Неровный В.М. - Теория сварочных процессов (1043833), страница 32
Текст из файла (страница 32)
кт 1000 800 400 Рис. 2.2. Характерное распределение потенциала по длине дуги с положительным анодным падением потенциала (кривая 1) и с отрицательным анодным падением потенциала (кривая 2): 1 — кятодняя обяястги и — столб дуги; 1П вЂ” янодняя область; К вЂ” катон; А — анод Рис. 2.3. Характерное распределение осевой температуры плазмы по длине дуги: 1 — катодняя область; П вЂ” столб дуги; 11! — вводная область; К вЂ” катод; А— анод 38 39 10 10 10 1О 1О 10 1 10 10 У, А Рис.
2.1. Статическая вольт-амперная характеристика различных видов газового разряда слабоионизованную неравновесную плазму. Это так называемый положительный столб тлеющего разряда. Температура атомов или молекул газа в тлеющем разряде практически не повышается и равна 300...350 К. Затем через аномальный тлеющий разряд происходит переход к дуговому разряду (существующему, как правило, на токах более 1 А, низком общем напряжении — менее 100 В) с катодным падением потенциала Ц, < 20 В и большой плотностью тока на катоде: 2 5 2 1к = 10 ...10 А/см .
Дуговой разряд, или дуга, характеризуется высокой температурой газа в проводящем плазменном канале (при атмосферном давлении Т = 5000...50000 К) и высокими концентрациями частиц в катодной области. 2.1.2. Возбуждение дуги и ее зоны Возбуждение дуги возможно в следующих случаях; 1) при переходе из устойчивого маломощного газового разряда в дуговой (см. рис. 2.1); 2) в процессе создания высокоионизованного потока пара, перекрывающего межэлектродное пространство (в большинстве случаев с помощью третьего электрода); 3) при электрическом пробое газового или вакуумного промежутка между электродами, обеспечивающем переход из неустой- чивого искрового разряда в устойчивый разряд (осуществляется подачей импульса высокой частоты и высокого напряжения); 4) при размыкании контактов или разрыве перемычки между электродами в цепи с током.
При сварке плавящимся электродом обычно используют дугу размыкания, а при сварке неплавящимся вольфрамовым электродом — высокочастотный вспомогательный разряд от осциллятора. Импульс высокого напряжения получают обычно с помощью конденсатора. При сварке угольным (графитовым) электродом дугу возбуждают, используя чаще всего третий электрод. В газовых промежутках (при атмосферном давлении) с резко неоднородным электрическим полем напряжение возбуждения самостоятельного дугового разряда не совпадает с напряжением пробоя, которому соответствует перекрытие газового промежутка плазменным каналом с падающей вольт-амперной характеристикой, В этих условиях сопротивление плазменного канала, перекрывающего межэлектродный промежуток разряда, становится меньше, чем сопротивление внешней цепи, включая внутреннее сопротивление источника напряжения.
Поэтому правильно считать, что при достаточной мощности источника напряжения искровой пробой завершается образованием плазменного канала дуги. В самостоятельном дуговом разряде начиная с токов выше нескольких ампер наблюдается неравномерное распределение потенциала и температуры между электродами (рис.
2.2, 2.3). 1п 2 О,б93 /Од К! К! (8.93) АВ-+ А+В а х х а/(а — х)=е Р; х=а(1 — е ' ). (8.94) а(х и! — — — — — К! (а — х), й (8.90) А+В-+ АВ а а х а(х =К!г/Т; -1п(а — х)=К!/+С. а — х (8.9! ) — = Кз(а — х) . 2 а/г (8.95) 1па — = К!/. а — х (8.
92) (8.9б) 38! 380 Диффузия — необратимый процесс, связанный с большим увеличением энтропии, а ее возникновение и развитие в области высоких температур при сварке неизбежно. На практике ускоряют диффузию, приводящую к повышению качества соединений, и наоборот, замедляют диффузию, которая может привести к снижению качества соединений.
8.13.4. Скорость химических реакций различных порядков В зависимости от количества реагирующих между собой веществ, различают реакции первого и второго порядка. 1. Для реакции первого порядка (мономолекулярной реакции) вила запишем кинетическое уравнение, выражающее зависимость скоро- сти химической реакции от концентрации реагентов и продуктоьч где К! — константа скорости мономолекулярной реакции, представляющая собой функцию температуры и свойств реагирующих вешеств; г — время; а — концентрация реагента (вещества АВ); х— концентрация продуктов реакции.
