2.4 Нагрев электрическим током при наличии контактного

сопротивления

Выделение тепла Q при протекании по проводнику электрического тока определяется законом Ленца – Джоуля:

Q = 0,24I²Rt (ккал) = I²Rt дж).

При наличии в цепи участков с различным сопротивлением тепло выделяется различно, пропорционально их сопротивлениям. Сопротивление протеканию электрического тока сплошного проводника:

R = ρl/F.

С повышением температуры сопротивление металлов возрастает:

R_T = R₀(1 + αT).

Сопротивление проводников в месте их взаимного соприкосновения (контактное сопротивление) не подчиняется таким определенным зависимостям, как сопротивление самих металлов. Соприкасаемые поверхности никогда не являются идеально ровными. Кроме того, на поверхностях имеются посторонние вещества – жировые пленки, окислы и пр. Причем толщина окисных пленок на различных участках поверхности обычно неодинакова.

2.5 Электрошлаковый источник тепла

Расплавленные шлаки, состоящие из окислов, галоидов и их смесей, являются проводниками электрического тока. При этом выделятся тепло:

Q = 0,24I²Rt = 0,24UIt,

Где U – падение напряжения между металлическими электродами в объеме, заполненным расплавленным шлаком.

Электродная проволока плавится в результате выделившегося тепла при прохождении по ней тока и нагрева шлаком, перегретым выше Т_пл металла. Если скорость плавления проволоки равна скорости ее подачи, зазор между торцом электрода и зеркалом металлической ванны остается постоянным.

Часть теплового запаса шлаковой ванны расходуется на нагрев и плавление свариваемого металла, а также на плавление флюса.

Распределение температур в шлаковой ванне при ЭШС в достаточной степени не изучено. При сварке низкоуглеродистой стали, средняя температура шлака составляет порядка 1750 – 1800⁰С. В нижней части шлаковой ванны температура может быть выше (2000 – 2100⁰С).

Сопротивление протеканию тока в шлаковой ванне определяется размерами ванны, плавящегося электрода и удельным сопротивлением ρ_ш, зависящим от температуры.

где ρ_ш -- удельное сопротивление шлака при средней температуре шлаковой ванны, Ом*см; L – длина плавящегося электрода, погруженного в шлаковую ванну, см; d – диаметр электрода, см; ε – коэффициент, учитывающий сильное изменение сопротивления при малом значении расстояния от электрода до зеркала металлической ванны, ε= 1 – e^{-23(H – L)} ; m – поправочный коэффициент, зависящий от длины погруженной части электрода (рис. 2.9.).

Рис. 2.9. Зависимость поправочного коэффициента от длины погруженной части электрода.

2.6 Электронный луч

Электронный луч превращает кинетическую энергию быстролетящих электронов в тепловую при бомбардировке металла электронами. Электроны ускоряются внешним электрическим полем. Наибольшее ускорение электронов достигается при достаточно большом свободном пробеге, без столкновения с другими частицами, в частности с газовыми молекулами. Такие условия достигаются при достаточно глубоком вакууме (порядка 10^-5 мм рт.ст.).

Нагреваемый электрическим током эмиттер (катод) (рис.2.10) излучает электроны. Электроны в электрическом поле между катодным фокусирующим электродом 2 и анодной диафрагмой 3 формируются в виде луча (пучка). За счет высокого напряжения (10000 – 100000 В) электроны, излучаемые катодом, ускоряются. В пределах свободного пробега скорость, приобретаемая электронами, может быть определена:

.

т.е. при U = 10000 В; v = 60000 км/сек;

U = 100000 В; v = 200000 км/сек.

Рис. 2.10. Схема электронного луча.

Проходя через фокусирующую линзу 4 (иногда конструктивно связанную с магнитной отклоняющей системой), электронный луч фокусируется и достигает свариваемого изделия 5.

Комплект устройств, служащих для получения и фокусировки луча, называют электронной пушкой.

При сталкивании электрона, движущегося со скоростью 100000 км/с = 10¹⁰ см/с, с поверхностью металла в случае полной отдачи электроном своей кинетической энергии металл получит тепловую энергию:

Q = mv²/2 = 9*10^-28*10²⁰/2 = 4,5*10^-8 г*см²/с² = 1,1*10^-15 кал = 4,6*10^-15 Дж.

Необходимая для сварки энергия (420 – 4200) Дж/с) достигается бомбардировкой металла потоком электронов с их общим количеством 10¹⁷ – 10¹⁸ электронов в сек.

При столкновении с поверхностью металла электрон теряет свою энергию не мгновенно, а осуществляет некоторый пробег в глубь металла. Длина этого пробега δ (см) (уравнение Шекланда):

δ = 2,1*10^-12(U²/ρ),

где ρ – плотность вещества, г/см³.

Например, пробег электрона в цирконии (ρ = 6,5 г/см³) при ускоряющем напряжении U = 50000В составит 81 мкм.

Эффективный к.п.д. при нагреве детали эл.лучом весьма высок (80 – 98%).

Система фокусирования эл.луча позволяет в значительной степени регулировать его тепловое воздействие на металл.