Билет №4

1. Металлическая связь

Особенности свойств металлов и сплавов обусловлены:

1. положительные ионы расположены в узлах кристаллической решетки;

2. все валентные электроны обобщены и имеют одинаковый для всех средний уровень энергии.

При определении сил энергетического взаимодействия допустим:

1. ионы приближаются к точечным зарядам;

2. влияние соседних ионов отсутствует;

3. энергия притяжения «-», отталкивания «+»;

4. энергия связи U₁(r) – энергия, необходимая для разъединения кристалла на изолированные атомы.

Существуют две составляющие энергии связи:

1. энергия электростатического взаимодействия «+» ионов и «-» электронов электронного газа.

2. составляющая U₂(r) – кинетическая энергия электронного газа, приходящаяся на один атом. Эта энергия уравновешивает энергию электростатического взаимодействия и тело остается твердым.

Результирующая энергия связи характеризуется «потенциальной ямой», определяющей размер кристаллической решетки d.

где U_∑ - энергия, необходимая для расплавления твердого тела (заштрихованная область).

Металлическая связь (взаимодействие «+» ионов и электронов газа) придает металлам и сплавам следующие свойства:

а) высокую электропроводность и теплопроводность;

б) высокую пластичность (электронный газ допускает большее смещение).

2. Взаимосвязь процессов в приэлектродных областях и столбе дуги.

Экспериментом в дуге обнаружены мощные потоки ионизированного газа с преимуществееным направлением вдоль её оси. Как правило, потоки появляются лишь при сравнительно больших токах I_д 50А по истечении не более 10^-6сек. после зажигания дуги. Их скорость в сварочной дуге со стальными электродами достигает 75-150 м/сек.

Потоки обладают значительной тепловой мощностью и влияют на баланс энергии всех областей дуги. Потоки оказывают силовое воздействие на электроды, определяя при сварке глубину проплавления и высоту валика.

Пространственная устойчивость сварочной дуги есть свойство дуги сохранять пространственное положение столба дуги и приэлектродных областей при действии внешних возмущающих факторов (скорость сварки, состав атмосферы горения дуги, состав материала и форма электродов и т.д.).

Потоки в сварочной дуге, имеющие высокую скорость и температуру, значительно повышают пространственную устойчивость, поддерживая направление столба дуги перпендикулярно поверхности активных пятен.

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.