Излучение плазмы. Электронная и ионная температура в столбе дуги при различных давлениях
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
(ФГБОУ ВО ВГТУ)
Кафедра «Технологии сварочного производства и диагностики»
Курсовая работа по дисциплине «Теория сварочных процессов»
Выполнил студент группы: зпСП-41 Алексеев С.Н.
Зачетка: № 214451
Проверил: Булков А.Б.
Воронеж 2017 г.
Оглавление.
1. Что такое сварка? 3.
2. Что необходимо для образования сварного соединения? 3.
3. Классификация процессов сварки. 4.
4. Излучение плазмы. Электронная и ионная температура в столбе дуги при различных давлениях. 4.
5. Список литературы. 11.
1. Что такое сварка?
Сварка — процесс получения неразъёмных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве.
|
|
|
Что необходимо для образования сварного соединения?
Сварное соединение - неразъемное монолитное соединение, их получают 2 способами: сварка плавлением, сварка давлением. Условия необходимые для сварного соединения: 1) сближение свариваемых поверхностей на расстояния сопоставимое с межатомным на максимальной площади контакта; 2) освобождение свариваемых поверхностей от загрязнений; 3) энергетическая активность поверхностных атомов облегчающих их взаимодействие друг с другом процесс образования соединения при сварке происходит в 3 стадии: достижение физического контакта, происходит химическое взаимодействие и закончив процесс образования прочного соединения, диффузия в микрообъемах. Активация может сообщаться в виде теплоты, упруго механического вида взаимодействия и др. При сварке плавлением и пайке сближение атомов твердых тел происходит путем смачивания твердых тел жидким металлом, а активных поверхностей путем сообщения ее частицами тепловой энергии. При сварке плавлением металлических соединяемых элементов в месте сварки доводит до жидкого состояния при этом сварка может осуществляться или за счет плавки основного металла, или дополнительного(присадочного(электрода)). Расплавленные металлы самопроизвольно без приложения внешних сил сливаются в общую сварочную ванну которая смачивает твердую поверхность соединяемых элементов, в процессе расплавления возникают атомно-малекулярные связи, устранения не ровности поверхности, отсорбированые газы, оксиды и др.
|
|
|
Высокая температура расплавления металла способствует повышению подвижности атомов и межатомному сцеплению. При удалении источника нагрева жидкий металл остывает и происходит его кристаллизация, она начинается на границе раздела между основным металлом и расплавленным металлом сварочной ванны, границей раздела является поверхность охлаждения основного и присадочного материала после завершения кристаллизации сварочной ванны образовывается монолитный шов, соединенный в единое целое ранее разобщенные детали.
Сварка давлением достигается в результате совместной упругой пластической деформации часто с дополнительным нагревом, 1-ая стадия сварки характеризуется волнистостью поверхности, в зависимости от количества оксидных отслоений. 2-ая стадия сварки происходит схватывание отдельных атомов их химическое взаимодействие и образование общих кристаллов на границе раздела соединение поверхностей, дальше идет процесс рекристаллизации и создания прочного сварного соединения длительных указанных стадий существенно больше чем при сварке плавлением.
|
|
|
Классификация процессов сварки.
В зависимости от формы энергии, используемой для образования сварочного соединения, все виды сварки разделяются на три класса: термические, термомеханические и механические.
К термическому классу (сварка плавлением) относят виды сварки, осуществляемые с использованием тепловой энергии (дуговую, плазменную, электрошлаковую, электронно-лучевую, лазерную, газовую и др.), при этом силы межатомного взаимодействия возникают между материалами двух свариваемых заготовок, находящихся в месте соединения в жидком (расплавленном) состоянии.
К термомеханическому классу относят виды сварки, осуществляемые с использованием тепловой энергии и давления (контактную, диффузионную и др.)
К механическому классуотносят виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии и давления (ультразвуковую, взрывом, трением, холодную и др.)
Выбор вида сварки во многом зависит от толщины металла и вида соединения. Современные виды сварки плавлением позволяют успешно соединять металл толщиной от долей миллиметров до десятков сантиметров и более. Наиболее универсальным видом сварки плавлением является дуговая сварка в среде защитных газов плавящимся электродом. Самое широкое распространение получила сварка вольфрамовым электродом. Новые виды сварки открывают широкие перспективы для создания невозможных ранее сварных конструкций. Так, электронно-лучевая сварка позволяет сваривать изделия малых толщин с помощью узких швов с малой площадью расплавленного металла.
|
|
|
Излучение плазмы. Электронная и ионная температура в столбе дуги при различных давлениях.
