Катоды

Тип и конструкция катода плазмотрона определяются составом плазмообразующей среды. В плазмотронах, работающих в среде инертных и нейтральных газов (таких, как аргон, азот и их смеси: аргон + азот, аргон + водород и азот + водород), применяются катоды из вольфрама.

Основной характеристикой материала катода являются эмиссионные свойства, которые определяются работой выхода электронов. Чем выше эмиссионные свойства материала катода (чем меньше работа выхода), тем лучше решаются задачи стабилизации дуги и охлаждения катода.

В настоящее время промышленностью освоен выпуск вольфрама, легированного окислами лантана и итрия (вольфрам марок ВЛ и СВИ). Эти добавки существенно улучшают эмиссионные свойства вольфрама, повышая ресурс работы катода и надежность плазмотрона.

Рис. 2. Принципиальная схема плазмотрона с вольфрамовым катодом: а — плазмотрон с цанговой фиксацией электрода: 1 — электродный узел; 2 — цанговый зажим; 3 — вольфрамовый стержень; б — плазмотрон с фиксацией электрода в медной державке: 1 — электродный узел; 2 — медная державка; 3 — вольфрамовый стержень.

Конструктивно катоды из вольфрама выполняются двумя способами: в виде прутка, который фиксируется цанговым зажимом, закрепленным в электродном узле плазмотрона (рис. 2,а), и в виде медной державки с заделанным в нее стержнем вольфрама, закрепленным в электродном узле (рис. 2,6). Последняя конструкция электрода предпочтительней, так как позволяет получать более высокие плотности тока на катоде (благодаря лучшим условиям теплоотвода) и более экономична с точки зрения расхода вольфрама (при эксплуатации вольфрамового прутка часть его, находящаяся в цанговом зажиме, не используется).

В качестве материала для катодов, работающих в кислородсодержащих средах, применяют элементы IVA группы периодической системы Д. И. Менделеева (например, гафний), так как его соединения обладают высокими эмиссионными свойствами, являются термически устойчивыми и в меньшей степени подвержены колебаниям токового и газового режимов и условий охлаждения. Теплофизические константы гафния и его соединений существенно отличаются от теплофизических констант вольфрама (теплопроводность гафния в 3—4, а температура плавления почти в 2 раза ниже, чем у вольфрама). Это вызывает необходимость помещать активную катодную вставку заподлицо в медную державку (рис. 3).

Рис. 3. Конструкция катода для работы в кислородсодержащих плазмообразующих газах: 1 — медная державка; 2 — активная вставка из гафния.

Для обеспечения необходимого ресурса работы таких катодов конструкция их должна отвечать определенным требованиям. Так, диаметр торцовой части медной державки не может быть меньше определенной величины для заданного тока дуги. Объясняется это тем, что величина допустимого теплового потока в материал активной вставки зависит от радиуса медной державки. Образование элементами IVA группы при температуре 800—900° С интер-металлидов с медью, обладающих высокой твердостью и низкой тепло- и электропроводностью, вызывает необходимость разработки такой технологии изготовления катода, которая обеспечивала бы гарантированный тепловой и электрический контакт по всей поверхности активной вставки в течение всего времени ее работы. Наиболее полно этим требованиям отвечает метод совместной холодной штамповки активной вставки и медной державки.

Наряду с созданием катодов для работы с использованием в качестве плазмообразующего газа воздуха разрабатываются специальные катоды для резки, функционирующие в чистом кислороде. Использование В качестве плазмообразующего газа кислорода позволило решить проблему порообразования при последующей сварке изделий под флюсом.

Исследования механизма функционирования катода с активной вставкой из элементов IVA группы в кислороде показали, что образующиеся на рабочей поверхности вставки окислы гафния плохо смачивают стенки эрозионного кратера. В результате в определенный момент падающий на стенки кратера тепловой поток от столба дуги вызывает расплавление части медного держателя. Образующаяся при этом жидкая медь окисляется и может попасть в эмитирующий материал в виде окислов. Температуры кипения окислов меди значительно ниже, чем гафния, вследствие чего они интенсивно кипят, унося окислы гафния и разрушая защитную пленку на его поверхности. Ресурс катода при этом реализуется при использовании гафниевой вставки по высоте не более чем на 25%.

Чтобы повысить ресурс катода, было осуществлено экранирование стенок кратера тугоплавким материалом, обладающим плохой смачиваемостью и низкими эмиссионными свойствами. Наиболее полно указанным требованиям отвечает экранирующая прокладка из алюминиевой фольги.

Следующим типом катодов, работающих в кислородсодержащих средах, являются катоды для плазменной сварки в углекислом газе. Они также термохимические, т. е. механизм функционирования их определяется химическим взаимодействием материала активной вставки катода (гафния) с плазмообразующим газом и термоэмиссионными свойствами продуктов этой химической реакции.

Катоды для плазменной сварки в углекислом газе работают в более легких условиях, чем катоды для резки, что обусловлено невысокой плотностью тока дуги, меньшими удельным тепловым потоком и расходом плазмообразующего газа. Однако в ряде случаев такие катоды должны работать на токах 700—800 А с приемлемым ресурсом.

Экспериментальные данные показали, что геометрические размеры как медного держателя, так и активной вставки таких катодов существенно отличаются от параметров катодов для резки на токах до 400 А. Чрезвычайно возрастают при этом требования к условиям охлаждения активной вставки, а точнее, к обеспечению определенного температурного режима ее работы.