1.9 Оцінка енергетичної ефективності зварювальних

джерел нагріву

Для цієї оцінки використовується два параметри:

— питома енергія інструмента, яка вводиться у виріб. Це та енергія, котра необхідна для утворення одиничної площини зварного шва. Вона характеризує густину енергії в плямі нагріву. Чім менша , тим більша ефективність джерела нагріву.

— загальна питома енергія зварювання.

, (1.7)

де — питома енергія зварювання (рисунок 1.14);

— питома енергія на допоміжні операції.

Із зменшенням ефективність джерела нагріву збільшується.

Із зменшенням підвищується густина енергії, що вводиться в зону зварювання, тобто збільшується проникаюча здібність інструмента.

На рисунку 1.20 відображається зміна параметрів для однопрохідного зварювання різними методами.

Рисунок 1.20 — Порядок величин питомої енергії і (Джмм^-2)

необхідної для однопрохідного зварювання сталі

різними методами

1.10 Вимоги до зварювальних джерел нагріву

До зварювальних джерел нагріву пред’являють наступні вимоги:

1. Технічна придатність джерела нагріву.

2. Надійність і якість зварного шва.

3. Мінімальне значення питомої енергії інструмента .

4. Мінімальне значення .

5. Мінімальна шкідливість зварювальних робіт.

6. Мінімальна вартість зварювальних робіт.

7. Максимальна продуктивність праці.

8. Простота обслуговування і надійність джерела нагріву.

9. Доступність джерела нагріву.

Всі ці вимоги треба аналізувати у взаємозв’язку.

Докладніше по пунктам 1.5 - 1.10 дивись [13, 14].

2 Теорія дугового розряду

2.1 Види провідності

Розрізняють такі види провідності:

1. Електронна — в провідниках.

2. Електронно–діркова — в напівпровідниках.

3. Іонна — в твердих діелектриках і рідких електролітах.

4. Електронно–іонна — в газах.

Провідність в твердих тілах пояснюється на основі зонною теорії провідності. Розрізняють наступні зони: валентна, заборонена, провідності. Розподіл електронів провідності в твердому тілі підкоряється статистиці Фермі—Дірака. У провідниках, діелектриках та напівпровідниках є так званий рівень Фермі.

Рівень Фермі — найвищий енергетичний рівень, зайнятий електронами при 0 К. Від нього відраховується робота виходу електронів.

Провідники. Якщо порівняти провідники з діелектриками або напівпровідниками, то ми побачимо, що у провідників валентна зона заповнюється не повністю (рисунок 2.1, а) чи зона провідності накладається з валентною зоною (рисунок 2.1, б), а валентна зона напівпровідників та діелектриків заповнена повністю (рисунок 2.3).

а — валентна зона заповнена не повністю;

б — зона провідності накладається з валентною зоною;

В.З. — валентна зона; З.З. — заборонена зона;

З.П. — зона провідності

Рисунок 2.1 — Схема енергетичних зон для електронів в провідниках

Питомий електричний опір у провідників =10^–4 – 10^–2 Омм. Якщо температура підвищується, то провідність зменшується. Кількість носіїв заряду не залежить від величини струму, тому провідність (опір) металу при даній температурі є величина постійна, і залежність між струмом та напругою підкоряється закону Ома (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 — Вольт–амперна характеристика металевого провідника

Діелектрики. Діелектрики і напівпровідники в чистому вигляді, тобто без домішок, не здатні проводити електричний струм. Вони мають однакову будову енергетичних зон. Різниця тільки в ширині забороненої зони: для напівпровідників — еВ; для діелектриків — еВ (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 — Схема енергетичних зон для електронів в

діелектриках та напівпровідниках

Провідність в діелектриках утворюється за рахунок домішок. Це оксиди калію (K₂O), літію (Lі₂O), натрію (Na₂O) та інші, які під впливом температури та прикладеного електричного потенціалу розщеплюються на іони, і провідність здійснюють лужні катіони. Питомий електричний опір в них  =10⁸ – 10¹⁶ Омм. На рисунку 2.4 зображений графік залежності провідності від температури, з якого видно, що чим вища температура, тим більша провідність.

