Что такое сварка металлов?

Начинаю цикл постов об одном из наиболее распространенных неразъемных соединений – сварке. Обычно сварка у нас с детства ассоциируется с чем-то страшным, на которое нельзя смотреть. Чуть в более взрослом возрасте мы понимаем, что происходит она за счет расплавления металла. Давайте углубимся в тему немного подробнее.

Существует множество разновидностей сварки, один из которых – термитная сварка рельсов – я описывал выше. Сегодня речь пойдет именно о дуговой сварке – самой распространенной в быту и в промышленности.

⬇️⬇️⬇️

Часть 1. Газовый разряд и электрическая дуга.

Для начала поймем, что такое электрическая дуга. Многие знают, что если к диэлектрику подвести сильное электрическое поле, то, хоть он ток и не проводит, рано или поздно у него случится пробой, то есть поле будет настолько сильным, что начнет насильственным путем проталкивать сквозь диэлектрик электроны. То же самое можно сделать и с газами, которые, грубо говоря, тоже можно назвать диэлектриками.

Если мы приложим сильное электрическое напряжение между двумя проводниками, то может возникнуть такое явление, как электронная эмиссия – выход электронов за пределы проводника.

Если этот проводник находится на воздухе или в каком-то другом газе, то вылетевшие электроны будут цепляться к молекулам и атомам воздуха, образуя заряженные ионы, т.е. ионизировать газ.

Эти положительные ионы, попадая в электрическое поле между проводниками начинают двигаться, по законам электричества, от одного проводника к другому, сталкиваясь на своем пути с другими молекулами, попутно ионизируя их. Различные процессы, происходящие между электродами показаны на рисунке.

Определенным образом настраивая подводимое напряжение можно добиться того, что ионы преодолеют весь путь между проводниками, осев на втором, и далее, отдав свой лишний электрон в электрическую цепь, тем самым замкнуть ее.

Таким образом образуется электрический ток в газах, а два проводника называются электродами, причем тот, кто отдает электроны – катод, а тот, кто принимает, когда ион газа дойдет до цели – анод.

Продолжение ⬇️⬇️⬇️

1 - образуются вторичные электроны и положительные ионы

2 - ускоренные электрическим полем положительные ионы, ударяясь о катод, выбивают из него электроны

3 - положительные ионы, сталкиваясь с молекулами газа, переводят их в возбужденное состояние.
Переход таких молекул в основное состояние сопровождается испусканием фотонов

4 - фотон, поглощенный нейтральной молекулой, ионизирует ее, происходит процесс фотонной ионизации молекул

5 - выбивание электронов из катода под действием фотонов (фотоэффект)

6 - при значительных напряжениях между электродами газового промежутка наступает момент, когда положительные ионы, обладающие меньшей длиной свободного пробега, чем электроны, приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул газа

Часть 2. Дуговая сварка.

Постоянный поток ионизированного газа между двумя электродами, по сути своей, является потоком плазмы (плазма и есть ионизированный газ), и называется электрической дугой. Она несет в себе колоссальную энергию, т.к. для ионизации требуется большое напряжение. При контакте с металлом дуга его сильно разогревает вплоть до температуры плавления, и процесс сопровождается ярким свечением, которое происходит из-за того, что атомы металла, получив дополнительную энергию, переходят в возбужденное состояние, и, вернувшись в исходное, излучают фотоны. Смотреть, действительно, нельзя, дабы не сжечь себе глаза, потому что свет очень яркий.

Далее ⬇️⬇️⬇️

Таким образом, принцип дуговой сварки заключается в расплавлении контактных областей двух изделий электрической дугой, перемешиванием между собой и быстрым остыванием. К свариваемому металлу подводят стержень электрода, подключенный к источнику питания, поджигается дуга и происходит сваривание. При этом электрод также может плавиться и расходоваться. Часто на электроды наносят слой, который нужен, чтобы защитить металл от окисления. Он часто образует шлак, защищая сварочную ванну от попадания кислорода. На рисунке приведен самый простой способ ручной дуговой сварки.

⬇️⬇️⬇️

1 — электродное покрытие, 2 — электродный стержень, 3 — защитный газ, 4 — сварочная ванна, 5 — заготовка, 6 - шов, 7 — шлаковая корка

Существует много различных способов автоматической дуговой сварки, применяемые в промышленности, но это уже отдельная более узконаправленная тема, а принцип работы у них один и тот же.

