- •Раздел I источники энергии для сварки
- •Глава 1. Физические основы и классификация сварочных процессов
- •1.2. Физико-химические особенности получения сварных, паяных и клеевых соединений
- •1.2.1. Механизм образования монолитных соединений твердых тел
- •1.2.2. Сварка плавлением и давлением
- •1.2.3. Пайка и склеивание
- •1.3. Термодинамика сварки и баланс энергии при сварке
- •1.3.1. Термодинамическое определение сварки
- •1.3.2. Типовой баланс энергии при сварке
- •1.3.3. Кпд сварочных процессов
- •1.4. Классификация сварочных процессов
- •1.4.1. Признаки классификации сварочных процессов
- •1.4.2. Термические процессы
- •1.4.3. Термомеханические процессы
- •1.4.5. Прессово-механические процессы
- •1.5. Требования к источникам энергии для сварки и оценка их эффективности
- •1.5.1. Оценка энергетической эффективности процессов сварки
- •1.5.2. Расчет энергоемкости процессов сварки
- •Глава 2. Физические процессы в дуговом разряде
- •2.1. Электрический разряд в газах
- •2.1.1. Виды разряда
- •2.1.2. Возбуждение дуги и ее зоны
- •2.1.3. Вольт-амперная характеристика дуги
- •2.2. Элементарные процессы в плазме дуги
- •2.2.1. Основные параметры плазмы
- •2.2.2. Квазинейтральность. Плазменная частота и дебаевский радиус экранирования. Коллективные свойства плазмы
- •2.2.3. Идеальная плазма. Плазменный параметр
- •2.2.4. Эффективное сечение взаимодействия
- •2.2.5. Эффект Рамзауэра
- •2.2.6. Упругие и неупругие соударения
- •2.2.7. Потенциал ионизации
- •2.2.8. Термическая ионизация
- •2.2.10. Деионизация
- •2.3.1. Электропроводность
- •2.3.2. Амбиполярная диффузия
- •2.3.3. Теплопроводность плазмы
- •2.4. Элементы термодинамики плазмы
- •2.4.1. Термическое равновесие
- •2.4.2. Уравнение Саха
- •2.4.3. Эффективный потенциал ионизации
- •2.5. Баланс энергии и температура в столбе дуги
- •2.5.1. Баланс энергии в столбе дуги
- •2.5.2. Температура дуги
- •2.5.3. Влияние газовой среды
- •2.6. Приэлектродные области дугового разряда
- •2.6.1. Эмиссионные процессы на поверхности твердых тел
- •2.6.2. Катодная область
- •2.6.3. Анодная область
- •2.6.4. Измерения в приэлектродных областях
- •2.6.5. Баланс энергии в приэлектродных областях
- •2.6.6. Потоки плазмы в дуге
- •2.7. Магнитогидродинамика сварочной дуги
- •2.7.1. Собственное магнитное поле дуги
- •2.7.2. Магнитное поле сварочного контура. Магнитное дутье
- •2.7.3. Внешнее магнитное поле и дуга
- •2.7.4. Вращающаяся дуга
- •2.8. Перенос металла в сварочной дуге
- •2.8.1. Виды переноса металла
- •2.8.2. Импульсное управление переносом металла в дуге
- •2.9. Сварочные дуги переменного тока
- •2.9.1. Особенности дуги переменного тока
- •2.9.2. Вентильный эффект
- •2.10. Сварочные дуги с плавящимся электродом
- •2.10.1. Ручная дуговая сварка электродами с покрытиями
- •2.10.2. Сварка под флюсом
- •2.10.3. Металлические дуги в защитных газах и вакууме
- •2.11. Сварочные дуги с неплавящимся электродом
- •2.11.1. Аргонодуговая сварка w-электродом
- •2.11.2. W-дуга в гелии
- •2.11.3. Баланс энергии w-дуги
- •2.11.4. Дуга с полым неплавящимся катодом в вакууме
- •2.12. Плазменные сварочные дуги
- •2.12.1. Виды и особенности плазменных дуг
- •2.12.2. Газовые среды
- •2.12.3. Применение плазменной дуги
- •Глава 3. Термические недуговые источники энергии
- •3.1. Электронно-лучевые источники
- •3.1.1. Формирование электронного пучка
- •3.1.2. Основные физические характеристики электронного пучка
- •3.1.3. Взаимодействие электронного пучка с веществом
- •3.1.4. Применение электронно-лучевых процессов для сварки
- •3.2. Фотонно-лучевые источники
- •3.2.1. Полихроматический свет