Рисунок 2.4 — Графік залежності провідності від

температури для діелектрика

На ділянці 1–2 (рисунок 2.4) — домішкова провідність, а на 2–3 — власна провідність (в провідності починають брати участь іони, а при великій температурі і електрони діелектрика).

Сумарний електричний струм діелектрика

, (2.1)

де — поверхневий електричний струм;

— об’ємний електричний струм.

, (2.2)

де — крізний електричний струм;

— електричний струм абсорбції, тобто струм, викликаний

поляризацією діелектрика.

Для діелектриків закон Ома не виконується, тому що кількість носіїв заряду не постійна в залежності від величини струму.

Напівпровідники. Для забезпечення провідності в напівпровідники вводять донорну або акцепторну домішку (рисунок 2.5).

а — донорні домішки; б — акцепторні домішки;

— енергія активації донорів;

— енергія активації акцепторів;

~ 0.05 еВ

Рисунок 2.5 — Схема енергетичних зон для електронів в

напівпровідниках з домішками

При донорній провідності (n-типа) валентність домішкових атомів більша, а при акцепторній (р-типа) менша ніж у основних. Питомий електричний опір напівпровідників = 10^–2 – 10⁷ Омм.

На графіку залежності напруги від електричного струму можна виділити дві ділянки (рисунок 2.6).

Рисунок 2.6 — Вольт–амперна характеристика для напівпровідників

На ділянці 1–2 справедливий закон Ома, тому що кількість носіїв заряду не залежить від величини струму, а на ділянці 2–3 закон Ома не виконується тому, що не вистачає носіїв струму і електричний опір стає непостійним. З графіка (рисунок 2.7) видно, що провідність напівпровідника з підвищенням температури збільшується.

а — велика концентрація домішок;

б — мала концентрація домішок;

ділянка 0-1 — домішкова провідність;

ділянка 1-2 — впливає збільшення амплітуди коливань іонів;

ділянка 2-3 — власна провідність

Рисунок 2.7 — Графік залежності провідності від

температури для напівпровідників

Провідність газу. Провідність газу залежить від температури та напруженості електричного поля E, яке може бути:

сильним — сотні – тисячі кВсм^-1 (для зварювання в електричному полі);

слабким — десятки кВсм^-1 (майже для всіх видів зварювання).

З підвищенням температури та напруженості електричного поля провідність газу збільшується.

За електричною міцністю гази розташовуються:

1) елегаз (7,2 МВм^-1);

2) азот (3 МВм^-1);

3) повітря (3 МВм^-1);

4) вуглекислий газ (2,7 МВм^-1);

5) водень (1,8 МВм^-1).

Для газів характерна іонно–електронна провідність. Носії зарядів у газі утворюються шляхом іонізації частинок газу. Під дією зовнішніх джерел енергії частинки газу перетворюються на іони, які рухаються в електричному полі, утворюючі електричний струм густиною

, (2.3)

де j — густина струму в газі;

n — кількість заряджених частинок (електронів і іонів);

e — заряд електрона;

e _і — заряд іона;

V_і— швидкість електрона і іона.

V_е >> V_і, тому приймають

. (2.4)

Рідкі електроліти. Рідкі електроліти представляють собою розчини яких–небудь речовин у воді або розплав солей, сульфідів, оксидів та інші.

В електролітах проявляється в основному іонна провідність. Іони непов’язані у вузлах кристалічної гратки, як це має місце в твердих тілах, тому вони мають велику рухливість в електричному полі і приймають участь в переносі електричного струму. Провідність електроліту залежить від:

1) його природи;

2) концентрації;

3) коефіцієнта активності іонів;

4) величини електричного потенціалу;

5) температури.

Провідність електролітів підкоряється закону Ома в широких межах, але порушується навколо електродів в результаті розрядки іонів. В цих зонах порушується лінійність у падінні потенціалу та створюється анодне і катодне падіння потенціалу.