СТАТЬИ И ПУБЛИКАЦИИ

Вход или Регистрация

ПОМОЩЬ В ПАТЕНТОВАНИИ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ФОРУМ Научно-техническая библиотекаНаучно-техническая библиотека SciTecLibrary
 
Cтатьи и Публикации    Электрофизика СВЕРХЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНАЯ ОБРАБОТКА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

СВЕРХЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНАЯ ОБРАБОТКА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

© Дмитрий Иванович Корнеев

Доктор ф.т.н., профессор, академик

Генеральный директор ИННТИ УАННП

г. Николаев, Украина

© Олег Орестович Фейгин

ХП ИННТИ УАННП

г. Харьков, Украина

Контакт с авторами: fond@online.kharkiv.com

Прохождение высокоэнергетических электротоковых импульсов через жидкий металл является основой уникального металлургического метода, открытого, исследованного и разработанного выдающимся металловедом академиком Д. И. Корнеевым. При протекании рабочих токов электротоковой импульсной обработки /ЭТИО/ по алгоритму Д. И. Корнеева, инициируется действие целого ряда нестандартных механизмов конвертационного преобразования электромагнитной энергии, запасенной в разрядном контуре, при этом в расплаве металла формируется структура первичных древовидных стримеров, испытывающих интенсивную диссипацию. В дальнейшем плазменные образования ствола канала электрического разряда /КЭР/ преобразуются в стягивающиеся шнуры и частично стабилизируются. Встречное ударное рассеяние свободных в атомарном смысле электронов и многократно ионизированных ионов металла приводит к разогреву и испарению расплава внутри ствола КЭР. Интенсивный процесс шнурования основного КЭР сопровождается образованием плазменных шнуров, закручиваемых в. жгуты суперпозиционным электромагнитным полем. В конечном итоге возникает плазменно-разрядный проводник электромагнитной энергии внешнего контура [1 – 3]. Шнурованный КЭР представляет собой сложное энергетическое образование из горячей плазмы и находится в метастабильном состоянии неустойчивого равновесия. Одновременно, локальные диффузионные потоки термоактивированных носителей заряда будут стекать в пограничные районы КЭР, активируя встречные процессы вторичной ионизации [4].

В настоящей статье развиваются различные модели сверхэнергетического комплексного воздействия факторов /СЭКВФ/ ЭТИО Корнеева при электрошлаковой сварке /ЭШС/ низколегированных сталей. Существенным недостатком ЭШС низколегированных сталей является охрупчивание металла шва в околошовной зоне. Нормализация механических характеристик сварных соединений обычно достигается высокотемпературной гомогонизацией рекристаллизованного металла. Данные процессы достаточно трудоемки и неприменимы для сложных крупногабаритных изделий из-за высоких материальных затрат. Применение ЭТИО Корнеева, как альтернативного варианта термогомогонизации, позволяет управлять затвердеванием металла шва непосредственно в процессе ЭШС. Известно, что при сварке плавлением на микроструктуру и механические свойства сварных соединений решающее воздействие оказывают термодинамические параметры. Поэтому представляло определенный интерес исследовать влияние ЭТИО Корнеева при ЭШС на величину термического поля, микроструктуру и свойства сварных соединений. С данной целью определялось влияние ЭТИО Корнеева на изменение температурного поля, путем поэтапных замеров параметров термических циклов. По полученным термоциклам строились температурные поля. Последующее исследование макрошлифов показало, что при базовом режиме ЭШС применение ЭТИО Корнеева приводит к значительному увеличению ширины шва и изменяет его микроструктуру. Такие изменения вызваны уменьшением градиентов температуры в шлаковой ванне и расплавленном металле, что оказывает влияние и на характер кристаллизации, меняя ориентацию редуцированных фрагментов столбчатых дендритов в центре сварного шва. Повышение погонной энергии ЭШС без ЭТИО Корнеева приводит к расширению температурного поля и зоны термического влияния, однако, при значительном увеличении ширины шва при ЭШС с ЭТИО Корнеева зона термического влияния остается неизменной. Это позволяет предположить, что ширина участка крупнозернистого перегрева должна быть значительно меньше, чем при базовых режимах ЭШС. Дальнейшие исследование микроструктуры стали, показали, что ввод ЭТИО Корнеева в процесс ЭШС наряду с сильным уменьшением зоны перегрева изменяет внутреннюю геометрию границ сплавления. При этом граница сплавления теряет свой выраженный характер, а в зоне неравновесного перегрева по границам микрокристаллитных конгломератов полностью отсутствуют ферритные оторочки. Механические испытания сварных соединений проводились при комнатной и пониженной температурах. Их результаты показывают, что при ЭШС с ЭТИО Корнеева значительно повышается ударная вязкость металла околошовной зоны, как при нормальной, так и при пониженной температурах.

