Магнитная гипотеза

При малых пороговых токах пятно существует в виде единой ячейки, которая при больших токах имеет тенденцию и делению за время 10^-6÷10^-4 с. Систематический распад ячеек с частотой порядка 10⁶ с^-1. А деление катодного пятна является следствием неоднородности собственного магнитного поля в районе пятна, расталкивания частей пятна полем. Это приводит к хаотическому перемещению пятна по поверхности металла.

Анализ движения пятна показал, что взаимодействие их собственных магнитных полей подчиняется принципу максимума напряжённости поля, который всегда должен соответствовать максимуму потенциальной энергии частиц, поэтому в направлении наибольшего потока энергии к катоду должно смешаться и само катодное пятно. Этим объясняется направленное (в том числе и обратное) движение пятна в магнитном поле, его деление и хаотическое перемещение по катоду. При больших токах и сложной структуре пятна оно в целом также будет перемещаться в область максимума напряжённости не только собственного H, но и дополнительного внешнего Н магнитного поля.

Собственное магнитное поле, охватывая область высоких концентраций зарядов наподобие футляра, уменьшает диффузионные потери частиц. Благодаря этому возможна высокая концентрация частиц и энергии над микроучастками (ячейками) катода, что приводит к высокой плотности тока, испарению металла и эмиссии электронов.

Протяжённость катодной области приравнивается к длине свободного пробега ионов
(т.е. < 10^-3 мм). Падения напряжения у стального катода оценивается различными авторами
от 8 до 17 В, в ртутных дугах Uк=5÷11В, угольной Uк=3В.

Наиболее вероятное значение плотности тока в пятнах дуги составляет 10³÷10⁴ А/см².

В зависимости от материала катода сварочные дуги можно разделить на два основных типа:

- с неплавящимся катодом (например, W-дуги)

- с плавящимся холодным катодом (например Me-дуги)

Дуги с неплавящимся (тугоплавким) катодом. Если катод сварочной дуги выполнен из материала с высокими температурами плавления (для W T_пл=3650К, T_кип = 5645…6000 К; для угля T_возг=4470 К) то он может быть нагрет до очень высокой температуры, при которой основная часть катодного тока обеспечивается термоэлектронной эмиссией. Учитывая, что W-катод представляет собой плёночный катод, а примеси из столба дуги (если изделие, например, алюминиевый сплав) могут также снизить работу выхода, то расчётное значение плотности тока может быть таким, как в приведённом ниже примере.

Пример. Электрод W-Th (или W-La) ϕ=1.0 эВ, Т=5000 К; kT=0.5 эВ

Поскольку, А 1,,то А/см². Если ϕ=2 эВ и А 10, то; А/см². Таким образом, только термоэлектроны иногда могут обеспечить j до А/см².

Катодное падение таких термоэлектронных дуг может быть значитьельно меньше U; защитного газа: U_к<U_i. Катодная область d_к (2...3)λ_e=10^-2 мм.

W-дуги могут существовать в двух видах:с катодным пятным пятном и без катодного пятна.

При сравнительно небольших токах и сильном охлаждении на катоде обычно есть пятно, столб дуги у катода сильно сжат, а j достигает 10⁴ А/см². Здесь значительную роль играет автоэлектронная эмиссия пятна. Такие катоды называют иногда термоэлектростатическими.

Если постепенно увеличивать ток, то дуга расширяется у катода и j падает в 10…100 раз – примерно до 10² А/см². Такая дуга называется дугой без катодного пятна или собственно термоэлектронной дугой. Сравнение вольт-амперных характеристик обеих дуг (рис.2.27) показывает, что с увеличением тока обе дуги дают возрастающую ветвь с положительным сопротивлением. Причём, термоэлектронная дуга горит при меньшем напряжении и меньшем Uк, чем дуга с катодным пятном.

Дуга с холодным катодом. Термин «дуга с холодным катодом» применяется к катодам из металлов, для которых термоэмиссия при Ткип незначительна, например, ртуть (Ткип=630 К) медь (2870 К), железо (3013 К). Особенность таких катодов – черезвычайно большая плотность тока в ячейках катодного птяна, доходящая до 10⁶…10⁸ А/см². Кроме того, обычно имеет место беспорядочное движение дуги по поверхности катода и существование нескольких катодных пятен. Как правило, катод интенсивно испаряется, что позволяет отнести дуги к дугам в парах.

Катодное падение напряжения для металла дуг обычно больше, чем для вольфрамовых, соизмеримо с потенциалом ионизации U; паров металлических электродов составляет
U_к=10…20 В, d_к=10^-6 см, V₀ соизмеримо с длиной пробега иона.

Магнитное поле и катоды металлических дуг. Количественными экспериментами и работами установлено, что все металлические дуги, относящиеся к классу «холодных дуг», обладают внутренней неустойчивостью. Это связано с непрерывной перестройкой и распадом, «кризисами» испаряющегося катодного пятна на металлах.

.

Рис.. Два типа дуг – без катодного пятна (а) и к ним (б).

В дуге (а) ток I_д продуцируется за счёт термоэлектронов, которые эмитирует W-электрод при высоких температурах
(3600 – 5000 К). В дуге (б) ток I_д продуцируется за счёт электростатической эмиссии.

Рис.. Вольтамперные характеристики и выделение теплоты на аноде и катоде для W-дуг с катодным пятном (крестики) и без него (точки).

Падение напряжения у катода:

стального – U_к= 8÷17 В

ртутного – U_к= 5÷11 В

угольного – U_к= 3 В

В пятнах дуг j = (10³ - 10⁴) А/см²

Дата добавления: 2014-01-03