Джерела нагрівання та

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

того, що всі поверхні, в тому числі й катодна, виявляються вкриті різними домішками: твердими або рідкими окислами, плівками шлаку, адсорбованими атомами газової фази, ін. Всі вони сильно впливають на величину роботи виходу, значення коефіцієнтів емісії Річардсона, а відтак – на густину електронного струму з поверхні катода.

При цьому не спостерігається прямого зв’язку між властивостями наявних на поверхні катода речовин і їхнім впливом на катодну емісію. Наприклад, атоми кисню чи азоту на поверхні вольфрамового катода погіршують емісію електронів з його поверхні, але адсорбовані залізним като-

дом атоми кисню навпаки − покращують емісію. Наявність оксиду алюмінію на поверхні алюмінієвого катоду майже повністю припиняє емісію електронів з його поверхні, але наявність оксиду заліза на поверхні заліз-

ного катода навпаки − покращує емісію електронів з його поверхні, і т.д., таких прикладів можна наводити дуже багато.

Найкраще такі явища досліджені для неплавкого вольфрамового катода. Такі елементи, як торій (Th ), лантан ( La ), барій ( Ba ), цезій (Cs ) та інші з низькими значеннями роботи виходу ( ϕ ≈ 2,0...3,5 В) – збільшують емісію електронів з поверхні вольфрамового катода. Особливо сильно це явище проявляється тоді, коли атоми домішки утворюють на поверхні катода дуже тонкий шар (іноді такий шар буває товщиною всього в один атом − «моноатомний шар»). В цьому випадку атоми матеріалу катода утворюють з атомами домішки на поверхні подвійний електризований шар і результуюча робота виходу може бути навіть меншою, ніж та, яку має матеріал домішки в чистому вигляді.

Нижче, в таблиці порівнюються значення термоелектронних констант катода з чистого вольфраму та з вольфраму, вкритого моноатомним шаром домішок.

61

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

Як бачимо, зменшення величини роботи виходу досить суттєве, не тільки порівняно з самим вольфрамом, але й порівняно з її значенням для самих елементів-домішок. Гіпотези стосовно фізичної суті процесів утворення і функціонування (навіть при температурах, вищих за температуру кипіння деяких елементів-домішок) подвійного електризованого шару на поверхні катода виходять за рамки даного посібника, тому обмежимось лише прикладними засадами цього явища.

Для користувачів зварювальної дуги ефект зменшення роботи виходу сторонніми домішками може бути корисним, наприклад, при аргонодуговому зварюванні неплавким електродом, коли в якості катода застосовують електрод з вольфраму. Іноді це буває технічно чистий вольфрам, але в переважній більшості випадків застосовують вольфрам, збагачений активними елементами з низькою роботою виходу: торієм {він називається торований (W+Th)}, або лантаном {тоді він називається лантанований

(W+La)}.

При горінні дуги із застосуванням такого катода атоми домішок (торію Th , або лантану La ) дифундують на його поверхню, де створюють так звані «острівки» емісії. Острівки емісії дуже швидко зливаються в суцільну

62

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

плівку, яка покриває робочу поверхню катода, утворюючи шар товщиною іноді в один атом. Такі катоди в практиці зварювальних робіт прийнято називати плівковими катодами.

Досліди показують, що в сприятливих умовах при достатньо високій температурі, катод такого типу може забезпечити термоелектронну емісію (підсилену ефектом Шотткі) достатньо високих значень густини струму:

» 2 ×108 А/м2 (200А/мм2).

При однаковій температурі різниця в густині струму з поверхні чистого вольфраму і вкритого моноатомним шаром елементу-домішки може ся-

гати 300...400 разів.

Плівковий катод постачає електрони в дугу за рахунок термоелектронної емісії, а вона, в свою чергу, збільшується з ростом температури. Тому плівковий катод для своєї ефективної роботи повинен бути нагрітим до високої температури. Через це за катодами такого типу закріпилась ще одна назва «гарячий катод».

