ТЕОРИЯ сварочных процессов

Потоки плазмы в дуге

Потоки плазмы в дуге увлекают за собой окружающий газ и поэтому всегда сопровождаются газовыми потоками. При малых токах (меньше 30 А) это движение вызывается подъемной силой,

Рис. 2.29. Схема течения газа в сильноточной дуге

Рис. 2.30. Форма столба W-дуги в аргоне: (I ~ 150 А, /д= 6 мм)

(2.84)

21

Ар

где

возникающем в результате того, что
плотность горячей плазмы меньше
плотности окружающей атмосферы.

Дуги, в которых характер движения
газа определяется свободной кон-
векцией, относятся к слаботочным ду-
гам. В связи с этим интересно отме-
тить, что название «дуга» произошло от
формы, которую принимает газовый
разряд низкой интенсивности между
горизонтальными электродами под
влиянием подъемных сил.

При увеличении тока возникает
струйное течение плазмы со скоростя-
ми, которые значительно превышают
скорости, обусловленные естественной

конвекцией. Течение плазмы в таких сильноточных дугах на-
правлено обычно от стержневого катода к плоскому аноду и назы-
вается катодной струей. Газовый поток входит в зону W-дуги в
районе катода и уходит в радиальном направлении вблизи анода
(рис. 2.29).

Давление в дуге возникает под действием электромагнитных
сил (сил Лоренца). Радиальное сжатие (пинч-эффект) обратно про-
порционально сечению, по которому идет ток. Следовательно, при
стержневом катоде и плоском аноде оно постепенно убывает от ка-

тода к аноду. Наибольшее давление на оси
столба при токе I и его плотности j составляет

А - коэффициент, зависящий от размерности; р - плотность плазмы.

Для W-дуг типична форма колокола (рис. 2.30), расширяющаяся к аноду. Область перед катодом здесь можно представить как электромагнитный насос, который забирает газ из среды и вы­брасывает его к аноду. Скорость ионизованного газа в катодной

2

струе W-дуги может иметь порядок 10 м/с, что соответствует от

а скорость катодной струи атах =

р =м

Рт*х 4я '

0,1 до 0,2 М (М - число Маха). Поэтому катодную струю можно исследовать методами теоретического течения несжимаемой жид­кости. При сварке Me-дугой возможны скорости плазменного по - з

тока до 10 м/с. Потоки плазмы дуги обычно направлены перпен­дикулярно поверхности электродов, и их интенсивность увеличи­вается с ростом тока.

В Me-дугах возникают встречные плазменные потоки струи как на катоде, так и на аноде. Они иногда могут располагаться со­осно: внутренняя - от катода к аноду, а наружная - от анода к ка­тоду, причем анодные струи (от анода к катоду) часто движутся быстрее, чем катодные. Скорость их движения может достигать 5-10 м/с. Причиной сжатия дуги у плоского анода может быть охлаждение слоя газа в анодной области.

Светящийся

Рис. 2.31. Возникновение плаз­менных струй в местах сужения дуги при положениях {а и б) пластинки S

Всякое сжатие дуги может послужить причиной возникнове­ния потока плазмы в результате появления градиента давления. Это хорошо видно на рис. 2.31, где между угольными электродами показана в двух положениях (а, б) охлаждаемая водой медная пластинка S с отверстием. На катоде возникает поток плазмы.

На широком аноде его нет. В от­верстии возникают плазменные струи, направленные в обе сто­роны.

В обычной дуге места суже­ния, а следовательно, и плазмен­ные струи возникают только вблизи электродов, и в этом смысле о них можно говорить, как о явлениях, связанных с электродами. Однако инжекти­рование струи горячего, хорошо проводящего газа или пара способствуют возникновению «сердеч­ника» столба, характерного для мощной дуги. Такой «сердечник» возникает также в связи с отрицательным наклоном кривой зави­симости теплопроводность - температура после максимума диссо­циации или ионизации. Его иногда называют стержнем или шну­ром диссоциации (ионизации). Если плазменная струя сообщает «жесткость» дуге вблизи катода, то в этом случае можно говорить о дуге, стабилизированной катодной струей (потоком плазмы).

