Эмиссия электронов из поверхности катода

Лекция 2

Образование отрицательных ионов

Установлено, что галогены при ионизации способны присоединять электроны с образованием отрицательных ионов (галогены: F, Cl, Br, J). Наибольшее сродство к электрону имеет F, который часто вводится в дугу в виде солей (CaF2) с целью подавления пористости в металле шва. Присоединение атомами F отрицательных ионов приводит к тому, что в дуговой плазме уменьшается концентрация свободных электронов, хотя общее количество заряженных частиц остаётся постоянным. Электроны переносят основную часть тока. Отрицательные ионы F – тяжёлые малоподвижные частицы, которые осуществляют перенос тока значительно хуже. Поэтому при введении в зону сварки веществ, содержащих F, стабильность горения дуги резко ухудшается, особенно при сварке на переменном токе. Поэтому электроды типа УОНИ 13/45, содержащие в своём составе значительное количество CaF2, применяются на постоянном токе. Если сварку необходимо производить на переменном токе, тогда в состав подобных покрытий вводятся ионизирующие вещества, или применяется стабилизация дуги с помощью осцилляторов или генераторов импульсов.

Эмиссия электронов из поверхности катода

Для вырывания электрона из катода необходимо преодолеть силы притяжения электрона положительными зарядами катода. Для этого необходимо затратить определённое количество работы, которое называется работой выхода. Величина работы выхода зависит от материала катода и состояния его поверхности (наличие окисных и других плёнок). Для процесса в сварочной дуге основное значение имеют два вида эмиссии электронов: термоэлектронная и автоэлектронная.

Термоэлектронная эмиссия возникает при нагреве поверхности катода. При этом отдельные электроны могут получить энергию достаточную для выполнения работы выхода и покинуть поверхность катода. При отсутствии электрического поля над поверхностью катода образуется электронное облако, и дальнейший процесс эмиссии электронов прекращается.

С течением времени отдельные электроны из пространственного заряда возвращаются к телу заряда и втягиваются в металл. Происходит одновременно эмиссия электронов и втягивание их обратно в металл. При длительном нагреве металла с постоянной температурой устанавливается равновесная плотность эмиссии (количество эмитированных электронов равно количеству втянутых).

Плотность электронного тока может быть подсчитана по формуле:

j = AT²exp(-j/kt)

где j - работа выхода.

С увеличением температуры плотность тока термоэлектронной эмиссии возрастает. При температуре сварочной дуги устанавливается такая плотность термоэлектронной эмиссии, которая достаточна для поддержания устойчивого дугового разряда.

Автоэлектронная эмиссия. С целью облегчения эмиссии электронов из металла, разогретый металл – катод помещают в электрическое переменное поле. Полюса поля располагают следующим образом: ² -² на металле, ² +² на противоположном электроде – аноде.

Электрическое поле полностью или частично разрушает пространственный электрический заряд. Это облегчает эмиссию электронов из катода и увеличивает равновесную плотность эмиссии, которая рассчитывается по такой же зависимости.

Уравнение для тока термо- и автоэлектронной эмиссии приобретает вид:

В электрическом поле уменьшается работа выхода электрона на величину

Δ j= ₀^3/2Е^1/2,

где Е – напряжённость поля.

Эмиссия под воздействием электрического поля называется автоэлектронной. Для сварки свойственны оба вида эмиссии.

Уменьшение работы выхода с поверхности электрода может служить одним из способов стабилизации дугового разряда.

Таблица - Работа выхода с поверхности катода для различных материалов

При наличии на поверхности электрода окисных плёнок работа выхода значительно уменьшается, особенно сильно снижают j плёнки окислов щелочных и щелочноземельных металлов. С целью улучшения стабильности горения дуги при сварке W электродами в состав электродов вводятся окислы La, такие электроды называются лантанированными. Ранее применяемые электроды содержали 1, 5-2, 5% двуокиси тория. ВТ-15 и ВТ-25 (1, 5-2, 5% двуокиси тория). Дуга при этом не блуждает по поверхности металла.

За рубежом и в нашей стране предпринимались попытки повышения стабильности путём снижения j электрона с поверхности плавящегося электрода. Для этого применяли активированную проволоку, т.е. покрытую тонким слоем солей. Наилучший эффект дают соли цезия (обеспечивает низкий потенциал ионизации). При этом измельчаются капли расплавленного металла.