Теория сварочных процессов

Под влиянием водорода образуются трещины в основном металле. Нами было установлено, что диффузия водорода в твердом металле возможна только в атомарном состоянии или в виде протона. Растворимость водорода в металле будет зависеть от его температуры; по мере охлаждения водород из мест большей концентрации устремится в более холодные участки основного металла. Атомы водорода, диффундируя в кристаллическую решетку, создают чрезмерное насыщение охлаждаемого металла водородом, что резко снижает пластические свойства металла. В то же время, атомы, диффундируя в несплошности, внутрикристаллические прослойки и т. п., образуют молекулярный водород. Молекулярный водород, накопившись, приводит к возникновению высоких напряжений, превышающих предел прочности основного металла и в околошовной зоне, и возникают трещины. Этому еще способствуют напряжения в сварных соединениях.

На растворимость водорода в металле влияет ряд технологических факторов. Установлено, что растворимость водорода в металле связана с родом тока и полярностью. При сварке на постоянном токе обратной полярности протоны водорода Н+ направляются электрическим полем к сварочной ванне (катоду), температура которой относительно невелика; соответственно и растворимость водорода в металле шва будет небольшой. При сварке на прямой полярности протоны Н+ устремляются к электроду, на конце которого находится сильно перегретый жидкий металл, способный растворить большое количество водорода. Капли этого металла, попадая затем в сварочную ванну, насыщают металл водородом, и содержание водорода в металле будет больше, чем при сварке на обратной полярности.

Уменьшение   содержания   водорода   в   металле   шва может быть достигнуто:

1)   применением для сварки прокаленных толстопокрытых электродов и флюсов;

2)   тщательной зачисткой свариваемых кромок от ржавчины, окалины и прочих загрязнений;

3)   выполнением последующих проходов многопроходных швов после полного охлаждения ранее выполненных проходов шва;

4)   предварительным  и  сопутствующим  нагревом деталей.

3.      Саморегулирования столба дуги. Баланс энергии и температуры в столбе дуги при РДС, ДФ и газоэлектрической сварке.

Сварочная дуга в широких пределах представляет собой саморегулирующею систему. Уравнения Саха в этом плане может рассматриваться как условие саморегулирования

Столба по х, р. Т, то есть по степени ионизации, давления , температуре.

   В дуге также устанавливается автоматическое минимальное напряженность Е. Согласно принципу Штейнбека, описывающему это явления, температура Т столба дуги и его тока проводящий радиуса R при данном токе I и в данной среде должна быть таким, чтобы напряженность в столбе минимальной;

∂Е/∂Т=0 ; ∂Е/∂R=0

Саморегулирования по радиусу подтверждается тем, что с ростом тока увеличивается сечения столба и напряженность падает.

Направленное движение ионов и электронов в плазме может быть вызвано двумя причинами:

1) электрическим полем, создающим ток;

2) разницей в концентрации частиц между различными участками плазмы (амбиполярной диффузией). Направленные потоки ионов и электронов в плазме могут возникать не только под действием электрического поля, но и при условиях, когда концентрация частиц в различных точках неодинакова. Силой, приводящей в движение частицы, здесь будет разность давлений. В слабо ионизированной плазме давление электронного и ионного компонентов мало по сравнению с давлением нейтрального газа, поэтому при диффузионном движении заряженных частиц, так же как и при прохождении тока, происходит не перемещение всей массы вещества, а только перемещение составляющих. Характерной особенностью процесса является то, что по условию квазинейтральности скорости диффузии электронов и ионов должны быть одинаковы. Поскольку электроны обладают большой подвижностью, они опережают ионы, создавая благодаря этому опережению электрическое поле, которое сильно тормозит их и слегка ускоряет тяжелые ионы. В результате происходит выравнивание скоростей и весь процесс идет со скоростью, близкой к той, которая в отсутствие электрического поля соответствовала бы диффузионному движению ионов. Такой процесс совместного движения ионов и электронов через газ получил название амбиполярной диффузии.

Кроме того, в неравномерно нагретой плазме обмен частицами между областями с различной температурой создает механизм плазменной теплопроводности, благодаря которому через плазму идет поток тепловой энергии. Перечисленные процессы объединяются общим названием – явление переноса. Они обеспечивают переход от неравновесного к равновесному состоянию.

Теплопроводность плазмы также обусловлена движением частиц. Главную роль в переносе теплоты от более горячих участков плазмы к холодным играют электроны (благодаря большей тепловой скорости). Если вдоль некоторого направления существует перепад температур, то электроны с большими энергиями идут в одну сторону, а с меньшими — в другую.