Принято считать, что между частицами твердого тела кроме электромагнитного взаимодействия существуют взаимодействия еще трех типов: ядерные, или сильные, действующие на расстоя­ниях менее 10 м (следовательно, на расстоянии 0,1 нм их мож­но не учитывать); слабые, обусловливающие Р-распад (они слабее электромагнитных в 10 раз); гравитационные, которые в 1036 раз слабее электромагнитных.

Понятие химической связи относится к взаимодействию атомов с энергией -10... 100 кДж. Столь широкий интервал энергий может быть реализован различными взаимодействиями, которые традици­онно классифицируют как типы химической связи: ковалентная, ионная, металлическая и водородная. Эта классификация не является четко определенной. Ковалентная связь представляет собой универ­сальный тип химической связи. Ионную связь можно рассматривать как частный (предельный) случай ковалентной связи между атома­ми, резко отличающимися друг от друга по своей электроотрица­тельности. Понятия металлической и водородной связей отражают скорее специфику химических объектов, нежели действующих сил. Наиболее типичны ковалентная и ионная химические связи.

Ковалентная связь означает химическую связь между атомами, осуществляемую общими электронами. Она может образоваться взаимодействием или спариванием валентных электронов. Если атомы одинаковы, например в молекулах водорода Нз, щелочных металлов в газообразном состоянии ЬІ2, К2, Na2, галогенов CI2, Вг2, азота N2, - то связь неполярная, при взаимодействии разных атомов, например НС1, - связь полярная. В предельном случае, когда элек­троны связи полностью смещены к одному из ядер, имеет место ионная связь. В природе сравнительно немного тел с ковалентны­ми связями. Однако они имеют большое практическое значение благодаря высокой температуре плавления и твердости (напри­мер, алмаз С, кремний Si, германий Ge и карбид кремния SiC - кар­борунд). Главной чертой ковалентных связей является наличие обобщенных электронов и четкая пространственная ориентация.

При изучении сварочных процессов важно иметь в виду, что прочные ковалентные связи устанавливаются не только в кри­сталлах металлов, но и при соединении металлов с металлоидами, оксидами металлов, а также полупроводниками или интерметал- лидами[3], обладающими полупроводниковыми свойствами.

Ионная, или гетерополярная связь, типична для молекул и кри­сталлов, образованных из разных ионов (анионов и катионов). Ти­пичным представителем ионных кристаллов является поваренная соль NaCl. Образование катиона - это результат потери атомом электрона. Мерой прочности связи электрона в атоме может слу­жить потенциал ионизации атома. Образование анионов происходит в результате присоединения электрона к атому. Мерой способности к такому присоединению служит так называемое сродство к элек­трону. Особенностью ионной связи является отсутствие насыщае­мости и пространственной направленности. В природе очень много тел, имеющих ионные связи. Однако они имеют незначительное применение в машиностроении, потому что у них нет свойств, по­зволяющих использовать их как конструкционный материал.

Представления о чисто ковалентной и чисто ионной связи в зна­чительной степени идеализированы. Обычно встречаются проме­жуточные случаи. Если при ионной связи один атом отдает элек­трон другому, а при ковалентной - каждый электрон принадлежит в равной степени обоим связанным атомам, то в промежуточных слу­чаях возможны связи с любым «процентом ионности».

Водородная связь, называемая также протонной связью, пред­ставляет собой связь специфического типа, которая может быть как внутримолекулярной связью, так и межмолекулярной. Воз­никновение связей такого типа индуцируется ядром водорода (или протоном), которое благодаря своему малому размеру, может про­никать в глубь электронной оболочки, обладающей сильной элек­троотрицательностью. Водородная связь занимает промежуточное. положение между атомной и ионной связями и часто встречается в органических и некоторых неорганических соединениях. Ассоциа­ции молекул воды, спирта, кислот и др. определяются водородны­ми связями.

