Билет №18

4. Потоки в сварочных дугах.

Плазменные струи существуют в дуге в виде потоков пара, газа и их смеси.

При малых токах (I_д<30A) плазменные струи вызываются подъёмными силами, возникающими из-за меньшей плотности плазмы по сравнению с окружающей средой. То есть для слаботочных дуг действует конвективный механизм, что породило название «дуга».

При больших токах возникает гидродинамическое течение от стержневого катода к плоскому аноду (для W дуг), называемое катодной струей. Газовый поток входит в дугу в районе катода, нагревается, ионизируется, пересекает дугу в продольном направлении и при достижении анода растекается по нему.

Давление в дуге возникает под действием электромагнитных сил (сил Лоренца). Радиальное сжатие (пинч-эффект) обратно пропорционально сечению, по которому течет ток. Для дуги со стержневым катодом и плоским анодом давление постепенно убывает от катода к аноду.

а) Катодная струя (СНЭ-TIG)

,где =4π·10^-7 Гн/м- магнитная проницаемость вакуума.

P₁>P₂ и возникает осевая составляющая.

Распределение анодного падения напряжения столба дуги в центре пятна объясняется нейтрализующим действием катодной струи.

б) Анодная струя обуславливается тем, что R_a<R_ст, а также потоком паров металла анода. Для сварочной дуги доля испаряющегося металла анода может составлять ≤ 10% объёма расплавленного металла сварочной ванны. Скорость паров достигает десятков метров в секунду.

1. Термодинамические условия образования сварного

соединения в твердой фазе

Сварка однородных материалов

1.1. Идеальный случай – кристаллографические оси совпадают:

а) кристаллы не имеют дефектов;

б) поверхности кристаллов абсолютно чистые и ровные;

в) сближение кристаллов происходит в вакууме и ионы в узлах кристаллографической решетки располагаются точно друг против друга.

В результате сближения идеальных кристаллов химические связи между поверхностными ионами кристаллов. Поверхностные ионы окружены меньшим числом ионов и обладают избыточной энергией -F_n.

При сварке происходит уменьшение свободной энергии системы на величину 2F_n (исчезают обе поверхности):

т.е. процесс термодинамически выгоден.

1.2. Сварка однородных кристаллов с не совпадающими осями

Границы зерен с различно ориентированными кристаллографическими осями имеют упругие искажение кристаллической решетки в узкой пограничной области шириной в несколько атомных слоев. На эти упругие искажения расходуется энергия F_гр.

Термодинамически сварка таких кристаллов возможна, если она ведет к уменьшению свободной энергии ∆F < 0.

Энергия упругих искажений кристаллографической решетки:

+ F_гр

Энергия упругих искажений кристаллической решетки:

где G – модуль сдвига;

- вектор Бюргерса ≈ d;

μ – коэффициент Пуассона;

Θ – угол между плоскостями кристаллической решетки [радиан];

А – const (экспериментально);

Условие ∆F < 0 для кристаллов одного сплава всегда выполняется. Пример: для α – Fe при Θ = 60⁰, t = 1100⁰С, F_n = 1,95*10^-4 Дж/см², F_гр = 0,79*10^-4Дж/см².

СВАРКА РАЗНОРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Сварка разнородных материалов.

Если металлические сплавы или полупроводники имеют разные периоды кристаллических решеток d₁ и d₂, то возникают дополнительные упругие искажения кристаллических решеток по границе их соединения.

Энергия этих дополнительно упругих искажений определяется в теории дислокаций.

где - радиус распространения упругой деформации;

r₀ – минимальный радиус распространения упругой деформации;

- вектор Бюргера.

Пример: оценим свариваемость Al и Cu. Cu (d₁ = 3,61Á), Al (d = 4,04Á).

F_гр ≈ 10^-5Дж/см², а F_гр (Cu) = 3,3*10^-4Дж/см², то есть сварка физически возможна. По формулам можно определить физическую возможность сварки любых пар твердых тел.