УП ФОИЭС (841336), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Температура и плотность тока (достигающая 106…107 А/см2) в нестационарных катодных пятнах на много выше,чем в дугах с неплавящимся тугоплавким катодом со стационарным (неподвижным)катодным пятном. В то же время остальная часть катода относительно холодная.Такое поведение катодных пятен характерно для вакуумных дуг и на определенных режимах для сварочных дуг с плавящимся электродом при атмосферномдавлении.
Как правило, катод интенсивно испаряется, что позволяет отнести эти дугик дугам в парах металла.Катодное падение напряжения для Ме-дуг обычно больше, чем для дуг с неплавящимся катодом, соизмеримо с потенциалом ионизации паров металла электродови составляет Uк = 10…20 В; катодная область dк ≈ 10-6 мм, что соизмеримо с пробегом иона.Структура катодной области. В катодной области существует скачок потенциала, называемый катодным падением напряжения Uк и происходит генерация и перенос заряженных частиц между катодом и столбом дуги. Роль катодного падениянапряжения сводится к следующему:- к ускорению ионов, движущихся к катоду;- обеспечению достаточно высокой эмиссии электронов благодаря повышеннойтемпературе поверхности, бомбардируемой ионами;60- созданию у поверхности катода сильного электрического поля, снижающегоработу выхода электронов и таким образом, облегчающего эмиссию;- ускорению эмитированных катодом электронов до уровней энергии, необходимых для обеспечения интенсивной генерации заряженных частиц в катодной области.
Благодаря этому процессу доля ионного тока в катодной области значительнобольше, чем в столбе дуги.Обычно принимается модель катодной области, состоящая из двух слоев(рис.2.26). Слой I, прилегающий к поверхности катода, меньше длины свободногопробега ионов и электронов. В этом слое вследствие относительно большой (посравнению с плазмой в столбе) доли ионного тока и малой подвижности ионов возникает избыточный положительный пространственный заряд, приводящий к появлениюскачка потенциала у катода. Доля ионного тока в слое I постоянна. Слой II находитсямежду первым слоем и столбом дуги и называется ионизационным.
В нем, как и встолбе дуги, выполняется условие квазинейтральности и происходит генерация заряженных частиц благодаря энергии, приобретенной электронами в слое I. Из слоя IIв слой I движутся не только ионы, но и электроны. Из-за тормозящего действия электрического поля до поверхности катода доходит лишь небольшая часть так называемых «обратных» электронов, обладающие энергией, достаточной для преодоленияскачка потенциального барьера.Сумма токов эмиссии, ионов и«обратных» электронов равняетсяполному току разряда. Напряженностьэлектрического поля снижается, достигая в предельном случае значенияградиента потенциала в столбе дуги.Упрощенная схема взаимосвязи катодныхпроцессовпоказананарис.2.27 .Термоэмиссионныекатоды.Благодаря уникальным свойствамРис.
2.26. Строение катоднойобласти дуги: ji, je – плотности ион- вольфрам нашел широкое примененой и электронной составляющих плот- ние в качестве материала термоэмисности ток; z – расстояние от катодасионных 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, высокиемеханические свойства, теплопроводность, что особенно существенно для работыкатодов в нестационарных режимах. Для сварки применяют марки вольфрама ВЧ(чистый, бесприсадочный) и ВРН (с повышенным содержанием примесей).61Рис.
2.27. Схема взаимосвязи катодных процессовВ дугах с чистым вольфрамовым катодом при нагреве его до T > 3800…4500 Кплотность термоэлектронного тока с учетом эффекта Шоттки достигает (1…7)·103А/см2.С целью повышения ресурса работы за счет снижения рабочей температурыэлектродов в вольфрам вводят добавки (присадки), повышающие эмиссионную способность катода. В качестве активирующих добавок могут быть использованы: оксиды тория ThO2, лантана La2O3, иттрия Y2O3, гафния HfO2, циркония ZrO2, бария BaO идр. (табл. 2.2).
Увеличение эмиссии объясняется созданием у поверхности эмиттерадипольного слоя, обращенного положительным зарядами наружу.Таблица 2.1. Свойства материаловМаркаТпл, КТкип, КДавление парапри Тпл, ПаМедьТитанМолибденТанталВольфрамРаботавыходаэлектроновеϕ, эВПлотность токаэмиссии при Тпл,А/см2135626096,6⋅10-34,382,76⋅10-9207328933269364332725073440061730,481,060,82,663,954,204,124,526,48⋅10-432,9224447Работа выхода электронов для вольфрамовых катодов с массовым содержанием оксидов 1…1,5 %.ОксидThO2La2O3Y2O3HfO2ZrO2еϕ, эВ3,02,963,303,443,97В катодных стержнях для аргонодуговой сварки применяют торированный, лантанированный и иттрированный вольфрам. При сварке примесные элементы (Th, Y,La) диффундируют изнутри на поверхность электрода, проходя между микрокристаллами вольфрама, так что на поверхности образуются отдельные „островки" пленки.Затем пленка расползается по поверхности вольфрама, образуя одноатомный слой.Излишек примесей может вызвать деполяризационный эффект и увеличение ϕ.62Следует отметить, что оксидные или примесные пленки могут существенно влиять на эмиссию электрона только при температурах, меньших, чем температура ихкипения, так как при более высоких температурах они просто испаряются.Термоэмиссионные дуговые катоды на основе вольфрама применяются при работе в инертных газах, азоте, водороде и их смесях.Термохимические катоды.
