Неровный В.М. Теория сварочных процессов (841334), страница 16
Текст из файла (страница 16)
В этом слое вследствие относительно большой (по сравнению с плазмой в столбе дуги) доли ионного тока и малой подвижности ионов возникает избыточный положительный пространственный заряд, приводящий к появлению скачка потенциала у катода. Доля ионного тока в слое 1 постоянна. Слой 11 нахэдится между слоем 1 и столбом дуги и называется нонизациониым.
В нем, как и в столбе дуги, выполняется условие квазинейтральности и происходит генерация заряженных частиц благодаря энергии, приобретенной электронами в слое 1. Из слоя 11 в слой 1 движутся ие только ионы, но и электроны. В результате тормозящего действия электрического поля до поверхности катода доходит лишь небольшая часть так называемых «обратиых» электронов, обладающих энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера. Сумма токов эмиссии, ионов и «обратных» электронов равняется полному току разряда.
Напряженность электрического поля снижается, достигая в предельном случае значения градиента потенциала в столбе дуги. Упрощенная схема взаимосвязи катодных процессов показана на рис. 2.27. Термоэмиссионные катоды. Благодаря уникальным свойствам вольфрам широко применяется в качестве материала термоэмиссионных дуговых катодов. Он обладает наиболее высокими значениями температур плавления и кипения, плотности тока термоэмиссии при температуре плавления, самой низкой скоростью испарения (табл. 2.1).
Кроме того, вольфрам имеет большую теплоту плавления, высокие механические свойства и теплопроводность, что особенно существенно для работы катодов в нестационарных режимах. Таблица 2.1. Свойства материалов /7 (7) Рис. 2.2б. Структура католвой области дуги (/„ /, — плотности ионной и электронной составляющих тока; 7 — расстояние от катода) ных катодом электронов до уровней энергии, необходимых для обеспечения интенсивной генерации заряженных частиц в катодн ой области. Благодаря этому процессу доля ионного тока в катодной области значительно больше, чем в столбе дуги.
Обычно принимается модель (рис. 2.26) катодной области, состоящей из двух слоев. Слой 1, прилегающий к поверхности катода, меньше длины свободного пробега Для сварки применяют марки вольфрама ВЧ (чистый, беспримесный) и ВРН (с повышенным содержанием примесей). В дугах с етым вольфрамовым катодом при нагреве его до Т= 3800...4500 К и выше плотность термоэлектрониого тока с учетом эффекта Шотткидостигает(1...7) 10 А/см . 3 2 х ~о г о о х Ф м Ю о г.г «г 1 о о х Ъ о о х Ъ о о а « а о хох ххх ххоо х о.
х о о Ф "а ,О и о о о о х х х Ф Ф о о. о г о я а о о. х ... Т1гОг 1агОг ЧгОг НЮг ХгОг 3,0 2,96 3,30 3,44 3,97 Окснд.... е(р, эВ.... о х х о н М и5 в о о ., к х о. 2 а 3 Я Ф хо х х о.ф, о х х Ю и о о. х о о гг И о. х х о а Е ~о я х о х х и о о р, о „х х а х о 1 о ю гг В х о ~ х о о О М о х » 1 чзэонкояоопокпа3 89 Ю о о и о о о. х и о х М х Ф О о я х и Ю х х М « гг для увеличения ресурса работы за счет снижения рабочей температурьг электродов в вольфрам вводят добавки ггприсадки), повышающие эмиссионную способность катода. В качестве активируюших добавок могут быть использованы окснды тория ТЬ02, лантана 1.а203, иттрия У203, гафния НТ02, цнркония Ул02 и др.
увеличение плотности тока эмиссии объясняется созданием у поверхности змиттера дипольного слоя, обращенного положительным зарядами наружу. Работа выхода электронов егр для вольфрамовых катодов с массовым содержанием оксидов 1...1,5 % составляет: В катодных стержнях для аргонодуговой сварки применяют торированный, лантанированный и иттрированный вольфрам. При сварке примесные элементы (Т)г, "г', 1.а) диффундируют изнутри на поверхность электрода, проходя между микрокристаллами вольфрама, так что на поверхности образуются отдельные «островки» оксидной пленки. Затем пленка расползается по поверхности вольфрама, образуя одноатомный слой.
Излишек примесей может вызвать деполяризационный эффект и увеличение работы выхода электронов еф. Следует отметить, что оксидные или примесные пленки могут существенно влиять на эмиссию электронов только при температурах, меньших температур кипения пленок, так как при более высоких температурах они просто испаряются.
