Приклади інших способів зварювання. 3 страница

Схема переносу заряду у дузі представлена на рисунку 2.11.

а — схема переносу заряду у дузі;

б — схема падіння потенціалу у дуговому розряді

Рисунок 2.11 — Схема переносу заряду у дузі

Швидкість електронів набагато вища швидкості іонів, а отже вони швидше залишають стовп дугового розряду, ніж іони, тому стовп дугового розряду по відношенню до інших зон має позитивний
потенціал — його називають позитивним стовпом. В цілому, весь дуговий розряд квазінейтральний.

Між електродами заряджені частинки можуть з’являтися в будь-якій зоні, але в основному вони з’являються в результаті емісії з катоду і об’ємної іонізації у стовпі дуги.

2.6 Вольт–амперна характеристика дугового розряду

В цілому вольт–амперна характеристика (ВАХ) не лінійна. В залежності від значення току та процесів, які відбуваються у дуговому розряді, вольт–амперну характеристику поділяють на три зони:

1. Спадаюча характеристика (перша зона, рисунок 2.12) — найчастіше використовується при ручному дуговому зварюванні (РДЗ). При збільшенні зварювального струму зростають активні плями катоду, збільшується емісія електронів з катоду. Крім цього в самому дуговому розряді починають активніше протікати елементарні процеси, що веде до збільшення кількості носіїв заряду, зростає температура та ширина стовпа дуги, зменшується електричний опір у дузі, тому необхідно докладати меншу напругу для забезпечення горіння дугового розряду. Кількість носіїв зарядів у даному випадку не постійна і на цій ділянці ВАХ закон Ома не діє.

2. Жорстка характеристика (друга зона, рисунок 2.12). В цій зоні при збільшенні зварювального струму розміри активних плям та кількість носіїв заряду збільшуються пропорційно струму. Тому при збільшенні зварювального струму напруга залишається постійною. На цій ділянці закон Ома також не діє.

3. Зростаюча характеристика (третя зона, рисунок 2.12). При струмі більше 800 А активна пляма катоду досягає межі, яка визначається розмірами перерізу електроду. Емісія з катоду та елементарні процеси обмежуються, розміри стовпа дуги не змінюються, тому кількість носіїв зарядів майже не змінюється. На цій ділянці діє закон Ома.

РДЗ — ручне дугове зварювання;

Н/А ДЗ — напівавтоматичне дугове зварювання;

АДЗ — автоматичне дугове зварювання;

l_д — довжина дуги

Рисунок 2.12 — Вольт–амперна характеристика дугового розряду

2.7 Елементарні процеси у плазмі дугового розряду

2.7.1 Види елементарних процесів

У дуговому розряді відбувається цілий комплекс процесів — взаємодія електронів, іонів та атомів між собою. Частіше всього, це зіткнення. Зіткнення можуть бути пружні та непружні. Якщо в результаті зіткнення частково відбувся лише обмін енергіями, то таке зіткнення пружне. Зіткнення частинок, в результаті якого відбуваються процеси збудження та іонізації —непружне. При збуджені, валентні електрони переходять на більш високі орбіталі.

Іонізація відбувається, коли електрон залишає атом або атом приймає електрон.

Головну роль у дуговому розряді відіграють непружні зіткнення.

У дузі мають місце наступні елементарні процеси:

1) перезарядження іонів — пружне зіткнення

, (2.5)

де і — швидкі атоми;

і — повільні іони;

2) ударна іонізація — один з основних процесів у плазмі дугового розряду

, (2.6)

де eш — швидкий електрон;

eп — повільний електрон;

3) рекомбінація

, (2.7)

де h — постійна Планка;

— частота коливань;

— енергія випромінювання (фотона);

4) радіаційний захват

; (2.8)

5) фотоіонізація

; (2.9)

6) термічна іонізація

. (2.10)

2.7.2 Газокінетичний переріз

Процеси зіткнення частинок у плазмі дугового розряду описують за допомогою параметрів:

— довжина вільного пробігу частинки;

V — швидкість частинки;

— час вільного пробігу частинки;

— кількість зіткнень за 1 с.

, (2.11)

. (2.12)

Ці параметри можна зв’язати з характеристиками, що визначають сам процес зіткнення частинок, наприклад, з ефективним перерізом взаємодії частинок (або газокінетичний переріз) Q.