Пишите, понятно ли объяснил, и узнали ли что-то новое о сварке?

Кстати о защите глаз.

Я когда первый раз поехал на завод смотреть как плавят сталь, не думал, что нужно использовать светофильтры и смотрел на жидкий металл просто глазами. А он бултыхался на расстоянии метров 20 и светился настолько сильно, что, насмотревшись на все это потом не мог пол ночи уснуть. Сварка светится еще ярче. Сильно влияет на нервную систему конечно

Проводим закалку стального листа. Мало кто знает, но не только состав сплава определяет его свойства, но и его структура. Для получения нужной структуры проводят термическую обработку. Закалка - один из основных ее видов. Вы скорее всего слышали о ней. Вот так примерно это выглядит

В связи с приходом зимы в последний ее месяц и похолоданием, устроим погодный опрос (с физическим уклоном, конечно)⬇️

Как видите, предсказания сбылись, осадков не было, потому что вероятность, действительно, была низкая из-за высокого давления. Кто может объяснить , почему?

Циклоны и антициклоны

Всем знакомые с детства явления, о которых говорили в прогнозе погоды по телевизору. Давайте разбираться, что это такое и как работает.

Если помните, то в прогнозе погоды циклоны обозначаются синими областями с буквой Н, а антициклоны – красными с буквой В. Циклон – это область низкого давления воздуха, поэтому обозначается буквой Н, а антициклон – область высокого давления (буква В).

Движения атмосферы нашей планеты подчиняются очень сложным законам и до сих пор до конца не изучены. Однако в их основе, конечно же, лежат основные законы термодинамики, аэродинамики, механики и многих других областей науки.

Основной закон, который здесь работает – закон Бернулли во всех его возможных интерпретациях. Применительно к нашей теме он звучит так: воздух движется из области с более высоким давлением в область с более низким давлением. Причем, чем выше разница (градиент) этих давлений, тем больше скорость потока.

Таким образом, если циклон – область с низким давлением в центре, воздушные массы будут двигаться из периферии к центру этой области. Напротив, антициклон – область с высоким давлением в центре, из которого воздух будет уходить на периферию.
Более нагретый землей снизу воздух, двигаясь к центру циклона будет еще и подниматься вверх, а более холодный в центре антициклона, двигаясь к его периферии будет опускаться вниз. Здесь, помимо закона Бернулли, работает еще и обычная термодинамика. Теплый воздух расширяется (увеличивает объем) и на него со стороны окружающих слоев действует сила Архимеда, выталкивающая его наверх.
Есть еще один момент. Из-за того, что при всех этих движениях атмосферы еще и вращается Земля, движение воздушных масс оказывается в неинерциальной (движущейся) системе отсчета, в которой возникают различные дополнительные силы. Об этом поговорим отдельно.

Далее⬇️⬇️⬇️

Подытожим.

В циклоне воздух по закону Бернулли двигается из периферии в центр с низким давлением, при этом поднимается вверх и закручивается вихрем, из-за Кориолисовой силы, возникающей, из-за вращения Земли. В антициклоне – наоборот, нисходящий поток воздуха из центра с высоким давлением двигается к периферии этой области.

Наглядный рисунок вам в помощь.
⬇️⬇️⬇️

Так причем тут осадки?⬆️⬆️

Для ответа на этот вопрос, нужно понять, как образуются облака.

Образование обычного кучевого облака связано с адиабатическим расширением воздуха и восходящими потоками. Как вы помните из первого закона термодинамики, адиабатический процесс происходит без участия теплоты. А это значит, что, расширяясь, газ уменьшает свою внутреннюю энергию, а значит и температуру. Влажный воздух расширяется и поднимается вверх с восходящими потоками. Наверху он охлаждается и пар в нем достигает насыщения (точки росы), а значит, конденсируется, превращаясь в капельки воды (см. Видео). Высота, на которой происходит конденсация одинакова, поэтому у облака видна чёткая нижняя граница. В таком облаке при определённых обстоятельствах может накопиться много энергии, которая разогреет окружающий воздух и заставит облако подняться выше, а под ним пар продолжит конденсироваться.

Таким образом облако растёт в высоту до огромных размеров, после чего возникает дождь, гроза и другие осадки.