МИКРО ПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА

ИОННО-ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ в сварочной дуге

Анализ существующих теорий катодных процессов в сварочной дуге показывает, что ни термоэлектронная, ни авгоэлектронная теория не могут указать реальных путей повышения стабиль­ности возбуждения и устойчивости горения малоамперной дуги переменного тока с холодным катодом. Это объясняется тем, что, с одной стороны, температура катода (например, алюми­ниевого) весьма мала для существования термоэлектронной эмиссии. С другой стороны, из-за низкой степени ионизации остаточной плазмы в момент повторного возбуждения дуги и, следовательно, малой плотности ионного тока напряженность электрического поля у катода недостаточна для автоэлектрон- ной эмиссии. Нами предложен и обоснован новый механизм катодных процессов в сварочной дуге [30, 31], который позво­лил дать рекомендации по повышению стабильности горения малоамперной дуги переменного тока и на основе которого в ИЭС им, Е. О. Патона АН УССР был создан способ микро­плазменной сварки алюминия малых и весьма малых толщин. Физическая сущность этого механизма эмиссии состоит в том, что ион, подходя к поверхности катода, своим собственным электрическим полем вырывает из катода электрон, который под действием внешнего электрического поля, создаваемого катодным падением потенциала, свободно уходит в прикатод - ную зону дуги, осуществляя перенос электронной компоненты тока в этой зоне. Расчеты показывают [30, 31], что в зависи­мости от скорости иона, напряженности внешнего электрическо­го поля и температуры каюда Гк число электронов, освобож­даемых из катода под действием ионно-электронной эмиссии в сильном электрическом поле, может составлять достаточно большую величину (габл. 4).

Расчетные значения коэффициента ионно-электронной эмис­сии у, представленные в табл. 4, были получены для катодов с работой выхода ф—4,5 В при внешнем поле £=2-107 В/см.

Видно, что даже при низких температурах катода у состав­ляет величину порядка 6 электронов на 1 ион. Этот коэффици­ент тем больше, чем меньше скорость иона и выше напряжен­ность электрического поля. Для ионно-электронной эмиссии требуется меньшая напряженность электрического поля, чем для автоэлектронной эмиссии.

Таким образом, предложенный ионно-электронный механизм эмиссии объясняет как малую, так и большую плотность тока /=( 1 +y)jt в дуге с холодным катодом, а также ряд экспе­риментально установленных явлений, например блуждание и обратное движение катодного пятна ь поперечном магнитном поле и др.

Выполненные в ИЭС им. Е. О. Патока АН УССР исследова­ния по малоамперной дуге с холодным катодом показали, что сварка алюминия малых толщин на обратной полярности или на переменном токе затруднена не только из-за пространствен­ной и временной неустойчивости горения дуги и низкой плот­ности тока в ней, но также из-за существования большого вре-

мени запаздывания возбуждения дуги, например с помощью высокочастотного осциллятора. С увеличением балластного сопротивления свыше 20 Ом, т. г. с уменьшением сварочного тока, время запаздывания даже при t/x< х=200 В резко возрас­тает от 1 с при 20 Ом до 30 с при /?б=40 Ом.

6. СУЩНОСТЬ МИКРОПЛАЗМЕННОЙ СВАРКИ НА ОБРАТНОЙ ПОЛЯРНОСТИ

Практика показала, что при микроплазменной сварке на пря­мой полярности в непрерывном и импульсном режимах стабиль­ное возбуждение и устойчивое горение основной дуги дости­гаются за счет использования дежурной дуги. Поэтому при разработке микроплазменной сварки тонколистового алюминия для обеспечения стабильности горения малоамперной дуги, по аналогии со сваркой на прямой полярности, была применена малоамперная дежурная дуга, горящая между вольфрамовым катодом и соплом плазменной горелки. Такое решение непо­средственно также вытекало из предложенного нами ионно - электронного механизма эмиссии. Повысить устойчивость горе­ния дуги с холодным катодом ьа малых токах, согласно этому механизму эмиссии, можно, используя посторонний источник ионов. Таким источником, не зависящим от тока основной дуги, мог служить факел плазмы / (рис. 34), создаваемый дежурной дугой косвенного действия. В связи с тем что в промежутке сопло 2— изделие 3 существует такой факел, то при подаче на сопло 2 горелки положительного относительно изделия напря­жения в разрядном промежутке будет протекать ток несамо­стоятельного разряда обратной полярности. Таким образом, под действием электрического поля из факела плазмы на изделие

(катод) 3 непрерывно поступают ионы, обеспечивая тем самым легкость возбуждения цуги и стабильность эмиссии с холодного катода. Условия, при которых формируется дуга обратной по­лярности, определяются в основном приложенной к разрядному промежутку разностью потенциалов, током дежурной дуги, а также состоянием поверхности и материалом изделия.

Использование медного водоохлаждаемого сопла горелки в качестве анода основной дуги позволяет исключить воздей­ствие тока дуги обратной полярности на катод дежурной дуги. При такой схеме питания плазмотрона ^-электрод 4 горелки используется только в качестве катода дежурной дуги, и его малый диаметр обеспечивает устойчивое ее горение на токах 2—5 А.

При малых расходах плазмообразующего газа (0,2— 0,8 л/мин) анодное пятно дуги обратной полярности размещает­ся внутри канала сопла, а фокусировка (сжатие) столба вблизи изделия и пространственная его устойчивость (как и при микро­плазменной сварке на прямой полярности) обеспечиваются за­щитным газом. Катодное пятно в пределах узкой зоны непре­рывно блуждает по поверхности изделия и разрушает туго­плавкую окисную пленку. Механизм очистки поверхности изде­лия от окисных пленок до момента его расплавления, как мы предполагаем, заключается в следующем. При ионной бомбар­дировке молекуле окисной пленки сообщается кинетическая энергия, усиливающая колебания ее ядер. Когда колебатель­ный уровень движения ядер попадает в область непрерывного спектра, молекула АІ2О3 диссоциирует. Разрушение окисной пленки алюминия путем диссоциации значительно облегчается, когда на молекулу А12Оз действует сильное электрическое поле, создаваемое, например, катодным падением напряжения и ло­кально усиливаемое собственным полем иона при его прибли­жении к поверхности окисной пленки. В этом случае сильное поле снижает потенциальный барьер в молекуле и уменьшает ее электронные связи. Когда этот барьер снижается до основно­го или возбужденного электронного состояния, электронные связи освобождаются и молекула разрушается. Следовательно, ионная бомбардировка и сильное электрическое поле обеспечи­вают очистку поверхности алюминия от тугоплавких окисных пленок даже без расплавления основного металла. Этот меха­низм позволяет объяснить разрушение окисных пленок при катодном падении напряжения, значительно меньшем энерге­тического порога распыления материала катода.

Если гок дуги обратной полярности достаточен для рас­плавления кромок свариваемого изделия, то одновременно с разрушением окисных пленок будет происходить процесс свар­ки. Пространственная устойчивость столба сжатой дуги обрат­
ной полярности, горящей между соплом плазмотрона и издели­ем, достигается благодаря использованию различных газов в качестве плазмообразующего и защитного. Как правило, плаз­мообразующим газом служит аргон, защитным — гелий или смесь аргона с гелием. Если же аргон используется и как за­щитный, и как плазмообразующий, то при больших расходах последнего может наблюдаться пространственная неустойчи­вость, особенно при выполнении стыковых соединений из тон­колистового алюминия. Для повышения устойчивости сжатой дуги обратной полярности в аргоновой защитной среде могут •быть использованы плазмотроны с ^-электродом, запитывае - мым переменным асимметричным током [32].