втулку с расположенными в ней диафрагмой с отверстием диаметром 1,0 мм и расположенным от нее на расстоянии 125 мм фотодиодом ФД-К-155. Осуществляли сварку взрывом пластин зарядом взрывчатого вещества со скоростью детонации 2500 м/с и измеряли фототок фотодиода осциллографом С-17. С помощью формулы (8) по значению фототока (i= 303 мкА) определяли температуру ударно-сжатого воздуха. Полученное значение (Т= 3502 К) составляет погрешность 3% от теоретического (Т= 3400 К) [7] .

(56) 1. Ишуткин С. Н. и др. Исследование теплового воздействия ударно-сжатого газа на поверхность соударяющихся пластин. Физика горения и взрыва, 1980, N 6, с. 69-73.

2. Цикулин М. А. , Попов Е. Г. Излучательные свойства ударных волн в газах. М. : Наука, 1977, с. 50-61.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ УДАРНО-СЖАТОГО ГАЗА ПРИ СВАРКЕ ВЗРЫВОМ, при котором измеряют фототок фотодиода от действия излучения ударно-сжатого газа через диафрагму с цилиндрическим отверстием диаметром d, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения технологии определения температуры, диафрагму и фотодиод ФДК-155 располагают в светоизолированной втулке, причем диафрагму - в торце втулки, а фотодиод на расстоянии r от внешнего края диафрагмы, составляющем 125d, втулку устанавливают в неподвижную свариваемую заготовку так, чтобы диафрагма находилась на уровне свариваемой поверхности, а температуру T определяют по формуле
T = Kln + 1/
где K₁ = 17546,341 К;
K₂ = 0,0450976 А;
i - фототок фотодиода, А.

РИСУНКИ

Рисунок 1