- •3.2.2. Когерентное излучение и его основные свойства
- •3.2.3. Основные характеристики лазеров
- •3.2.4. Взаимодействие лазерного излучения с веществом
- •3.3. Газовое пламя
- •3.4. Электрошлаковая сварка
- •3.5. Термитная сварка
- •Глава 4. Прессовые и механические сварочные процессы
- •4.1. Прессовые сварочные процессы
- •4.1.1. Способы термопрессовой сварки
- •4.1.2. Кузнечная сварка
- •4.2. Механические сварочные процессы
- •4.2.1. Прессово-механический контакт и холодная сварка
- •4.2.2. Трущийся контакт и сварка трением
- •4.2.3. Ударный контакт и сварка взрывом
2.4.2. Уравнение Саха
Плазму столба сварочной дуги при атмосферном давлении можно отнести к категории термической плазмы, свойства которой определяются температурой и давлением. В отличие от изотермической плазмы, в которой grad T = О, в термической плазме столба дуги температура меняется от точки к точке, но в каждой точке сохраняется локальное термодинамическое равновесие с одной и той же равновесной температурой для всех частиц и процессов. Считается, что, хотя весь объем плазмы в целом и не находится в равновесии, его отдельные макроскопически малые части приходят в состояние равновесия, так что можно говорить о локальном равновесии в небольших частях рассматриваемой плазменной системы.
Важнейшей характеристикой плазмы является ее состав. Расчет состава плазмы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия, основан на законе действующих масс. Равновесный состав плазмы не зависит от того, как происходят реакции, а зависит только от условий, в которых она находится. Поэтому при выводе условия равновесия можно предполагать, что реакции происходят при заданных постоянных температуре Т и объеме V.
Приведем простейшие примеры применения закона действующих масс. Можно рассматривать термическую ионизацию как обратимую химическую реакцию газов
+ работа ионизации.
Напомним, что степень ионизации - это отношение числа заряженных частиц (ионов или электронов) в плазме к числу всех частиц: χ = пе /(па + пе) = пi /(па + пi)
Степень ионизации χ определяется из константы равновесия реакции с помощью уравнения Саха, которое справедливо при малой степени ионизации χ ‹‹ 1 Если входящие в уравнение Саха величины выражены в единицах СИ, то оно имеет вид
(2.50)
где ge gi ga - статистические веса квантовых состояний соответственно электрона, иона и атома; Ui - потенциал ионизации, В. Для электрона ge = 2, что соответствует двум направлениям спина. Для ионов и нейтральных атомов значения gi и ga вычисляют, учитывая строение атомов. Концентрацию электронов определяют по формуле
(2.51)
где a = ge gi /ga = 2gi / ga - квантовый коэффициент.
Значения а2 , вычисленные К.К. Хреновым для различных химических элементов, находятся в диапазоне 1...4:
для атомов с регулярным строением оболочки
Группы таблицы Менделеева I III III V V VI VII VIII
а2 1 4 1 4/3 3/2 8/3 3 4
для атомов с нерегулярным строением оболочки
Элементы N С Cr Mn Fe Cu Nb La W Th
a2 8/5 3 8/7 7/3 12/5 3 1 1 8/5 4/3
Кривые зависимости степени ионизации от температуры, построенные по уравнению Саха, имеют S-образный вид (рис. 2.17).
Например, при атмосферном давлении для калия (Ui = 4,3 В) χ ≈ 1 при 11 000 К; для водорода (Ui =13,5 В) χ ≈ 1 при 24 000 К; для гелия (Ui = 24,5 В) χ ≈ 1 при 50 000 К. Надо иметь в виду, что уравнение Саха дает результаты, близкие к экспериментальным, только при малых степенях ионизации (χ << 1). При 6000 К расчет по уравнению (2.50) для Na дает χ ≈ 0,21; для Аг получаем χ ≈ 0,23 • 10-4 . Следовательно, степень ионизации Аг по сравнению с Na меньше в 104 раз.