Для работы в атмосфере N2, O2, CO2, воздухе ивосстановительных средах используются катоды на основе металлов, которые привзаимодействии с плазмообразующими газами дают пленки соединений, обладающие высокими эмиссионными свойствами и термической устойчивостью (оксиды,нитриды, карбиды). В качестве материала термохимических катодов на практикеприменяют Zr и Hf. Оксиды, нитриды, карбиды этих металлов обладают наибольшейтермической устойчивостью (Табл.
2.2).Для катодов, используемых при электронно-лучевой сварке, кроме вольфрама итантала иногда используют покрытия с оксидами щелочноземельных элементов иприменяют неметаллические материалы, например гексаборид лантана LaB6 и др.Гексаборид лантана в температурном интервале 1600…1700 К имеет работу выходапорядка 2,6 эВ и ток эмиссии ≈ 1…2 А/см2.Таблица 2.2. Некоторые свойства Zr, Hf, их нитридов и оксидовМаркаZrHfZrNHfNZrO2HfO2Тпл, КТкип, Кеϕ, эВ210039003,7-4,0247033003350295031005700495057003,2-3,93,8-5,83,8-5,83,8-4,03,2-3,5Эмиссионная пятнистость.
Эмиссионные свойства поверхности всякого катода(термо-, автоэлектронного) неодинаковы. На ней существуют участки с различной работой выхода электронов. Различие плотности тока в отдельных участках катода,особенно при низких температурах, доходит до такой степени, что практически весьэмиссионный ток течет только через участки с наименьшей работой выхода.Это явление, заметное и у чистых металлов, но особенно резко выраженное уоксидных катодов, называют эмиссионной пятнистостью.Например, еϕ различных граней кристалла вольфрама может различаться почтина 1 эВ, а для W—ThO2 катода, по-видимому, из-за различной способности к адсорбции на разных гранях, еϕ, может различаться до 2 эВ.Влияние давление среды на катодные процессы. Практикой установлено,что область давлений, при которых термоэмиссионные стержневые катоды работоспособны, ограничена снизу условием р ≥ 100 Па. Так, по данным Дороднова А.М.
иКозлова Н.П. на стержневом вольфрамовом катоде диаметром Øк = 3 мм и длиной lк= 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 распространяется на цилиндрическую поверхность. При уменьшении давле-63ния от 12,5 до 2,5 кПа j снижается от 2·103 до 0,6·103 А/см2, а температура катода от2800 до 2500 К. Соответственно падает и поток мощности, приносимый ионами наповерхность катода (поскольку Uк слабо зависит от давления).
Результат этого – существование некоторого граничного значения давления, ниже которого полный тепловой поток на поверхность катода оказывается недостаточным для нагрева ее дотемператур, обеспечивающих потребную плотность тока термоэмиссии. Очевидно,что для каждого конкретного случая граничное давление имеет вполне определенноезначение. Оно зависит, в частности, от геометрии и условий охлаждения катода, токадуги, свойств плазмы и материала катода.При дальнейшем понижении давления наблюдается переход разряда в режимвакуумной дуги, когда недостаток ионов из плазмы окружающего газа восполняетсяионами 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, обладающие малой эрозией и соответственно большим ресурсом работы, являются полые термоэмиссионные катоды.
Полый катод (рис.2.28) представляет собой обычнополый цилиндр с внутренним отверстием радиуса R и протоком плазмообразующего(рабочего) газа. Благодаря этому внутри полости всегда имеются условия для обеспечения необходимой концентрации рабочего вещества при сколь угодно маломвнешнем давлении среды. Контакт дуги с катодом осуществляется по внутренней поверхности полого термоэмиссионного катода.2.6.3. Анодная областьВ сварочных дуговых процессах явления в анодной области дуги играют исключительно важную роль, поскольку от них во многом зависят доля передачи энергииразряда аноду и, соответственно, характер нагрева и плавления основного металла.За исключением специальных случаев (например, угольная дуга), анод не эмитируетположительных ионов. Поэтому анодный ток — чисто электронный и j = je.Одним из важнейших интегральных параметров, характеризующих функционированиеанодной области разрядов, принято считатьанодное падение потенциала Ua, величина которого может быть как положительной, так и отрицательной.
Его значение определяется в основном энергией, потребляемой для образования положительных ионов в анодной области. Вбольшинстве случаев Ua < Uк для Ме-дуг Ua составляет 2…3 В. Д.М.Рабкиным получены значения Ua = 2,5±0,5 В, не зависящие от тока, материала анода и состава атмосферы дуги.Рис. 2.28. Схема использованияполого термоэмиссионного катода:1 – катод; 2 – медный катододержатель; 3 – подача плазмообразующего газа; 4 – экран из молибденаПо данным многочисленных наблюдений различаются два основных режима горения дуги на аноде – с контрагированным (сжатым) анодным пятном и с диффузной(распределенной по большой поверхности) зоной контакта дуги с анодом.
Вид формыконтакта плазмы с поверхностью анода обусловлен действием ряда факторов, таких64как величина тока разряда, давление, род плазмообразующего газа, скорость движения плазмы и т.д. Так при низком давлении (р ≤ 104 Па) переход от распределенного разряда к контрагированному наблюдается с увеличением тока, когда превышается некоторое значение тока, называемое критическим.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
