2.6.2. Катодная область

Классификация дуг по катодным процессам.В зависимости от внешних условий и параметров режима дуги она может сущест­вовать преимущественно в парах материала катода либо в газовой среде. К дугам в парах материала катода относятся: так называе­мая вакуумная дуга, когда она не только в катодной области, но и во всем пространстве горит в парах материала катода; дуга с пла­вящимся электродом, которая устойчиво существует как при низ­ком давлении (≤ 10 Па), так и при атмосферном и более высоком давлениях. К дугам в газовой среде относятся дуги с неплавящимися или слабо испаряющимися, но ин­тенсивно охлаждаемыми электродами. Возможны случаи, когда дуга в катод­ной области существует в газовой сре­де, а в анодной области - преимущест­венно в парах материала анода.

По характеру процессов, протекаю­щих в катодной области, сварочные дуги условно можно разделить на три типа.

1. Дуги с неплавящимся тугоплав­ким катодом, существующие в инерт­ных газах атмосферного давления при относительно небольших токах. Они характеризуются сильно сжатым стол­ бом дуги у катода с неподвижным в пространстве явно выраженным катодным пятном, в котором jдостигает 10⁵ А/см² (рис. 2.24). В этих дугах значительную роль играет термоавто-электронная эмиссия пятна.

2.Дуги с неплавящимся тугоплавким катодом без явно выра­женного катодного пятна. Если постепенно увеличивать ток, то дуга расширяется у катода и j падает в 10-100 раз - примерно до 10³ А/см² . Температура катода увеличивается, и катодное пятно исчезает. Следует отметить, что в дугах с тугоплавким катодом доминирующим механизмом эмиссии электронов с поверхности катода является термоэлектронная эмиссия, поэтому такие катоды называются термоэмиссионными или горячими. Катодное падение потенциала U_K термоэмиссионных катодов, как правило, меньше U_i защитного газа. Размер катодной области составляет d_K ≈ (2...3) Δ_е =10^-2 мм. Сравнение вольт-амперных характеристик обеих дуг (рис. 2.25) показывает, что с увеличением тока (свыше 200 А) обе дуги дают возрас­тающую ветвь с положитель­ным сопротивлением. Причем дуга без катодного пятна ус­тойчиво существует при меньшем напряжении и мень­шем U_K, чем дуга с катодным пятном.

3. Дуги с так называемым холодным катодом (обычно из не тугоплавких метал­лов - Ме-дуги) с незначитель­ной термоэмиссией при Т_кип (например, у ртути ≈ 630 К, у меди ≈ 2870 К, у железа ≈ 3013 К). Им свойственна со­вокупность достаточно боль­шого числа разрозненных не­стационарных катодных пятен, совершающих быстрое хаоти­ческое движение по поверхно­сти катода. Температура и плотность тока (достигающая 10⁶... 10⁷ А/см²) в нестационарных катодных пятнах намного вы­ше, чем в стационарных катодных пятнах дуг с неплавящимся ту­гоплавким катодом. 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 атмосферном давлении. Как правило, катод интенсивно испаряется, что позволяет отнести эти дуги к дугам в парах металла.

Катодное падение потенциала U_K для Ме-дуг обычно больше, чем для дуг с неплавящимся катодом; оно соизмеримо с потенциа­лом ионизации паров металла электродов и составляет 10...20 В; размер катодной области d_K ≈ 10^-6 мм соизмерим с пробегом иона.

Структура катодной области. В катодной области существует скачок потенциала, называемый катодным падением потенциала U_K, и происходит генерация и перенос заряженных частиц между катодом и столбом дуги. Роль катодного падения потенциала сво­дится к следующему:

• ускорение ионов, движущихся к катоду;

• обеспечение достаточно высокой эмиссии электронов благо­даря повышенной температуре поверхности, бомбардируемой ио­нами;

-создание у поверхности катода сильного электрического поля, снижающего работу выхода электронов и таким образом об­- легчающего эмиссию;

- ускорение 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 значительно больше, чем в столбе дуги.