Учитывая реальную схему действия ЭТИО Корнеева при ЭШС низколегированных сталей, все механизмы прохождения тока через послойно кристаллизующийся металл можно условно разделить на два вида. К первому относятся модели прохождения импульса электротока через жидкий металл с сопутствующими квазигидродинамическими эффектами в виде фронтов поперечных волн давления и плотности, а также явлениями кавитации. Второй включает разряды вдоль тонкого поверхностного слоя части первично закристаллизованного металла. Вытеснения разрядного электротока на поверхность затвердевшего металла объясняется возникновением вихревого электрического поля электромагнитной индукции. Протекание электрического разряда в процессе ЭТИО создает внутри проводящего слоя металлополикристаллита некоторое магнитное поле, силовые линии которого лежат в плоскости, перпендикулярной к нему. При изменении амплитуды разряда соответственно меняет значение, связанное с ним магнитное поле, что вызывает появление вихревого электрического поля. Направление такого поля совпадает с направлением поверхностного электротока и противоположно потоку электронов в глубине кристаллизованного металла [5, 6].

Закон распределения плотности тока I(p) на расстоянии r* от проводящей поверхности имеет вид

I(p) = I(0) exp(r* / r), (1)

достигая максимума на глубинах порядка

r ~ w m(0) m* e*, (2)

где: m(0) – магнитная постоянная; m* - магнитная проницаемость металлополикристаллита; e* - удельная электропроводность; w – круговая частота разрядного импульса тока.

Сосредоточение разрядных токов в поверхностных слоях приводит к уменьшению действующего сечения проводимости и к увеличению интегрального сопротивления. Следовательно, одновременно развивающиеся каналы разряда через жидкий расплав получают некоторый выигрыш в эффективности действия и их пропускная способность повышается. Одновременно на проводящей поверхности сосредотачивается магнитное поле. При этом магнитная энергия уменьшается за счет отсутствия поля внутри затвердевшего металла и общая индуктивность падает. Это также влияет на энергетический баланс конкурирующих каналов разряда, компенсируя в некоторой степени рост активного поверхностного сопротивления.

Колебательный характер затухающего периодического многоканального разряда ЭТИО эмпирически сопоставим с распространением и рассеянием в КЭР особого класса коллективных квазичастичных возбуждений – макроплазмонов [6]. Одним из основных характеристических параметров потока макроплазмонов является их спектральная интенсивность:

I* = ò W(pl) p(i) p(e) dE, (3)

где W(pl) –вероятность формирования макроплазмонов при стохастических флуктуациях пульсации квазипериодических колебаний плотности одноименных зарядов; p(i), p(e) – ионная и электронные компоненты плотности выделенного объема плазменных шнуров.

Для концентрации электронов плазмы разряда вполне логично применить обобщенное выражение плотности газа носителей заряда:

N(e) ~ const E(e)^0,5 / {1 + exp[E(e) / kT]}, (4) 

где E(e) – энергия коллективизированных электронов; kT – термодинамическая температура. Аналогичная формула для концентрации положительных ионов участвующих в переносе заряда разряда ЭТИО будет иметь вид

N(i) ~ const E(i)^0,5 / {1 + exp[E(i) / kT]}, (5)

где E(i) – энергия ионных носителей заряда. Проводя подстановку выражений (4) и (5) в уравнение (3), после серии тривиальных преобразований, получаем:

I* ~ const ò W(pl) / E(e) E(i) {1 + exp[E(i) / kT] + exp[E(e) / kT] + exp{[E(e) + E(i)] / kT}}. (6)

Полученная аналитическая форма для спектральной интенсивности макроплазмонов является одной из существенных частей физического модельного механизма генерации, динамики и релаксации макроплазмонных образований.