Чтобы решить кинетическое уравнение (8.90) для реакций первого порядка, разделяем переменные и интегрируем; Используя начальное условие: при / = 0 х = О, определяем постоянную интегрирования: С = — 1па. Подставляем ее в (8.91) и получаем решение уравнения (8.90): Исследуем полученное выражение. При х-+а время /-+ с, т. е. реакция заканчивается через бесконечно большое время, фактически тогда, когда современными аналитическими методами уже н ельзя уловить изменение в составе системы. При х = а/2 найдем время /о з, необходимое для преврашения половины реагирующего вещества, называемое периодом полураспада, или половинным вре- менем: Для реакций первого порядка /о 5 зависит только от К! (т. е.
от температуры и свойств реагирующих веществ). Уравнение (8.93) точно описывает ход радиоактивного распада. По уравнению (8.92) определим концентрацию х продуктов распада — веществ, получившихся при радиоактивном распаде: Отсюда можно получить информацию о концентрации распадающегося вещества по времени: при / = 0 концентрация продуктов х = О, т. е. реакция не начиналась; при / = сс концентрация продуктов х = а, т. е. реакция дошла до конца; при /о з = 0,693/К! имеем х = 0,5а, т. е.
реакция привела к полу- распаду. 2. Для реакций второго порядка кинетическое уравнение имеет вид Разделяя переменные в (8.95) и интегрируя, получаем решение уравнения (8.9б) 1 1 К/= 2 а — х а Отсюда находим выражение для константы скорости 11 х К2 — — — — —, /аа — х /гТ блтр 18.99) ат = — 22 — Баб аС ах (8.97) дС дС вЂ” й дх /3 = Лс/3, (8.98) 382 383 причем размерность константы скорости равна с При х = 0,5а получим го 5 = 1/(К2а), т. е. время полураспада зависит и от концентрации исходных веществ.
Следует указать, что под влиянием катализаторов порядок реакции может измениться. Так, диссоциация аммиака идет в газовой фазе по уравнению реакции второго порядка, а при каталитическом действии твердого ванадия реакция идет по уравнению реакции первого порядка, т. е. без влияния концентрации реагента, которая остается как бы постоянной величиной. 8.13.5. Скорость концентрационной диффузии Процессы переноса вещества путем диффузии связаны с наличием градиента концентраций диффундирующего вещества в среде, заполненной другим веществом.
Процессы диффузии описываются уравнениями, выражающими законы Фика: где т — количество диффундирующего вещества; 5 — площадь се- НС чеиия диффузионного потока; г — время; — — градиент концеиах грации (имеет отрицательное значение потому, что диффузия идет от большей концентрации к меньшей); /3 — коэффициент пропорциональности, или коэффициент диффузии. Коэффициенты диффузии в газообразных системах вычисляют на основании кинетической теории газов: где Л и о — соответственно длина свободного пробега и средняя скорость движения молекул газа.
Порядок величины /3 для газов при стандартных условиях составляет 10 м /с. 4 2 Коэффициенты диффузии в жидкостях могут быть рассчитаны по уравнению Стокса: где /1 — постоянная Больцмана; т1 — коэффициент вязкости среды; г — радиус частицы. Порядок величины /3 для жидкостей при стан— 9 2 дартных условиях составляет 10 м /с. Для твердых кристаллических тел коэффициент диффузии имеет еше меньшие значения, например алюминий, диффундируюший в твердую медь, при температуре 1123 К имеет коэффициент диффузии23= 2,19 10 13 м /с. -13 2 Помимо изотермической диффузии, описываемой законами Фика (см. (8.97)), перенос атомов может возникнуть под действием разности температур и напряжений, т. е.
в неоднородном температурном поле. Такая изотермическая диффузия, называемая термодиффузией, может вызвать перераспределение или сегрегацию компонентов сплава в температурном поле, созданном сварочным термическим циклом. Это будет особенно заметно для элементов, обладающих высокой подвижностью, например для водорода, ко- торый будет диффундировать из основного металла к оси шва, где выше температура и больше растворимость. 8.13.б. Скорость гетерогенных процессов В гетерогенных системах необходимо учитывать как процессы, протекающие в пределах каждой фазы, так и взаимодействие между фазами.
Система может состоять из нескольких фаз, различных по физическому состоянию и химическому составу. Превращения в системе могут быть очень сложными, но во всех случаях они подчиняются общему закону, согласно которому каждый компонент стремится распределиться в системе так, чтобы его химический потенциал в каждой фазе был одинаковым. Наибольшую роль в этом отношении играют явления диффузии и химические взаимодействия. В практике сварочного производства часто приходится иметь дело с системами, состоящими из четырех фаз, а именно газовой, слоя флюса, расплавленного металла шва и твердого металла.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