Підсумовуючи сказане, можна дати таке визначення:

катод, який забезпечує дугу електронами переважно за рахунок

термоелектронної емісії, називається «гарячим» катодом.

Гарячий катод може бути плівковим катодом у випадку, якщо в його складі є домішки, здатні створити на поверхні плівку електризованого шару атомів, які зменшують роботу виходу.

При таких умовах дуга горить стабільно, катодна емісія відбувається з усієї розпеченої поверхні катода, катодної плями в дузі немає, але в цьому випадку не вдається досягнути значень струму в дузі більших за 400…450 А через вичерпання термоемісійної здатності катоду.

При зменшенні температури катода, його термоелектронна емісійна здатність, відповідно до класичних уявлень (див., наприклад, рівняння Рі-

63

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

чардсона – Дашмена) повинна зменшуватись. І так справді відбувається, особливо в умовах, коли разом зі зменшенням емісійної здатності катода ніщо не завадить зменшенню й струму в дузі.

Але зовсім інші явища мають місце, коли джерело електричного живлення дуги має достатній запас потужності, щоб перешкодити зменшенню струму разом зі зменшенням емісійної здатності катода.

На рисунку нижче наведено приклад зменшення температури катода за рахунок зменшення його вильоту h . Зменшення вильоту збільшує тепловідведення у закріплення і, таким чином, зменшує температуру електрода (T1 > T2 > T3 ). Якщо таку процедуру проводити поступово (зменшуючи виліт від h1 до h3 ) то справді термоелектронна емісія поступово зменшу-

ється і поступово від h1 до h2 зменшується й струм в дузі. Але разом з тим зменшується й площа поверхні катоду, яка емітує електрони.

Зменшення площі поверхні, яка емітує електрони, збільшує густину струму, відповідно, збільшується й напруженість електричного поля в приповерхневій області. Пропорційно з цим збільшується ефект автоелектронної емісії (від вильоту електрода h2 до h3 ). Збільшення густини елект-

ронного струму в зв’язку з цими явищами приводить, в свою чергу, до збільшення напруженості прикатодного електричного поля (вище це доводилося).

І настає момент, коли електрони починають лавиною покидати катод, спрямовуючись на вільні місця електронних оболонок іонів, які прямують

64

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

від стовпа дуги до катодної області. Над поверхнею катода спливає катодна пляма, утворюється іонізаційний простір, струм різко збільшується. Звичайно, все це можливо лише тоді, коли джерело електричного живлення дуги здатне забезпечити достатні значення потужності, напруги та струму.

Поява катодної плями якраз і свідчить про початок лавиноподібної емісії електронів з поверхні катода (за механізмом Маккоуна – Слєпяна). Дуга перестає бути стабільною, катодна пляма починає хаотично пересуватися, «рискає», по поверхні катода, вишукуючи концентратори напруженості електричного поля, якими можуть бути мікронерівності, забруднення оксидами, домішками, адсорбовані сторонні атоми, і т.ін.

Через важливу роль концентраторів напруженості електричного поля в цьому випадку і високу ймовірність того, що таким концентратором виявиться оксид, такі катоди прийнято називати оксидними.

Незважаючи на видиму нестабільність дуги, в цьому випадку практично неможливо вичерпати емісійну здатність катода і можна досягати дуже високих значень густини струму емісії {до 1×109А/м2 (1000А/мм2)} і,

відповідно, великих значень струму в дузі – реально до »10000А – поки дуга не розривається власним магнітним полем. Такий же ефект можна спостерігати і в інших випадках, коли температура катода досить невисока, а напруженість прикатодного електричного поля з будь-яких причин сягає значних величин. Особливо це стосується плавких катодів. Температура емітуючої поверхні плавкого катоду ніяк не може бути більша за температуру кипіння матеріалу і, в той же час, ця поверхня сповнена різноманітними концентраторами напруженості електричного поля (забруднення; домішки, які зменшують роботу виходу; нерівності). Для катодів такого типу характерні невисокі значення температури самої емітуючої електрони поверхні, тому за ними закріпилась робоча назва «холодний катод».

