ТЕОРИЯ сварочных процессов

Виды элементарных связей в твердых телах и монолитных соединениях

Монолитность сварных соединений. В технике широко ис­пользуют различные виды разъемных и неразъемных соединений. Неразъемные соединения, в свою очередь, могут быть монолит­ными, т. е. сплошными, и немонолитными (например, заклепочные соединения). Монолитные соединения получают сваркой, пайкой или склеиванием.

Сварку и пайку используют для соединения между собой твер­дых тел: металлов и неметаллов. Монолитность сварных соедине­ний обеспечивается появлением атомно-молекулярных связей ме­жду частицами соединяемых твердых тел.

Твердое тело представляет собой комплекс атомов, находя­щихся во взаимодействии. Физико-химические и прочностные свойства твердого тела зависят от типа связи между атомами и характера их взаимного расположения, поэтому прежде чем рас­сматривать природу сварного соединения, следует вспомнить не­которые сведения из физики твердого тела.

Элементарные связи в твердых телах. Характер и значение энергии элементарных связей в твердых телах зависят от природы вещества и типа кристаллической решетки твердого тела.

Наличие ряда кристаллических структур, разнообразие физи­ческих свойств (сжимаемость, точка плавления, электрические, оптические свойства и др.), а также различные химические свойст­ва указывают на существование разных типов связи атомов в твер­дых телах. Силы межатомного взаимодействия имеют электриче­ское происхождение.

В первом приближении можно считать, что в образовании межатомных (химических) связей принимают участие в основном электроны валентных оболочек. Их вклад в энергию образования тела из атомов намного больше, чем вклад внутренних электронов. Химические связи по своей природе электромагнитные и действу­ют на расстояниях порядка 10 м.

нов по энергиям при Тф О К. Напомним, что Ер - энергия Ферми. Энергией, достаточной для эмиссии, обладают только электроны, число которых изображается небольшой площадью выше уровня га (заштрихованный участок). Таких электронов будет ничтожно мало при достаточно большом значении разности еа - ер и не очень высокой температуре.

Величина

Ф = еа - Ef, (2.66)

равная наименьшей энергии, которую нужно сообщить электро­нам, имеющим максимальные скорости при Т = О К, для того что­бы они могли преодолеть поверхностный барьер, называется эф­фективной работой выхода или просто работой выхода. Она вы­ражается в джоулях (Дж) и от температуры зависит незначительно. Заметим, что часто работой выхода называют величину <р, выражаемую в вольтах (В):

ф = Ф/е. (2.67)

Значения ф представляют собой периодическую функцию атомных номеров элементов и примерно в 2 раза меньше значений потенциала ионизации того же элемента (рис. 2.22). Щелочные

металлы вследствие низких сил межатомной связи имеют мини­мальную работу выхода среди элементов каждого периода табли­цы Менделеева.

Если число электронов, выходящих из эмиттера через выбран­ный участок поверхности за единицу времени, равно TV^, то плот­ность термоэмиссионного тока

(2.68)

Если га - высота потенциального барьера металла и ось х на­правлена перпендикулярно поверхности металла, то эмитирован­ными будут электроны, для которых

Значит, для вычисления NT3 нужно проинтегрировать в преде-

^2га / m до оо выражение для числа электронов, имеющих

скорость от vx до vx + dvx. Расчет на основании квантовых пред­ставлений о распределении электронов в металле согласно ста­тистике Ферми - Дирака дает для плотности термоэмиссионного тока выражение, известное как формула Ричардсона - Дэшмана:

л е(Р

JT3 = A0T exp,

V кТ)

Рис. 2.23. Зависимость плот­ности термоавтоэлектронного тока ута для катода из вольф­рама от электрической напря­женности поля у катода с уче­том эффекта Шоттки (заштри­хована область реальных плотностей тока в сварочных дугах; Дер - изменение рабо-

ты выхода)

