УП ФОИЭС (Учебное пособие ФОИЭС Неровный)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТимени Н.Э. БАУМАНАУчебное пособиеВ.М. НеровныйФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИСТОЧНИКОВЭНЕРГИИ ДЛЯ СВАРКИМосква, 2007 г.МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТимени Н.Э. БАУМАНАВ.М. НеровныйФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИДЛЯ СВАРКИРекомендовано учебно-методическим объединением вузовпо образованию в области машиностроения и приборостроенияв качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов6514 «Машиностроительные технологии и оборудование»,специальность 150202 «Оборудование и технологиясварочных процессов»МоскваИздательство МГТУ имени Н.Э. Баумана20072УДК 621.791.ББК 34.441Рецензенты:В.М.

НеровныйФизические основы источников энергии для сварки.Учебное пособие. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007.В учебном пособии представлена классификация источников энергии для сварки,изложены физические основы электродуговых и лучевых источников энергии, используемых для сварки плавлением, а также ряд источников, используемых для сварки давлением. По сути в этом пособии представлен полный курс лекций «Физические основыисточников энергии для сварки», который является первой частью дисциплины «Теория сварочных процессов».Пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности 150202.3ВВЕДЕНИЕПроцесс сварки весьма сложен, в особенности если иметь в виду многообразиеспособов сварки, основанных на использовании различных физических явлений.Первую группу явлений, которую рассматривает теория сварочных процессов,составляют физические, механические и химические явления, происходящие приподготовке свариваемого материала к образованию прочных связей между отдельными частями свариваемой детали.

В большинстве случаев эти явления, связанные с преобразованием различных видов энергии в тепловую. Металл, будучи нагрет и расплавлен, способен образовывать сварное соединение. Чаще всего присварке для нагрева металла используют электрическую энергию. Но имеется многоспособов сварки, в которых используют энергию, выделяющуюся при горении газов,лучевую энергию, механическую, а также их сочетание.В учебном пособии представлена классификация источников энергии для сварки,изложены физические основы электродуговых и лучевых источников энергии, используемых для сварки плавлением, а также ряд источников, используемых для сваркидавлением.

По сути, в этом пособии представлен полный курс лекций «Физическиеосновы источников энергии для сварки», который является первой частью дисциплины«Теория сварочных процессов».4Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВПРИ СВАРКЕ1.1. Виды элементарных связей в твердых телах и монолитныхсоединенияхМонолитность сварных соединений. В технике широко используют различныевиды разъемных и неразъемных соединений. Неразъемные соединения, в свою очередь, могут быть монолитными (сплошными) и немонолитными (например, заклепочные).

Монолитные соединения получают сваркой, пайкой или склеиванием.Сварку и пайку используют для соединения между собой металлов и неметаллов. Монолитность сварных соединений твердых тел обеспечивается появлениематомно-молекулярных связей между элементарными частицами соединяемых твердых тел.Твердое тело представляет собой комплекс атомов, находящихся во взаимодействии. Физико-химические и прочностные свойства твердого тела зависят от типасвязи атомов и характера их взаимного расположения, поэтому, прежде чем рассматривать природу сварного соединения, следует вспомнить некоторые сведения из физики твердого тела.Виды элементарных связей в твердых телах. Характер и значение энергииэлементарных связей зависят от природы вещества и типа кристаллической решеткитвердого тела.Наличие ряда кристаллических структур, различия физических свойств (сжимаемость, точка плавления, электрические, оптические и др.), а также химическиесвойства указывают на существование разных типов связи атомов в твердых телах.Силы межатомного взаимодействия – электрического происхождения.В первом приближении можно считать, что в образовании межатомных (химических) связей принимают участие в основном электроны валентных оболочек.

Ихвклад в энергию образования тела из атомов много больше, чем вклад внутреннихэлектронов. Химические связи по своей природе электромагнитные и действуют нарасстояниях порядка 10-10 м.Принято считать, что между частицами твердого тела кроме электромагнитныхсуществуют взаимодействия еще трех типов: ядерные, или «сильные», действующиена расстояниях менее 10-15…10-14 м (следовательно, на расстоянии 0,1 нм их можноне учитывать); «слабые», обусловливающие β -распад (они слабее электромагнитных в 106 раз); гравитационные, которые в 1036 раз слабее электромагнитных.Понятие химической связи отвечает взаимодействию атомов с энергией порядка10…100 кДж. Столь широкий интервал энергий может быть реализован различнымивзаимодействиями, которые традиционно классифицируют как ковалентная, ионная,металлическая и водородная связи. Эта классификация не является физически определенной.