Геометричний зміст ефективного перерізу взаємодії. Схема визначення ефективного перерізу зіткнення часток показана на
рисунку 2.13.

Рисунок 2.13 — Схема визначення ефективного

перерізу взаємодії частинок

Для того, щоб відбулося зіткнення, центри молекул повинні знаходитися на найменшій відстані, яка визначається як

. (2.13)

Площа кола взаємодії радіусом R являє собою геометричний зміст перерізу Q.

. (2.14)

Газокінетичний переріз — це та площа, в межах якої відбувається взаємодія між частинками, що зіткнулися.

Види газокінетичних перерізів:

Q і–і — переріз зіткнення іон–іон;

Q і–а — переріз зіткнення іон–атом (перезарядка);

Q і–е — переріз зіткнення іон–електрон;

Q е–е — переріз зіткнення електрон–електрон;

Q е–а — переріз зіткнення електрон–атом.

У зварювальних дугах достатньо враховувати тільки Q е–а і Q і–е.

. (2.15)

Довжина пробігу частинки визначається як

, (2.16)

де n — концентрація частинок у 1 м3.

У загальному випадку

, (2.17)

де - кількість нейтральних частинок.

Швидкість частинок

. (2.18)

Довжина вільного пробігу електрона у плазмі

, (2.19)

де k — кількість видів частинок.

2.7.3 Переріз Ромзауера та його ефект

Газокінетичний переріз електрон–атом має назву переріз Ромзауера. Цей переріз визначає іонізаційні процеси в плазмі дугового розряду. Але є виключення, які описуються ефектом Ромзауера. Зміст їх у тому, що у важких газах при невеликому значенні енергії електрону взаємодія електрон–атом дуже послаблена. Це пояснюється хвильовим характером поведінки електронів в процесі пружного зіткнення.

У слабких полях середній газокінетичний пробіг іону не відрізняється від пробігу молекули .

. (2.20)

У сильних полях, де Vі >>Vм

. (2.21)

У сильних та слабких полях

, (2.22)

, (2.23)

де — довжина вільного пробігу молекули у нормальних умовах

( ~10–7 м).

Для нормальних умов = 1. Для інших умов є функція тиску (P) та температури (T) газу

. (2.24)

Довжина вільного пробігу при Т=300 К та Р= 1 атм = 1×10^-7 м, а у плазмі дугового розряду (T=6000 K) 2·10–6 м, 10–5 м.

2.7.4 Термічна іонізація. Потенціал іонізації

За рахунок термічної енергії у плазмі дугового розряду відбувається збудження та іонізація атомів. Енергія, яка необхідна для виходу електрону з атому, має назву потенціалу іонізації — U_і. Енергія для виходу першого електрону з атому має назву першого потенціалу іонізації (це мінімальна енергія виходу). Найменший перший потенціал іонізації у цезію — U_і = 3,9 еВ, а найбільший у гелію — U_і = 24,7 еВ.

Вихід першого електрону з атому – первинна іонізація, другого – вторинна і т. д. У плазмі дугового розряду реалізується в основному первинна іонізація.

2.7.5 Випромінювання плазми

За випромінювання плазми відповідні два елементарні процеси: рекомбінація (2.7) та радіаційний захват (2.8).

2.7.6 Фотоіонізація

Процес фотоіонізації описується виразом (2.9). Умова фотоіонізації

. (2.25)

Фотоіонізація не грає визначної ролі на іонізаційні процеси в плазмі дугового розряду, тому її можна не враховувати.

2.7.7 Рекомбінація

Рекомбінація — це процес утворення нейтральних атомів, що описується виразом (2.7). Швидкість рекомбінації у 1 м3 визначається коефіцієнтом рекомбінації R.

. (2.26)

Коефіцієнт рекомбінації — це кількість актів рекомбінації в одиниці об’єму за одиницю часу. Коефіцієнт рекомбінації залежить від розмірів та густини частинок (з їх збільшенням коефіцієнт рекомбінації збільшується), природи частинок, часу життя частинки, наявності близьколежачих тіл. Коефіцієнт рекомбінації іонів Rі = 10^-6 см³×с^-1, коефіцієнт рекомбінації електронів Rе = 10–13 см3×с^-1.