Излучение плазмы, электромагнитные волны (в диапазоне от радиоволн до рентгеновских), испускаемые частицами плазмы при их индивидуальном или коллективном движении. Интенсивность и спектральный состав излучения отражают состояние плазмы, поэтому используются для её диагностики. Излучение плазмы является также одним из главных каналов её энергетических потерь; существенна его роль в установлении термодинамического состояния плазмы - распределения ионов по кратностям ионизации, по возбуждённым энергетическим уровням и т. п.
Излучение плазмы характеризуется интенсивностью элементарных процессов испускания; спектральной излучательной способностью, т. е. распределением по частоте ω фотонов, рождаемых в единице объёма оптически тонкого слоя плазмы; полным потоком излучения плазменной системы с учётом многократного поглощения-испускания излучения в её объёме (для оптически толстой плазмы).
Основные механизмы излучения плазмы определяются как индивидуальными свойствами заряженных и нейтральных частиц, образующих плазменную систему, так и её коллективными свойствами – колебательно-волновыми характеристиками (смотри Волны в плазме). Индивидуальными свойствами частиц определяются: линейчатое излучение (ЛИ), возникающее при переходе электрона в атоме или ионе между двумя дискретными энергетическими уровнями; фоторекомбинационное излучение (ФИ), образующееся при захвате свободного электрона на один из дискретных энергетических уровней атома или иона; тормозное излучение (ТИ) свободного электрона в поле иона; циклотронное излучение (ЦИ) электрона при его вращении в магнитном поле. В основе этих типов излучения плазмы лежит ускорение электронов во внешнем электрическом или магнитном поле. Характерные частоты излучения плазмы определяются угловыми скоростями w поворота частиц при их движении по криволинейным траекториям. Полная интенсивность излучения определяется величиной I = (2/3)е2w2/с3 (е - заряд электрона, с - скорость света), а распределение интенсивности Ιω по спектру частот - фурье-компонентой Ιω = (2/3)e2w2ω/c3. Различия в типе поля, вызывающего ускорение электронов, приводят к резким различиям как полных интенсивностей I, так и интенсивностей характерных излучаемых частот Iω. В случае периодического вращения электрона (например, для ЛИ и ЦИ) спектр излучения дискретен, в противном случае он непрерывен (спектры ТИ и ФИ). Для непрерывного спектра ФИ характерно наличие скачков, отвечающих рекомбинации на отдельные дискретные энергетические уровни иона. В спектре ЛИ вследствие относительно малой скорости атомов и ионов доплеровские сдвиги частоты невелики, и дискретность спектра сохраняется. В спектре ЦИ эти сдвиги обусловлены движением гораздо более быстрых электронов и приводят для типичных условий термоядерной плазмы с электронной температурой более 10 кэВ к слиянию высоких гармоник ЦИ в непрерывный спектр - континуум.
Излучение плазмы коллективного происхождения обусловлено ускорением электронов, движущихся сфазированно в поле плазменных колебаний и, следовательно, излучающих когерентно. Поэтому излучение оказывается связанным с частотными характеристиками плазменных колебаний, и его можно рассматривать как проявление резонансов во взаимодействиях частиц с волнами. Оно сильно зависит от степени неравновесности плазмы и её устойчивости по отношению к самовозбуждению тех или иных волн. Для устойчивой плазмы, близкой к состоянию термодинамического равновесия, такое излучение носит спонтанный характер и определяется её диэлектрическими свойствами, а также граничными условиями. Основные типы излучения плазмы в этом случае следующие: черенковское излучение, переходное излучение, излучение, возникающее при нелинейном взаимодействии продольных волн с поперечными, а также при трансформации продольных волн в поперечные на границе плазмы или на её неоднородностях.
Интенсивность коллективных механизмов излучения резко возрастает в неустойчивой плазме. Обычно в таких случаях наблюдается индуцированное излучение того или иного происхождения. Интенсивность излучения плазмы коллективного происхождения определяется конкретным механизмом неустойчивости.
