Вторичная электронная эмиссия. Приближающийся к металлу ион нейтрализуется. Нейтрализация положительного иона осуществляется присоединением к нему одного из электронов металла, а отрицательного — передачей металлу лишнего электрона.

Вторичная электронная эмиссия считается возможной в следующих случаях: при потенциальном выравнивании электрона медленными ионами, когда

еUi ≥ 2Ф; при кинетическом выравнивании путем нагрева в месте удара молекулы или иона. Для щелочных металлов обычно еUi < 2Ф, поэтому для них потенциальное выравнивание невозможно, а для ионов Аr, Не, Н, eUi >2Ф, поэтому для них выравнивание вероятно. Коэффициент выхода электронов эмиссии на один ион трудно определить. Он зависит от ряда факторов, в том числе от энергии ионов, и меняется в широких пределах.

В обычных сварочных дугах вторичной эмиссией электронов за счет бомбардировки ионами, возбужденными атомами, а также фотоэмиссией можно пренебречь, поскольку они играют, видимо, незначительную роль в балансе энергии.

2.6.2. Катодная область

Классификация дуг по катодным процессам. В зависимости от внешних ус-

ловий и параметров режима дугового разряда он может существовать преимущественно в парах материала катода либо в газовой среде. К дугам в парах металла относятся так называемая вакуумная дуга, когда она не только в катодной области, но и во всем пространстве горит в парах материала катода; дуговой разряд с плавящимся электродом, который устойчиво существует как при низком давлении (≤ 10 Па), так и при атмосферном и более высоком давлении. К дугам в газовой среде относятся дуговые разряды с неплавящимся или слабо испаряющимся, но интенсивно охлаждаемыми электродами. Возможны случаи, когда дуга в катодной области существует в газовой среде, а в анодной – преимущественно в среде паров 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 столбом дуги у катода с неподвижным в

пространстве явно выраженным катодным пятном, в котором j достигает 105

А/см2 (рис. 2.24).

В этих дугах значительную роль играет термоавтоэлектронная 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 термоэмиссия, поэтому такие катоды называются термоэмиссионными или горячими.

Катодное падение напряжения Uк термоэмиссионных катодов как правило меньше Ui защитного газа. Катодная область dк ≈ (2…3) Λе = 10-2 мм.

59

3. Дуги с так называемым холодным катодом обычно из нетугоплавких металлов (Ме-дуги), для которых термоэмиссия при Ткип незначительна, например ртуть (Ткип ≈ 630 К), медь (2870 К), железо(3013 К). Для них свойственна совокупность достаточно большого количества разрозненных нестационарных катодных пятен, находящихся в быстром хаотическом движении по поверхности катода. 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 атмосферном давлении. Как правило, катод интенсивно испаряется, что позволяет отнести эти дуги к дугам в парах металла.

Катодное падение напряжения для Ме-дуг обычно больше, чем для дуг с неплавящимся катодом, соизмеримо с потенциалом ионизации паров металла электродов и 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 падения напряжения сводится к следующему:

-к ускорению ионов, движущихся к катоду;

-обеспечению достаточно высокой эмиссии электронов благодаря повышенной температуре поверхности, бомбардируемой ионами;

60

-созданию у поверхности катода сильного электрического поля, снижающего работу 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 значительно больше, чем в столбе дуги.

Обычно принимается модель катодной области, состоящая из двух слоев (рис.2.26). Слой I, прилегающий к поверхности катода, меньше длины свободного пробега ионов и электронов. В этом слое вследствие относительно большой (по сравнению с плазмой в столбе) доли ионного тока и малой подвижности ионов возникает избыточный положительный пространственный заряд, приводящий к появлению скачка потенциала у катода. Доля ионного тока в слое I постоянна. Слой II находится между первым слоем 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

вслой 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 преодоления скачка 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 нашел широкое применение 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, теплопроводность, что особенно существенно для работы катодов в нестационарных режимах. Для сварки применяют марки вольфрама ВЧ (чистый, бесприсадочный) и ВРН (с повышенным содержанием примесей).

61

Рис. 2.27. Схема взаимосвязи катодных процессов

В дугах с чистым вольфрамовым катодом при нагреве его до T > 3800…4500 К плотность термоэлектронного тока с учетом эффекта Шоттки достигает (1…7)·103 А/см2.

С целью повышения 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 ThO2, лантана La2O3, иттрия Y2O3, гафния HfO2, циркония ZrO2, бария BaO и др. (табл. 2.2). Увеличение эмиссии объясняется созданием у поверхности эмиттера дипольного слоя, обращенного положительным зарядами наружу.

Таблица 2.1. Свойства материалов

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" пленки. Затем пленка расползается по поверхности вольфрама, образуя одноатомный слой. Излишек примесей может вызвать деполяризационный эффект и увеличение ϕ.

62

Следует отметить, что оксидные или примесные пленки могут существенно влиять на эмиссию электрона только при температурах, меньших, чем температура их кипения, 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 и восстановительных средах используются катоды на основе металлов, которые при взаимодействии с плазмообразующими газами дают пленки соединений, обладающие высокими эмиссионными свойствами и термической устойчивостью (оксиды, нитриды, карбиды). 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 используют покрытия с оксидами щелочноземельных элементов и применяют неметаллические материалы, например гексаборид лантана LaB6 и др. Гексаборид лантана в температурном интервале 1600…1700 К имеет работу выхода порядка 2,6 эВ и ток эмиссии ≈ 1…2 А/см2.

Таблица 2.2. Некоторые свойства Zr, Hf, их нитридов и оксидов

Эмиссионная 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 весь эмиссионный ток течет только через участки с наименьшей работой выхода.

Это явление, заметное и у чистых металлов, но особенно резко выраженное у оксидных катодов, называют эмиссионной пятнистостью.

Например, еϕ различных граней кристалла вольфрама может различаться почти на 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. и Козлова 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-

63