2.8 Елементи термодинаміки плазми

2.8.1 Іонна та електронна температури

Плазма — це сукупність нейтральних та заряджених частинок
(nі, nе, nо), але вона квазінейтральна ( ). Електрони та іони є носіями енергії в плазмі. Мірою цієї енергії може бути температура. Плазму поділяють на холодну та гарячу. Якщо енергія теплового руху KT~1 еВ, тоді плазма холодна. Якщо енергія теплового руху KT=10…100 еВ і більше, тоді плазма гаряча. Температуру плазми поділяють на іонну та

електронну. Ці температури залежать від тиску (рисунок 2.14).

А — плазма термічно нерівноважна;

Б — плазма термічно рівноважна ( );

Т_д — температура дуги

Рисунок 2.14 — Електронна (Т_е) та іонна (Т_і) температури у

стовпі дуги за умов різного тиску

У вакуумі дуговий розряд термічно нерівноважний.

2.8.2 Плазма як ідеальний газ

Для ідеального газу потенціальна енергія взаємодії між частинками дорівнює нулю. Ідеальний газ — це система частинок, силами притягання та розмірами яких можна знехтувати. При нормальному атмосферному тиску та температурі густина частинок в дуговому розряді настільки мала, що його можна віднести до ідеального газу. Тому для плазми діє основний закон газового стану

, (2.27)

, (2.28)

де .

, (2.29)

де R — універсальна газова стала (R = 8,31 Дж×моль^-1×град^-1);

N — число Авогадро (N = 6,02×1023 молекул×моль^-1).

, (2.30)

де V — об’єм.

2.8.3 Рівняння Саха. Ступінь іонізації

Ступінь іонізації (х) — це відношення кількості іонізованих частинок до первинної кількості частинок у даному об’ємі газу до іонізації

, (2.31)

де - кількість частинок, що не іонізувались.

Коли x<<1 (р = 1 атм), то справедливе рівняння Саха

, (2.32)

де a2 — квантовий коефіцієнт.

, (2.33)

де q — статистична або квантова вага — кількість станів частинки з

однаковою енергією (для електрона qе = 2).

У дузі х << 1, отже для зварювальної дуги буде дійсне рівняння Саха. Ступінь іонізації х залежить від температури (рисунок 2.15).

Рисунок 2.15 — S–образні криві ступеня іонізації

2.8.4 Ефективний потенціал іонізації

Поняття ефективного потенціалу іонізації вводиться для умов суміші газів і позначається U0.

Під ефективним потенціалом іонізації U₀ суміші газів, що має ступень іонізації х0, розуміють такий потенціал іонізації однорідного газу (при температурі і тиску суміші), в якому кількість заряджених частинок дорівнюється їх кількості в суміші газів.

, (2.34)

де — концентрація і–го газу в суміші, %;

Т — температура, К;

Uі — потенціал іонізації і–го однорідного газу у суміші, еВ.

Рисунок 2.16 — Зміна ефективного потенціалу

іонізації в системі пару K-Fe

При введенні легкоіонізованного компонента до 10% і більше ефективний потенціал іонізації за величиною наближується до потенціалу іонізації цього легкоіонізуючого компонента. При зниженні U₀ підвищується стабільність, але падає продуктивність процесу плавлення (більше 30% легкоіонізуючої речовини).

2.9 Явища переносу в плазмі дугового розряду

В плазмі дугового розряду мають місце наступні типи переносу:

1. Перенос металу (дивися тему «Перенос металу у дузі»).

2. Перенос заряду.

3. Перенос енергії (тепла).

2.9.1 Перенос заряду

Перенос заряду здійснюється під впливом:

1. Електричного поля.

2. Різниці концентрацій зарядів в різних зонах дуги.

Електричне поле. Густина струму у газі визначається за формулою

, (2.35)

де ne — кількість електронів;

е — заряд електрона;

Ve — швидкість електрона.

Швидкість електрона

, (2.36)

де E — напруженість електричного поля, В×см^-1;

— середній час пробігу електрона до зіткнення, в результаті

якого електрон гальмується (с);

me — маса електрона (me = 9·10–31 кг).

Таким чином густина електричного струму

, (2.37)

де — електрична провідність.

Різниця концентрації зарядів в різних зонах дуги. Під впливом різниці концентрації зарядів в різних зонах дуги виникає тиск, який спрямований з області більшої концентрації в область меншої концентрації. Дифузійний потік (q) домішкових часток

, (2.38)

де D — коефіцієнт дифузії;

grad n — градієнт концентрації.