Обычно принимается мо­дель (рис. 2.26) катодной об­ласти, состоящей из двух сло­ев. СлойI, прилегающий к поверхности катода, меньше длины свободного пробега ионов и электронов. В этом слое вследствие относительно боль­шой (по сравнению с плазмой в столбе дуги) доли ионного тока и малой подвижности ионов возникает избыточный положительный пространст-венный заряд, приводящий к появлению скачка потен­циала у катода. Доля ионного тока в слое I постоянна. Слой II на­ходится между слоем I и столбом дуги и называется ионизацион­ным. В нем, как и в столбе дуги, выполняется условие квазинейт­ральности и происходит генерация заряженных частиц благодаря энергии, приобретенной электронами в слое I. Из слоя II в слой I движутся не только ионы, но и электроны. В результате тормозя­щего действия электрического поля до поверхности катода дохо­дит лишь небольшая часть так называемых «обратных» 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.

Для сварки применяют марки вольфрама ВЧ (чистый, беспри­месный) и ВРН (с повышенным содержанием примесей). В дугах с чистым вольфрамовым катодом при нагреве его до Т= 3800.. .4500 К и выше плотность термоэлектронного тока с учетом эффекта Шоттки достигает (1.. .7) • 10³ А/см².

Для увеличения ресурса работы за счет снижения рабочей тем­пературы электродов в вольфрам вводят добавки (присадки), по­вышающие эмиссионную способность катода. В качестве активи­рующих добавок могут быть использованы оксиды тория ТhO₂ U_i, лантана La₂Оз, иттрия Y₂O₃, гафния НfO₂, циркония ZrO₂ и др. Увеличение плотности тока эмиссии объясняется созданием у по­верхности эмиттера дипольного слоя, обращенного положитель­ным зарядами наружу.

Работа выхода электронов еφ для вольфрамовых катодов с массовым содержанием оксидов 1... 1,5 % составляет:

Оксид.............................................. Th0₂ La₂0₃ Y₂0₃ Hf0₂ Zr0₂

еφ,эВ.............................................. 3,0 2,96 3,30 3,44 3,97

В 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» оксидной пленки. Затем пленка расползается по поверхности вольфрама, образуя одноатомный слой. Излишек примесей может вызвать деполяризационный эффект и увеличение работы выхода электронов еφ. 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. Термо­эмиссионные дуговые катоды на основе вольфрама применяются при работе в инертных газах, азоте, водороде и их смесях.

Термохимические катоды. Для работы в атмосфере N2, Ог, СО2, 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 Zr и Hf. Оксиды, нит­риды, карбиды этих металлов обладают наибольшей термической устойчивостью (табл. 2.2).

Для катодов, используемых при электронно-лучевой сварке, кроме вольфрама и тантала иногда применяют покрытия с оксидами щелочно-земельных элементов, а также неметаллические материа­лы, например гексаборид лантана LаВ₆ и др. У гексаборида лантана в температурном интервале 1600... 1700 К работа выхода электронов 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 еφ на гранях кристалла вольфрама может различаться почти на 1 эВ, а для катода W-ThO₂, по-видимому, вследствие разной спо­собности к адсорбции на отдельных гранях различие значений еφ 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 р ≥ 100 Па. Так, по данным A.M. Дороднова и Н.П. Козлова на стержневом вольфрамовом катоде диаметром 3 мм и длиной l_к = 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 его цилиндрическую поверхность. При уменьшении давления с 12,5 до 2,5 кПа плотность тока термоэмис­сии j снижается с 2 • 10³ до 0,6 • 10³ А/см, а температура катода -с 2800 до 2500 К. Соответственно падает и поток мощности, при­носимый ионами на поверхность катода (поскольку U_K 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.

При дальнейшем понижении давле­ния наблюдается переход в режим ваку­умной дуги, когда недостаток ионов из 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 эро­зией и соответственно большим ресур­сом работы, являются полые термоэмис­сионные катоды. Полый катод пред­ставляет собой обычно полый цилиндр с внутренним отверстием радиусом R и протоком плазмообразующего (рабоче­го) газа (рис. 2.28). Благодаря этому внутри полости всегда имеют­ся условия для обеспечения необходимой концентрации рабочего вещества при сколь угодно малом внешнем давлении среды. Кон­такт дуги с катодом осуществляется по внутренней поверхности полого термоэмиссионного катода.