Пренебрегая очень небольшой долей энергии, получаемой ионами при их ускорении в продольном поле (ионный ток мал), можно считать, что вся энергия, отбираемая разрядом от внешнего источника в столбе дуги, переходит непосредственно электронам плазмы. Эта энергия расходуется на возбуждение и ионизацию молекул газа, а также на повышение их кинетической энергии при упругих столкновениях. В конечном итоге баланс мощности для единицы длины столба дуги имеет вид:

jE = Wn  + WT + Wk

где Wn — потери столба дуги излучением; WT и Wk — соответственно потери теплопроводностью и конвекцией.

Отношение Wn /(WT + Wk) зависит от режима дуги, формы столба и рода атмосферы.. Однако из опыта известно, что для дуг в парах металлов при I = 100–1000 А до 90% энергии столба дуги теряется излучением. Спектр излучения таких дуг близок к спектру абсолютно черного тела, т.е. они представляют собой эффективные излучатели. Для краткости будем ниже такие дуги называть металлическими или Ме-дугами.

Температура в столбе дуги может быть примерно вычислена по формуле, полученной К.К.Хреновым:

T

KU0

где U0 – эффективный потенциал ионизации, K – коэффициент, принимающий значения K=800 для РДС и K=1100 для сварки под слоем флюса. По длине столба температура принимается постоянной.

Таким образом, анализ проводимости вещества, а также элементарных процессов и термодинамики плазмы показал следующее:

1) в сварочных дугах имеются три характерные зоны – катодная, анодная и столб дуги;

2) столб сварочных дуг при атмосферном давлении представляет собой плазму с локальным термическим равновесием, квазинейтральностью и свойствами идеального газа. В столбе вакуумных сварочных дуг термическое равновесие может не наблюдаться, т.е. Те>(Тi=Тд);

3) с помощью физики элементарных процессов в плазме определяют потенциал ионизации газов Ui, эффективное сечение взаимодействия атомов с электронами (по Рамзауэру) Qe и отношение квантовых весов а2. С использованием термодинамических соотношений определяют эффективный потенциал ионизации U0, температуру плазмы столба Т, напряженность поля Е и плотность тока j в нем.

Приближенные формулы позволяют оценивать значения параметров столба сварочной дуги и влияние отдельных факторов процесса.

1.3.1.6 Приэлектродные области дугового разряда

1.3.1.6.1 Эмиссионные процессы в катодной зоне. Виды электронной эмиссии

Приэлектродные области электрического разряда – катодная и анодная – представляют собой переходные зоны между твердыми (или жидкими) поверхностями электродов и плазмой разряда. В катодной области сварочных дуг, как  предполагается, в основном, протекают эмиссионные процессы.

Известны следующие виды эмиссии электронов твердыми телами:

1) термоэлектронная;

2) автоэлектронная (или электростатическая);

3) фотоэлектронная (или внешний фотоэффект);

4) вторичная, возникающая при бомбардировке твердого тела тяжелыми частицами (атомами, ионами) или потоком первичных электронов.

5)экзоэлектронная эмиссия. Она возникает на поверхностях, обработанных с введением энергии извне (при резании и т. п.).

В сварочных дугах превалируют процессы термо- и автоэлектронной эмиссии.

Явление термоэлектронной эмиссии заключается в испускании всеми металлами при достаточно высоких температурах электроны, число которых быстро возрастает с повышением температуры. Механизм этого явления заключается в следующем: электроны проводимости свободно перемещаются по всему объему металла, но не могут выходить за его пределы. Этому препятствует электрическое поле, действующее в узкой зоне, которую называют поверхностным потенциальным барьером или просто барьером; форма и высота его могут быть определены при вычислении  работы, необходимой для удаления электрона из металла – работы выхода. Наличие внешнего электрического поля снижает значение этой работы (эффект Шоттки). Сообщение электронам энергии (при сварке это термоэнергия, выделяющаяся при прохождении электрического тока через площадь контакта при коротком замыкании), приводит к эмиссии электронов.

Явление автоэлектронной эмиссии основано на туннельных переходах – электронной эмиссии с заострений и шероховатостей металлической поверхности под действием внешнего электростатического поля. Объясняются эти переходы волновой природой электронов.

Фотоэлектронная эмиссия является следствием повышения энергии электронов в результате поглощения ими квантов внешнего излучения (света). При этом энергия отдельных электронов оказывается настолько большой, что некоторые из них преодолевают поверхностный барьер и оказываются эмитированными. Явление это носит название внешнего фотоэффекта. В обычных сварочных дугах фотоэмиссия мало поддается количественному расчету и играет незначительную роль в балансе энергии.

Литература.

Теория сварочных процессов под редакции В.В. Фролова Москва «Высшая школа» 1988