Металлические связи характерны для металлов. Металличе­ское тело можно считать одной макромолекулой, потому что ме­таллические связи имеют место не только между двумя или не­сколькими атомами металла. Высокие значения тепло - и электро­проводности металлов непосредственно связаны с их атомной структурой. Атомы металлов имеют мало электронов во внешней оболочке, и эти электроны сравнительно слабо связаны с осталь­ной частью атома («остовом» атома). Слабая связь внешних элек­тронов приводит к тому, что металлы имеют небольшие потенциа­лы ионизации. Металлическая связь ненаправленная, так как каждый атом стремится притянуть к себе как можно больше

Так как всякое перемещение заряженных частиц сопровож­дается появлением магнитного поля, то существуют оно, безус­ловно, и в сварочной дуге. На проводник длиной / с током /, нахо­дящийся в магнитном поле, действует пондеромоторная сила Ам­пера F, направление которой можно определить для тока от плюса к минусу по правилу левой руки:

F = BIl (2.85)

2

где В = цаЯ - магнитная индукция, Тл (В - с/м ); ра = рро - абсо­лютная магнитная проницаемость вещества; р - относительная

-7

магнитная проницаемость вещества; ро = 12,57-10 В-с/ (А-м)

—7

(или 12,57 -10 Гн/м) - магнитная постоянная; Н - напряженность магнитного поля, А/м. При р ~ 1 для неферромагнитной среды (для вакуума)

F = ро#//. (2.86)

В газовом разряде вектор силы Лоренца F, действующей на частицу зарядом е, движущуюся в магнитном поле со скоростью v, будет определяться векторным произведением

F^evxB, (2.87)

или на единицу объема

F = ] хВ. (2.88)

Сила Лоренца F перпендикулярна плоскости, проходящей

через векторы В и v. Она не производит работы, но меняет на­правление скорости частицы. Если заряженная частица движется в однородном магнитном поле со скоростью, перпендикулярной век­тору магнитной индукции В, то сила Лоренца F создает центро­стремительное ускорение х?!г и частица будет двигаться под дейст­вием центростремительной силы nw'lr = evB, где т - масса заря­женной частицы.

Движение заряженной частицы будет происходить по спирали или винтовой траектории, радиус которой называется ларморов-

ским радиусом г. Формула для вычисления г, см, при энергии час­

тицы 8, эВ, и магнитной индукции 5, Тл, имеет вид:

г^З.4-10-4^; (2.89)

Г>

для иона с атомной массой А

rf= 145 10^^1 (2.90)

В

При А = 1 (для протона) ларморовский радиус г; ~ 42 ге.

ТЕОРИЯ сварочных процессов

Граничные условия

Чтобы решить дифференциальное уравнение теплопроводно­сти, необходимо задать распределение температур в начальный момент времени (начальное условие) и условия взаимодействия тела с окружающей средой на его границах (граничные условия). Начальное условие определяется …

Основные допущения и упрощения, принятые в классической теории распространения теплоты при сварке

На современном уровне развития математики аналитическое решение уравнения теплопроводности в общем виде (5.21) еще не найдено, однако при введении некоторых допущений и упрощений можно получить пригодные для практического использования ча­стные …

Дифференциальное уравнение теплопроводности

Сложный процесс изменения температуры точек тела с коор­динатами jc, у, z во времени t описывается дифференциальным уравнением теплопроводности. Для вывода этого уравнения необ­ходимо рассмотреть баланс теплоты в некотором элементарном объеме …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Партнеры МСД

Контакты для заказов шлакоблочного оборудования:

+38 096 992 9559 Инна (вайбер, вацап, телеграм)
Эл. почта: inna@msd.com.ua

За услуги или товары возможен прием платежей Онпай: Платежи ОнПай