18. Изложите кинетику процесса сварки металлов и сплавов в твердой фазе.

Кинетика сварки - изменение во времени прочности соединения, т.е. изменение количества атомов, вступающих в химическое взаимодействие. Скорость образования химического соединения в основном зависит от скорости создания активных центров на сближаемых поверхностях. Активный центр - группа поверхностных атомов, имеющих повышенную энергию по сравнению с соседними поверхностными атомами.

Методы активации: а) нагрев; б) пластическая деформация; в) облучение.

Основной механизм создания активных центров при любом методе активации - это дислокационный механизм. Именно возникновение дислокаций на соединяемой поверхности ведет к возбуждению окружающих ее ионов, т.е. созданию активного центра. При сварке в твердой фазе наибольшее практическое значение имеет пластическая деформация. Образование химических связей, начавшееся в активном центре как ”цепная реакция”, поддерживаемое высвобождающимся избытком поверхностной энергии, распространяется по соединяемым поверхностям. Там, где освобождающейся энергии недостаточно из-за удаленности соединяемых поверхностей, процесс приостанавливается. Необходимо дальнейшее сближение поверхностей и создание новых активных центров, что и происходит, если скорость деформирования достаточно велика. Таким образом, кинетика процесса сварки в твердой фазе определяется скоростью деформации. Кроме того, процесс деформирования может сопровождаться дополнительным нагревом, что обеспечивает дополнительную термическую активацию ионов соединяемых поверхностей.

19. Приведите типовой баланс энергии процесса сварки. Напишите выражения эффективного, термического и термодинамического (полного) кпд.

Оценка процессов передачи и термодинамического преобразования энергии ведется на основе обобщенной схемы баланса энергии (абсолютной или удельной, приходящейся на единицу площади соединения).

ε_уст - энергия, получаемая сварочной установкой от сети;

ε_вх - энергия на входе источника

(преобразователя энергии );

П₁ - потери энергии в источнике

( преобразователе энергии );

ε_вых(ε_св) - энергия, передаваемая источником инструменту;

П₂ - потери при передаче энергии изделию;

ε_и - энергия, введенная в изделие;

ε_ст - энергия, аккумулированная в стыке;

ε_вспом - энергия вспомогательных операций (вакуум, ... );

П₃ - потери энергии на теплопроводность;

П₄ - потери уноса (с испарившимся или выплавленным материалом), характерны для резки и лучевых видов сварки.

ε_ст =ε _уст - ε_вс - П₁ - П₂ - П₃ - П₄

КПД сварочных процессов.

Каждая ступень передачи энергии от источника к изделию имеет свой коэффициент полезного действия

Эффективный КПД

;

термический КПД

;

термодинамический или КПД плавления

.

20. Дайте характеристику сварочной дуге и видам эмиссии электронов с катода в дугу.

В дуговом разряде осуществляется неравномерное распределение эл. поля, обусловленное наличием трех характерных зон, а именно катодная и анодная области, столб дуги.

1. Катод;

2. анод;

3. столб дуги;

4. катодная область;

5. анодная область.

1) Термоэлектронная эмиссия - ,

где Т - температура катода, А = 120 А/см²·k², k - коэффициент, Ф - работа выхода электрона металла.

При высоких температурах энергии теплового движения некоторых электронов оказывается достаточно для преодоления потенциального барьера притяжения электростатического поля ядер атомов кристаллической решетки.

2) Электростатическая (автоэлектронная) эмиссия.

Под действием напряженности Е электрического поля электроны вытягиваются из катода, преодолевая потенциальный барьер у поверхности.

Электростатическое поле изменяет работу выхода электрона Ф, что при совместном действии термо - и автоэлектронной эмиссий увеличивает величину плотности тока термоавтоэлектронной эмиссии

3) Фотоэлектронная эмиссия.

Под действием фотонов часть электронов приобретают энергию, достаточную для преодоления поверхностного потенциального барьера. Энергия фотонов зависит от длины волны. В видимой области спектра фотоэлектронная эмиссия присуща щелочным металлам, для остальных требуется ультрафиолет.

4) Вторичная электронная эмиссия.

При бомбардировке катода положительно заряженными ионами и нейтральными атомами некоторым электронам сообщаются энергии, достаточные для преодоления потенциального поверхностного барьера и они покидают катод.

Возможна вторичная электронная эмиссия на аноде, а также отраженные электроны при бомбардировке анода потоком электронов.

В сварочных дугах имеют место все виды электронной эмиссий, но основную роль играют термоэлектронная и электростатическая эмиссии.