Для обычных дуг, горящих при давлении порядка атмосферного, столб дуги представляет собой плазму. В полностью ионизированной плазме нейтральные частицы отсутствуют. Плазма дуги квазинейтральная (т.е. почти нейтральная), так как в ней отрицательный заряд электронов почти точно нейтрализует положительный заряд ионов. Так как электроны гораздо подвижнее чем положительные ионы, то поле заставляет электроны быстро уходить к аноду и столб дуги имеет положительный потенциал относительно катода.
Рис. Электронная температура Те и температура газа Тд = Ті в столбе дуги в зависимости от давления
Термическое равновесие в дуговом промежутке будет полным, когда частота появления всех возможных энергетических состояний удовлетворяет распределению Максвелла-Больцмана. В плотной среде столба дуга столкновения между частицами приводят к быстрому установлению локального равновесного состояния. Напротив, в разряженной плазме, где столкновение частиц редки, могут длительное время существовать состояния, далекие от равновесия. Столкновения частиц становятся редкими и при высоких температурах, в так называемой горячей плазме, когда энергия теплового движения kТ = 10-100 эВ и более. Плазма, имеющая kТ порядка 1 эВ (11600 К), в физике считается холодной плазмой.
Основное понятие термодинамики – понятие температуры, которая характеризует значение энергии и ее распределение между частицами вещества. В разряженной или в горячей плазме электронная Те и ионная Тi температуры не равны между собой, а с увеличением давления газа их значение и распределение по сечению столба дуги становятся почти одинаковыми.
Рис. Радиальное распределение температур Те и Тд в столбе дуги
Ионная температура близка к температуре газа Ti ≈ Тд Движение заряженной частицы в электрическом поле равноускоренное, аналогично свободному падению тела, но сила, действующая на частицу, зависит от ее заряда, а не от массы. Уравнение сил, действующих на частицу с массой и единичным зарядом е0, имеет вид
(1)
где Е – напряженность электрического поля. 
m – масса частицы, г;
ν – скороеть частицы, 
а – ускорение, 
При начальной скорости, равной нулю скорости в момент t
Пройденный путь за время t
. (2)
Скорость и пройденный частицей путь определяются ее удельным зарядом – отношением заряда к массе 
. Поэтому при свободном движении частиц в одном и том же поле скорость электронов много больше скорости ионов.
Подставляя в (2) значение 
где U – разность потенциалов на пути ℓ, получим скорость электрона
(3)
Скорость иона с атомной массой М, несущего заряда, значительно меньше:
Здесь mе – масса электрона; Ма = 1822·mе атомная единица массы.
Основным видом ионизации при наличии электрического поля является ударная ионизация электронов. Вышедший из катода электрон под действием градиента поля ускоряется и при столкновении с нейтральными атомами или молекулами может выбить один электрон или придать атому или молекуле некоторую скорость. Так, при движении электрона от катода к аноду произойдет ряд столкновений, в результате чего температура газ повысится. При высоком давлении и больших градиентах поля этот вид ионизации может привести к значительному повышению температуры и росту тока проводимости.
Ионы тоже участвуют в ионизации, но так как их скорости значительно меньше скоростей электронов, то роль ионной ионизации в дуговом разряде невелика. Однако при высоких температурах, когда скорость теплового движения молекул возрастает, соударения ионов и нейтральных частиц приводят к термической ионизации газа. Роль этого вида ионизации весьма значительна при высоких температурах и давлениях. Ионизация атомов излучением – фотоионизация возможна лишь в том случае, если энергия фотона hυ превышает работу ионизации
где υ – частота излучения, 
h – постоянная Планка; С – скорость света, 
λ – длина световой волны, м.
Одновременно с процессом ионизации происходит деионизация – рекомбинация положительных и отрицательных частиц и диффузия их за пределы ионизированного объема газа. Между этими процессами в стационарных условиях существует равновесие, характеризуемое степенью ионизации χ, определяемой отношением числа ионов и электронов к полному числу нейтральных атомов в единице объема. Зависимость степени ионизации от температуры, давления и рода газа, описывается уравнением Саха:
где р – давление; Т – температура; е0Uи, – работа ионизации, Дж; k – постоянная Больцмана, 
Из уравнения Саха следует, что термическая ионизация становится заметной при температуре, превышающей 2000-3000 К, и приближается к 100 %-ной при 10000 – 30000 К. Степень ионизации особенно высока при содержании в газовой среде паров металлов с низкой работой выхода электронов (щелочные металлы).
Уравнение процесса деионизации атома, потерявшего один электрон А+, запишем в виде
A++ e = A0 + ∆W,
где Ао нейтральный атом; ∆W – количество теплоты, выделяющееся в результате этой реакции, равное энергии ионизации
∆W =e0∙Uи.