Термозмиссионные дуговые катоды на основе вольфрама применяются при работе в инертных газах, азоте, водороде и их смесях. Термохимические катоды. Для работы в атмосфере М2, 02, С02, воздухе и восстановительных средах используются катоды на основе металлов, которые при взаимодействии с плазмообразующими газами дают пленки соединений, обладающие высокими эмиссионными свойствами и термической устойчивостью — оксидные, нитридные, карбидные пленки. В качестве материала термохимических катодов на практике применяют Хг и Нб Оксиды, нитРиды, карбиды этих металлов обладают наибольшей термической Устойчивостью (табл. 2.2). Таблица 2.2. Некоторые свойства Хг, НГ, их ннтридов н оксидов Для катодов, используемых при электронно-лучевой сварке, кроме вольфрама и тантала иногда применяют покрытия с оксндамн щелочно-земельных элементов, а также неметаллические материалы, например гексаборид лантана 1.аВб н др.
У гексаборида лантана в температурном интервале 1600...1700 К работа выхода электро- 2 нов составляет = 2,6 эВ, а плотность тока эмиссии = 1...2 А/см . Эмиссионная пятнистость. Эмиссионные свойства поверхности катода с термо-, автоэлектронной эмиссией не одинаковы для разных частей поверхности. На ней существуют участки с различной работой выхода электронов.
Разнообразие значений плотности тока в отдельных участках катода, особенно при низких температурах, приводит к тому, что практически весь эмиссионный ток течет только через участки с наименьшей работой выхода электронов. Это явление, заметное и у катодов из чистых металлов, но особенно резко выраженное у оксидных катодов, называют эмиссионной пятнистостью. Например, работа выхода электронов е<р на гранях кристалла вольфрама может различаться почти на 1 эВ, а для катода % — ТЬО2, по-видимому, вследствие разной способности к адсорбции на отдельных гранях различие значений еер может доходить до 2 эВ. Влияние давления среды на катодные процессы.
Практикой установлено, что область давлений, при которых термоэмиссионные стержневые катоды работоспособны, ограничена снизу условием /з > 100 Па. Так, по данным А.М. Дороднова и Н.П. Козлова на стержневом вольфрамовом катоде диаметром 3 мм и длиной /„= 25 мм уже при давлении аргона менее 40 кПа в диапазоне токов 50...500 А происходит общее расширение плазмы и образование шарообразной катодной области. При Р < 12,5 кПа шаровая катодная область охватывает весь сферический торец катода и 90 распространяется на его цилиндрическую поверхность.
При уменьшении давления с 12,5 до 2,5 кПа плотность тока термоэмис- 3 3 2 сни /' снижается с 2. 10 до 0,6 10 А/см, а температура катода— с 2800 до 2500 К. Соответственно падает и поток мощности, приносимый ионами на поверхность катода (поскольку (/л слабо зависит от давления). Результат этого — существование некоторого граничного значения давления, ниже которого полный тепловой поток на поверхность катода оказывается недостаточным для ее нагрева до температур, обеспечивающих заданную плотность тока термоэмиссии. Очевидно, что для каждого конкретного случая граничное давление имеет вполне определенное значение.
Оно зависит, в частности, от геометрии и условий охлаждения катода, от тока дуги, свойств плазмы и материала катода. 4 При дальнейшем понижении давления наблюдается переход в режим вакуумной дуги, когда недостаток ионов из З 2Я плазмы окружающего газа восполняется ионами материала катода за счет его интенсивного испарения из катодного пятна. Эрозия при этом резко (на несколько порядков) возрастает. В области низких давлений газа (р < 1 Па) эффективными устройствами, обладающими малой эро- Рне. 2.28.
Схема нспользией и соответственно большим ресурсом работы, являются полые термоэмнс- эмиссионного катода: сионные катоды. Полый катод пред- Д" додержетель; 3 — подача ставляет собой обычно полый цилиндр с плезжообрлзгллпего г зл; 4— внутренним отверстием радиусом я и зкрелиз молибдене протоком плазмообразующего (рабочего) газа (рис.
2.28). Благодаря этому внутри полости всегда имеются условия дпя обеспечения необходимой концентрации рабочего вещества при сколь угодно малом внешнем давлении среды, Контакт дуги с катодом осуществляется по внутренней поверхности полого термоэмнссионного катода. 2.6.3. Анодная область В сварочных дуговых процессах явления в анодной области дуги играют исключительно важную роль, поскольку от них во многом зависят доля передаваемой аноду энергии дуги и соответ- 91 ственно характер нагрева и плавления основного металла. За исключением специальных случаев, например сварка угольной дугой, анод не эмитирует положительных ионов. Поэтому анодный ток — чисто электронный и 7' =7',.
Одним из важнейших интегральных параметров, характеризующих функционирование анодной области дуги, принято считать анодное падение потенциала У, которое может быть как положительным, так и отрицательным. Его значение определяется в основном энергией, потребляемой для образования положительных ионов в анодной области, и в большинстве случаев оно меньше катодного падения потенциала Ь'„. Для Ме-дуг У, составляет 2...3 В. Д.М.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