65

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

Отже, катод, який забезпечує дугу електронами переважно за раху-

нок автоелектронної лавиноподібної емісії, називається «холодним»

катодом.

Холодний катод може бути оксидним катодом, якщо головну роль у створенні концентраторів електричного поля відіграють наявні на його поверхні оксиди. Це явище особливо стосується випадків, коли катодом служить розплавлене залізо (або сталь, низьковуглецева чи низьколегована).

Дуга з гарячим катодом характерна для випадків зварювання в середовищі інертних газів неплавкими електродами з тугоплавких матеріалів зі штучно зниженою роботою виходу. Наприклад, вольфрам з домішками торію, або вольфрам з домішками лантану в захисному середовищі аргону, або гелію, чи їх суміші.

Дуга з холодним катодом характерна для зварювання плавкими електродами практично для всіх умов зварювання плавленням, коли катодом служать матеріали з невисокою температурою кипіння (залізо і його сплави: Tкип ≈ 3000 K, алюміній і його сплави: Tкип ≈ 2300 K, мідь і її сплави: Tкип ≈ 2800 К, і т.ін.). При таких умовах термоелектронна емісія,

навіть посилена ефектом Шотткі, не може бути значною. Тому переважаюче значення для забезпечення дуги електронами має автоелектронна емісія на концентраторах електричного поля (лавиноподібна, з тунельним переходом електронів). В таких дугах завжди є катодна пляма (іонізаційний простір), яка нібито хаотично рухається по поверхні катода, а насправді пересувається по цій поверхні в місця зі збільшеною напруженістю електричного поля, здатні забезпечити збільшене значення густини струму автоелектронної емісії.

Практичні досліди й теоретичні викладки, які так суттєво підняли роль концентраторів напруженості електричного поля у процесах катодної

66

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

емісії, привели до того, що останніми часами це явище почали позначати спеціальним терміном: «принцип максимуму напруженості електричного поля в катодній області». Він означає, що дуга горить в те місце поверхні катода, де виникає (з будь−яких причин) найбільша в даний момент часу напруженість електричного поля. Оскільки концентраторами напруженості електричного поля на поверхні катода в кожен момент часу можуть бути різні за своєю природою і фізичною суттю причини, то й складається враження, що катодна пляма хаотично рискає по поверхні катода. Такі дуги, в зв’язку з цим, нестабільні, але ця незручність компенсується тим, що вони можуть забезпечувати значно більші значення струму (в 10…20 разів), ніж дуги з неплавкими катодами.

ФІЗИЧНІ ПРОЦЕСИ В СТОВПІ ДУГИ

Стовп дуги починається там, прийнято вважати, де вільний електрон на границі катодної області зустрічає на своєму шляху перший нейтральний атом.

Якщо результатом зіткнення електрона з атомом є іон і ще один електрон (відбувається іонізація), то дуговий розряд стає можливим. Вивільнені електрони рухаються до анода, поглинаються ним, отже, через дугу проходить електричний струм.

У зв’язку з цим найголовніший процес, який протікає в стовпі дуги

та найсильніше впливає на її властивості є іонізація.

Іонізацією називається процес відриву від нейтрального атома електронів і віддалення їх на відстань, при якій електрон виходить за межі силового поля утворюваного при цьому іона.

Степінь іонізації атома залежить від кількості відокремлених від нього електронів і може бути перша (І − відділяється один електрон), друга (ІІ − відділяється два електрони), третя (ІІІ − відділяється три електрони), і т.д.

67

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

І - A ® A+ + e0 ; ІІ - A+ ® A++ + e0 ; ІІІ - A++ ® A+++ + e0

Для характеристики процесу іонізації вживають спеціальний показник, який називається робота іонізації.