Процесс деионизации зависит от давления и температуры, и в некоторой степени определяется коэффициентом рекомбинации
Откуда следует, что с повышением давления и понижением температуры плазма быстро деионизируется и теряет электропроводность, превращаясь в нейтральный газ. Процесс деионизации ускоряется диффузией заряженных частиц из нагретых плазменных объемов. Коэффициент диффузии
где υ – средняя скорость движения заряженных частиц,
λ – длина свободного пробега, м.
Скорость диффузии ионов невелика. Электроны диффундируют значительно быстрее. Обычно количество существующих зарядов разного знака, вследствие процесса ионизация и рекомбинации в объеме плазмы, примерно одинаково и суммарный заряд плазмы равен нулю. Такую плазму называют квазинейтральной, т.е. почти нейтральной.
Существует понятие равновесной и неравновесной плазмы. Плазму называют равновесной в том случае, если температуры ее компонентов молекул, атомов, ионов и электронов – одинаковы. Такую плазму еще называют изотермической.
Неравновесной или неизотермической называют плазму, у которой температуры компонентов различны. Отсутствие равновесия может наблюдаться при низких давлениях, а также в сильных электрических полях. Это случай, когда средняя скорость электронов превышает среднюю скорость других частиц, что и соответствует их повышенной температуре.
По внешнему признаку и особенностям электрические разряды в газах очень разнообразны, поэтому их подразделяют на самостоятельные и несамостоятельные.
В самостоятельных разрядах заряженные частицы в разрядном промежутке образуются за счет энергии источника тока. Для поддержания несамостоятельного заряда необходимо воздействие внешних факторов, обеспечивающих ионизацию газов. Дуговой разряд характеризуется высокой плотностью тока в канале разряда (порядка 102-106 
), низким катодным падением напряжения (менее 20 В), высокой температурой газовой среды в межэлектродном пространстве, достигающей в зависимости от условий существования дуги значений порядка (3-10)103 К и выше.
В цепи, состоящей из проводниковых материалов, передача электрической энергии осуществляется электронами. В цепи с включенным проводником второго рода, прохождение электрического тока сопровождается протеканием сложных явлений, в процессе которых электроны превращаются в носители электрических зарядов другого вида, а затем снова в электроны.
Для обеспечения прохождения тока по цепи, в которую включена электрическая дуга, электрон должен покинуть электрод-катод, для чего ему необходимо преодолеть силы притяжения к атому, а затем войти в анод.
Чтобы электрон вышел из катода, ему необходимо преодолеть силу статического взаимодействия с электронной оболочкой атома и потенциальный барьер электрода, т.е. совершить работу выхода. Для различных веществ она не одинакова. Так, для алюминия она составляет 2,8; вольфрама 4,5; железа 4,77 эВ.
Работа выхода электронов для металла меньше энергии его ионизации. Чтобы вывести электрон из металла, необходимо повысить его энергию. Это достигается наложением мощного электрического поля (автоэлектронная эмиссия) или повышением температуры электрода (термоэлектронная эмиссия).
Разогрев электродов в самостоятельном разряде осуществляется за счет бомбардирования поверхности электрода ионами. Эмиссию электронов катода в результате его разогрева называют термоэлектронной эмиссией.
При температурах до 1000 К ток эмиссии слабо зависит от температуры. При более высоких температурах начинает появляться термоэлектронная эмиссия.
Для повышения тока эмиссии и снижения работы выхода электронов в электродный материал вводят активирующие добавки в виде щелочных или редкоземельных металлов, а также их оксидов. Ионизирующими добавками, например, для вольфрама служат лантан, иттрий, а для углерода цезий, литий, калий, натрий, кальций.
При расстояние между электродами более 3-4 мм вдоль дугового промежутка существует определенное распределение потенциала. В межэлектродном промежутке четко выделяются три основные, зоны: область катодного падения напряжения (8-15 В), область положительного дугового столба с напряжением от нескольких вольт до нескольких киловольт в зависимости от длины и условий горения дуги; область анодного падения напряжения (2-20В).
Список литературы.
1. Фролов В.В. - Теория сварочных процессов.
2. Неровный В.М., Ямпольский В.М. Сварочные дуговые процессы в вакууме.- М.: Машиностроение, 2002. – 264 с.
Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 803; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!