Здесь следует отметить, что ангармонические пульсации носителей заряда в среде плазмы шнурованных КЭР могут описываться системой трех основных нелинейных нестационарных уравнений Кортевега – де Фриза, Шредингера и синус – Гордона [7, 8]. Для отдельных участков установившегося режима колебаний среды под воздействием КВДФ ЭТИО удобнее всего было бы применить волновое уравнение Клейна – Гордона:

D^2g* / dt^2 = w(0)^2 g* + [K a / m(pl)] d^2g* / dx^2, (7) 

где g* - волновая функция колебательной системы плазмы КЭР; K – коэффициент взаимодействия колебаний с силовым полем; m(pl) – масса колеблющегося макроплазмона.

В дальнейшем представляется целесообразным использовать определенные элементы формальной аналогии с прохождением сверхплотного импульса носителей заряда через квазидиэлектрическую среду жидкой аморфно-кристаллической субстанции. Это связано с определенной сложностью модельных построений в современной теории, описывающей прохождение импульсных электроразрядов в металлорасплавах. С учетом сделанных замечаний крайне неоднородный поверхностный рельеф потенциальных энергетических барьеров, отсчитываемых от дна некоторой эффективной зоны проводимости, позволяет продуктивно применить макроплазмонную модель электротокового шнурования КЭР. При этом импульсный разряд через аморфизированную среду будет сопровождаться возникновением метастабильных ионно-электронных КЭР с периферийными квазигидродинамическими волнами затухающего характера [9, 10]. Данный модельный механизм представляется достаточно адекватным натурным условиям эксперимента. Тогда генерации макроплазмонов вследствие сильной деструкции электронных подсистем атомов и молекул проводящей среды будет соответствовать следующее выражение:

I*(pl) ~ const N(pl) ò E(pl)^0,5 p(e, i) / {1 + exp[E(pl) / kT]} dE(pl), (8)

где N(pl) – относительная концентрация плазмонов; p(e,i) – плотность энергетических состояний носителей заряда. Уравнение (8) хорошо коррелирует с известными макропараметрами эмпирической модели процесса, определяемого энергетическим балансом между суммарной величиной пиковой электромагнитной энергии ЭТИО, запасенной в разрядном контуре и парциальными энергиями различных процессов в металлорасплаве [11]:

E(w) = S E(i), i = 1, …, 5. (9) 

В данный перечень входят, прежде всего, энергия электротокового импульса, переносимая через расплав; термодинамическая энергия, передаваемая в каскадных процессах взаимодействия плазмонов с агрегатно-фазовыми неоднородностями металлорасплава; энергия диссипации на флуктуационных центрах рассеяния; энергия металлорасплава; энергия псевдогидродинамических явлений; энергия, выделяемая в четко неидентифицируемых квазихимических реакциях. Таким образом, уровень запасенной энергии ЭТИО Корнеева, в соответствии с электрофизикой интенсивного перемещения потоков жидкого металла, будет определять и вторичную автолокализацию энергии КЭР на границе солидуса первичнозатвердевшей решеточной металломатрицы.

Приведенная феноменология качественной модели ЭТИО Корнеева хорошо согласуется с функциональной схемой квазипериодических вариаций уровня энергии, приводящим к существенному измельчению, перемешиванию и разориентированию субмелкодиспергированных фрагментов металлополикристаллитной матрицы. Универсальность и простота алгоритмизации методик ЭТИО Корнеева позволяет успешно структурировать самые различные аспекты их успешного применения в самых разнообразных отраслях промышленного производства новых материалов.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Фейгин О.О. Воздействие сверхвысокоэнергетичных электроимпульсов на металлорасплавы// SciTecLibrary.com.2003. - http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/5294.html
  2. Корнеев Д.И., Фейгин О.О. Парадоксальная физика сверхмощных электроимпульсных разрядов// Ibid. - http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/5347.html
  3. Корнеев Д.И., Фейгин О.О. Феноменологическая термодинамика сверхвысокоэнергетических электроимпульсов в металлорасплавах// Ibid. - http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/5422.html
  4. Корнеев Д.И., Фейгин О.О. Термодинамика жидких металлов при сверхвысоких энергиях электротокового воздействия// Ibid. - http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/5454.html
  5. Фейгин О.О. Взрыв кипящего металла// Ibid.- http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/5592.html
  6. Петренко С.С., Фейгин О.О. Макронеравновесная кристаллизация металлорасплавов// Ibid. - http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/5687.html
  7. Корнеев Д.И., Фейгин О.О. Металлоквазикристаллизация при сверхвысоких энергиях воздействия// Ibid. - http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/6078.html
  8. Корнеев Д.И., Фейгин О.О. Электрофизические методы управления кристаллизацией свариваемого металла// Ibid. - http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/6302.html
  9. Корнеев Д.И., Фейгин О.О. Теоретические исследования процессов высокоэнергетической обработки металлорасплавов// Ibid. - http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/6436.html
Дата публикации: 1 декабря 2003
Источник: SciTecLibrary.ru