Роботою іонізації (позначається Ai ) називається енергія, яку необ-

хідно витратити на відрив від нейтрального атома електрона і відда-

лення його за межі силового поля утвореного при цьому іона.

Величина роботи іонізації різна для різних атомів і залежить від будови самого атома, структури його зовнішньої електронної оболонки, кількості валентних електронів, сили взаємодії електронів з ядром атома та іншими електронами оболонки, ін.

Оскільки фігурантом явища іонізації є електрон, а заряд електрона є одна з фундаментальних фізичних констант, то роботу іонізації, так само як і роботу виходу, часто виражають в позасистемних одиницях - елект-

рон-вольтах: 1 е.-В. » 1,602177 × 10–19 Дж.

Один електрон-вольт, як зазначалося вище, це енергія, якої набуває електрон, розганяючись різницею потенціалів 1 Вольт.

Тому, щоб характеризувати процес іонізації, інженери та науковці для зручності ввели спеціальну фізичну величину – потенціал іонізації (Ui ),

який вимірюється у Вольтах.

Нижче, в таблиці, для прикладу наведено деякі енергетичні показники (для порівняння – в електрон-Вольтах і у Джоулях) процесів різної степені іонізації атома заліза.

Потенціал іонізації – це різниця потенціалів, яку умовно повинен проходити електрон, щоб набути енергії, рівної роботі іонізації.

Чисельно потенціал іонізації у вольтах дорівнює роботі іонізації в

електрон-вольтах: Ui , [В] = Ai , [е.-В]

68

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

Для роботи з системними ( SI ) енергетичними одиницями (Джоуль) необхідно помножити потенціал іонізації атома (у вольтах) на заряд елект-

рона: e0 » 1,602177 ×10−19 , який вимірюється в Кулонах [Кл]: (1Кл = 1А×1сек), отже: Ai = e0 ×Ui , [Дж].

Для умов практично всіх видів дугового зварювання характерна тільки перша степінь іонізації атомів, які можуть бути в газовій фазі дуги, через це саме такими рамками обмежено розгляд процесу іонізації в усьому подальшому викладі.

Величини потенціалів першої степені іонізації деяких атомів:

Величина потенціалу іонізації є періодична функція номера елемента в Періодичній системі елементів Д.І. Менделєєва, тому що визначається в найбільшій мірі зовнішньою (валентною) електронною оболонкою, будова якої періодично повторюється з ростом атомного номера елемента. Детальніші показники наведено в кінці посібника в Додатку.

Іонізація газів дугового проміжку

Іонізація атома може бути викликана різними причинами. Прийнято розрізняти такі основні види іонізації, ґрунтуючись на тому, як атом набу-

69

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

ває необхідної для цього енергії:

–зіткненням (співударом);

–фотоіонізація;

–термічна (теплова) іонізація.

Іонізація зіткненням

До класу явищ, які групують під спільною назвою іонізація зіткненням (співударом), відносять всі випадки, в яких іонізація нейтрального атома здійснюється в результаті удару (зіткнення) його з часткою зовсім іншого сорту: не з атомом, не з іоном, не з молекулою, але з електроном,

нейтроном, протоном, високоенергетичним ( γ- промені, X - промені Ре-

нтгена), і т.п. В умовах зварювальної дуги таке явище може спостерігатися при зіткненні «швидкого (шв)» електрону (який розігнаний електричним полем до швидкостей руху значно більших, ніж швидкість хаотичного теплового руху) з нейтральним атомом стовпа дуги.

Якщо енергія удару достатня, то результатом зіткнення будуть іон і два «повільних (по)» електрони. Це явище можна представити рівнянням:

A + (e0 )ШВ ® А+ + 2 (e0 )ПО

Для того, щоб іонізація зіткненням стала можливою, кінетична енергія

повинен мати електрон, для того щоб він зміг іонізувати атом, з яким сти-

70