Формула Ричардсона - Дэшмана получена в предположении отсутствия электрического поля на эмитирующей поверхности. В случае дугового разряда у поверхности катода за счет пространст­венного заряда создается сильное электрическое поле напряжен­ностью Ек, которое приводит к снижению высоты потенциального барьера и снижению работы выхода (за счет эффекта Шоттки) на

(2.70)

Влияние ускоряющего поля (эффект Шоттки) становится сущест-

4 6

венным при напряженности электрического поля Ек = 10 ... 10 В/см

(рис. 2.23), и выражение для плотности тока термоавтоэмиссии (вы­ражение Ричардсона - Шоттки) будет иметь вид

(2.71)

(2.72)

В условиях сварочной дуги электроны, эмитированные като­дом, встречают нейтральные атомы столба дуги и ионизируют их на пути своего пробега. При этом создается положительный про­странственный заряд ионов, который увеличивает напряженность ускоряющего поля перед катодом.

Пример 2.6. Найти отношение плотностей тока термоавтоэлектронной эмиссии и термоэлектронной эмиссии, если UK * 10...20 В (ширину ка-

тодной зоны принять dx = Ае = 10 3 см).

Решение* Напряженность поля (считаем Ек = const) при грубой оценке бу­дет равна 20/Ю-3 -2-Ю4 В/см. Принимая температуру катода Т - 3000 К, что близко к 7кип железа, получаем

4,39^7’= 0,3; yM/yn-е0*3 «1,3.

В действительности Ек распределено у катода неравномерно и, по Маккоуну, еще зависит от доли ионного тока и jПоэтому, вероятно, Ек может достигать 106...108 В/см, что дает увеличениеута / до 103... 104 (см. рис. 2.23). Шероховатость поверхности катода может также значи­тельно изменить отношение /га / jr. э-

Автоэлектронная эмиссия. На холодных катодах при очень

сильных электрических полях напряженностью Ек в диапазоне 7 8

5-Ю...10 В/см наблюдается электронная эмиссия, быстро воз­растающая с увеличением Ек, а также с появлением поверхност­ных дефектов, имеющих заострения и шероховатости. В этих ус­ловиях электроны проходят сквозь узкий барьер непосредственно с уровня Ферми и ниже без затраты энергии. Эти переходы носят название туннельных и объясняются волновыми свойствами элек­тронов. Длина волны де Бройля для электрона ХБ равна

XB=hl(mo). (2.73)

Связь между плотностью тока автоэлектронной эмиссии 2

Уаэ» А/см и напряженностью электрического поля Ек, В/см, может быть определена по формуле Фаулера - Нордгейма

F^

Уаэ =1,54-10-6 ехр

где ф - работа выхода электронов, В.

Фотоэлектронная эмиссия. При поглощении эмиттером све­тового излучения могут появиться электроны настолько большой энергии, что некоторые из них преодолевают барьер и оказывают­ся эмитированными. Это явление известно под названием внешне­го фотоэффекта.

Вторичная электронная эмиссия. Приближающийся к метал­лу ион нейтрализуется. Нейтрализация положительного иона осу­ществляется присоединением к нему одного из электронов метал­ла, а отрицательного - передачей металлу лишнего электрона.

Вторичная электронная эмиссия считается возможной в сле­дующих случаях: при «потенциальном» вырывании электрона медленными ионами, когда eUi > 2Ф; при «кинетическом» выры­вании путем нагрева в месте удара молекулы или иона. Для ще­лочных металлов обычно eUt < 2Ф, поэтому для них «потенци­альное» вырывание невозможно, а для ионов Аг, Не, Н (eUj > 2Ф) - возможно. Коэффициент выхода электронов эмиссии на один ион трудно определить. Он зависит от ряда факторов, в том числе от энергии ионов и изменяется в широких пределах.

В обычных сварочных дугах вторичной эмиссией электронов за счет бомбардировки ионами, возбужденными атомами, а также фотоэлектронной эмиссией можно пренебречь, поскольку они иг­рают, видимо, незначительную роль в балансе энергии.