Вы можете оставить свой комментарий по этой статье или прочитать мнения других в следующих разделах ФОРУМА:
Свернуть Защита интеллектуальной собственности и авторских прав
Диспуты по темам изобретательства. Вопросы по изобретениям, проблемы на пути изобретателей и методы их решения.
Патентование. Все о патентовании изобретений, полезных моделей, промышленных образцов и товарных знаков.
Нерешенные задачи. Здесь идет обсуждение нерешенных задач: безопорный двигатель, вечный двигатель, преодоление гравитации и пр.
Свернуть Точные науки и дисциплины
Дебаты по Теории Относительности Эйнштейна. Все кому не лень хотят опровергнуть Теорию Относительности Эйнштейна. Вам предоставляется слово для аргументации.
Физика, астрономия, математические решения. Физико-математические вопросы, наблюдения, исследования, теории и их решение.
Физика альтернативная. Новые взгляды на физические законы, теории, эксперименты, не вписывающиеся в общепринятые законы физики.
Teхника, узлы, механизмы, электроника и аппаратура. Все про технику, приборы, детали, узлы и механизмы. Электроника, компьютеры, программное обеспечение. Новые технические решения в самых разных областях.
Биология, Генетика, Все о жизни. Генетика и другие вопросы биологии. Их развитие. Медицина. Биотехнологии, агротехника и сельское хозяйство. Эволюционные теории и альтернативные им.
Химия. Вопросы по химическим технологиям, разработкам и применению химических материалов. Химические элементы и их свойства.
Геология, все о Земле и ее обитателях. Геология, метеорология, антропология, сейсмология, атмосферные явления и непознанные эффекты природы.
Свернуть Мозговой штурм
Генератор решений. Здесь Вы можете заработать реальные деньги, помогая решать фирмам, предприятиям и частным лицам те или иные технические задачи, которые перед ними стоят. Те, кто ставят задачи перед участниками должны обозначить гонорар за ее решение и перевести указанную сумму на общий счет генератора.
Головоломки. Если у Вас есть желание поломать голову над интересными логическими задачами - Вам сюда.
Гипотезы. В этой теме идет обсуждение гипотез и предположений, основанных чисто на теории и логике.
Найди ляп! Этот раздел для тех, кто хочет мысленно расслабиться. Он посвящен задачам по поискам ляпов, которые встречаются в литературе, интернете, кино и на телевидении.
Свернуть Взгляд в будущее и настоящее
Глобальные темы. Вопросы касающиеся всех. Глобальные угрозы и злободневные темы современности.
Наука и ее развитие. Все о развитии науки, направлениях и перспективах движения научной мысли и знаний.
Новая Цивилизация. Принципы социального устройства новой цивилизации. Увеличение роли созидательного интеллекта... Отдалённые перспективы развития человечества...
Вопросы без ответов. Этот раздел посвящен вопросам и проблемам, которые до сих пор не решены. Предлагайте свои решения.
Военная стратегия и тактика современных боевых действий. Об особенностях современного военного искусства. Проблемные вопросы теории и практики подготовки вооруженных сил к войне, её планирование и ведение в различных конфликтах на планете.
Свернуть Гуманитарные науки и дисциплины
Философские дискуссии. Диспуты по вопросам жизни, сознания, бытия и иных философских понятий.
Экономика. Вопросы по экономике и о путях развития России и других стран.
Социология, Политология, Психология. В этом разделе обсуждаются вопросы, как отдельных частных исследований данных наук, так и проблема соотношения этих наук с остальными.
Образование. Все об образовании: как учить, кому учить, чему учить и кого учить.
Религия и атеизм. Вопросы религий и атеистические взгляды, религиозные споры.

Хотите разместить свою статью или публикацию, чтобы ее читали все?
Как это сделать - узнайте здесь.

Назад

 
О проекте Контакты Архив старого сайта

Copyright © SciTecLibrary © 2000-2017

Агентство научно-технической информации Научно-техническая библиотека SciTecLibrary. Свид. ФС77-20137 от 23.11.2004.