, (2.39)

де — довжина вільного пробігу електрона;

Vе — швидкість електрона.

В слабоіонізованій плазмі тиск іонів рі і тиск електронів рe менші або дорівнюють тиску нейтральних частинок р0. Тому у такій плазмі відсутня направленість переносу зарядів, а відбувається їх перемішування (амбіполярна дифузія).

2.9.2 Перенос теплоти

Перенос теплоти обумовлений переносом частинок. Швидкість електронів значно перевищує швидкість інших частинок, таким чином енергія переноситься в основному електронами. Електрони високих енергій переходять у зону електронів малих енергій, а електрони малих енергій навпаки, тобто відбувається вирівнювання енергій або теплоти. Величина теплового потоку (qт, Вт×м-2) визначається як

, (2.40)

де K — коефіцієнт теплопровідності;

grad T — градієнт температур.

2.9.3 Саморегулювання зварювальної дуги

Зварювальна дуга у широких межах є саморегулюючою системою. Рівняння Саха у цьому випадку береться за умову саморегулювання стовпа по x, p, T, тобто по ступеню іонізації, тиску і температурі. Існує принцип Штейнбека: температура Т стовпа дуги і його струмоведучий канал радіуса R при даному струмі і в даному середовищі установлюються такими, щоб напруженість у дузі була мінімальною.

. (2.41)

Чім більшою є величина струму, тим менший радіус і менша напруженість.

2.9.4 Баланс енергії в стовпі дуги

Баланс енергії в стовпі дуги складається з припущення, що всю енергію переносять електрони. Тоді потужність ( ), яка приходиться на одиницю довжини стовпа дуги, визначається як

, (2.42)

де Wк — втрати енергії конвекцією;

Wв — втрати енергії випромінюванням;

Wт — втрати енергії теплопровідністю.

Хренов, приймаючи стовп дуги циліндричної форми, визначив для неї каналову міцність.

, (2.43)

де Rеф — радіус струмоведучого каналу дуги;

— питоме випромінювання по закону Стефана—Больцмана.

2.9.5 Температура дуги

Температура дуги при ручному дуговому зварюванні

, (2.44)

де U0 — ефективний потенціал іонізації в плазмі.

Температура дуги при дуговому зварюванні під шаром флюсу

. (2.45)

Температура дуги при зварюванні неплавкими електродами

. (2.46)

В цілому, чим більший ефективний потенціал Uо , (чи Uі) тим потрібна вища температура для забезпечення стабільного горіння дуги.

2.10 Емісійні процеси в плазмі дугового розряду

З поверхні твердих тіл можливі наступні види емісій: термоелектронна, автоелектронна, фотоелектронна (або зовнішній фотоефект), вторинна, екзоелектронна. Екзоелектронна емісія з поверхні електроду в плазмі не відбувається. Взагалі цей вид емісії виникає при механічному діянні на тверде тіло.

Термоелектронна емісія і робота виходу електрона. В залежності від властивостей матеріалу, способу зварювання та величини температури термоелектронна емісія може бути як вирішальною, так і вторинною. Розрізняють наступні види робіт виходу електрону:

— повна робота виходу;

Ф — ефективна робота виходу;

— зовнішня робота виходу електрона.

Повна робота виходу — це робота на подолання поверхневого енергетичного бар’єру.

Ефективна робота виходу — це найменша енергія, яка необхідна електронам з максимальними швидкостями при Т = 0 К для подолання поверхневого енергетичного бар’єру.

Зовнішня робота виходу — це різниця енергій електрона, що знаходиться поза твердим тілом та енергією електрона, який знаходиться на нижньому рівні зони провідності.

— енергія рівня Фермі

Рисунок 2.17 — Різниця енергій для різних видів робіт виходу електрона

При малих значеннях анодної напруги Uа у катодній зоні відбувається накопичення негативного заряду. Чим менша Uа і більше негативного заряду у катодній зоні, тим більший вплив локального електричного поля цього заряду і тим більша робота виходу електронів з катоду (ефект Шоткі).

Автоелектронна емісія. При низьких температурах, коли термоелектронна емісія неможлива, та при напруженості зовнішнього електричного поля Е=107–108 В×см^-1 з катоду інтенсивно емітуються електрони.

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 8 Следующая ⇒