По своей природе ковалентная связь представляет собой универсальный тип химической связи. Ионная связь может рассматриваться как частный (предельный) случай ковалентной связи между атомами, резко различными по своей5электроотрицательности. Понятия металлической и водородной связей отражаютскорее специфику химических объектов, нежели действующих сил.Наиболее типичны первые две химические связи — ковалентная и ионная.Ковалентная связь означает химическую связь между атомами, осуществляемую общими электронами.

Она может образоваться взаимодействием или «спариванием» валентных электронов. Если атомы одинаковы, например, в молекулах водорода Н2, щелочных металлов в газообразном состоянии Li2, K2, Na2, галогенов Cl2,Br2, азота N2— связь неполярная, при взаимодействии разных атомов, например НСl,— полярная. В предельном случае, когда электроны связи полностью смещены к одному из ядер, имеет место ионная связь.В природе сравнительно немного тел с ковалентными связями. Однако они имеют большое практическое значение из-за высокой температуры плавления и твердости (например, алмаз С, кремний Si, германий Ge и карбид кремния SiC – карборунд). Главной чертой ковалентных связей является наличие обобщенных электронов и четкая пространственная ориентация.При изучении сварочных процессов важно иметь в виду, что прочные связи ковалентного типа устанавливаются не только в атомных кристаллах, но и при соединении металлов с металлоидами, оксидами металлов, а также полупроводниками илиинтерметаллидами, обладающими полупроводниковыми свойствами.

(Интерметаллиды — соединения типичных металлов с металлами, имеющими слабые металлические свойства).Ионная, или гетерополярная, связь типична для молекул и кристаллов, образованных из разных ионов (анионов и катионов). Типичный представитель ионных кристаллов — соль NaCl. Образование катиона — результат потери атомом электрона.Мерой прочности связи электрона в атоме может служить потенциал ионизации атома.

Образование анионов происходит в результате присоединения электрона к атому. Мерой способности к такому присоединению служит так называемое сродство кэлектрону. Особенностью ионной связи является отсутствие насыщаемости и пространственной направленности. В природе очень много тел, имеющих ионные связи.Однако они имеют незначительное применение в машиностроении, потому что у нихнет свойств, позволяющих использовать их как конструкционный материал.Представления о чисто ковалентной и чисто ионной связи в значительной степени идеализированы.

Часто встречаются промежуточные случаи. Если при ионнойсвязи один атом отдает электрон другому, а при ковалентной — каждый электронпринадлежит поровну обоим связанным атомам, то в промежуточных случаях возможны связи с любым «процентом ионности».Водородная связь, называемая протонной связью, является связью специфического вида, которая может быть как внутримолекулярной связью, так и межмолекулярной.

Возникновение связей такого вида индуцируется ядром водорода или протоном, которое благодаря своим маленьким размерам, могут проникать в глубь электронной оболочки, обладающей сильной электроотрицательностью. Водороднаясвязь занимает промежуточное положение между атомной и ионной связями и частовстречаются в органических соединениях и некоторых неорганических. Ассоциациимолекул воды, спирта, кислот и др. определяются водородными связями.6Металлические связи – характерны для металлов. Металлическое тело можносчитать одной макромолекулой, потому что металлические связи имеют место нетолько между двумя или несколькими атомами металла. Высокие значения тепло- иэлектропроводности металлов непосредственно связаны с их атомной структурой.Атомы металлов имеют мало электронов во внешней оболочке, и электроны этисравнительно слабо связаны с остальной частью атома (остов атома).

Слабая связьвнешних электронов приводит к тому, что металлы имеют небольшие потенциалыионизации. Металлическая связь - ненаправленная, так как каждый атом стремитсяпритянуть к себе как можно больше соседних атомов. Следствием этого являетсябольшая компактность кристаллических структур металлов. Энергия металлическойсвязи несколько меньше, чем энергия ковалентной связи, поэтому металлы в большинстве случаев, по сравнению с ковалентными кристаллами, имеют более низкиетемпературы плавления, испарения, модуль упругости, но более высокий температурный коэффициент линейного расширения.