Изучение ионизирующего действия компонентов электродных покрытий

Цель работы

Изучение методики определения ионизирующей (стабилизирующей) способности компонентов электродных покрытий.

Теоретическое введение

Стабильность горения дуги является одной из важнейших технологиче­ских характеристик покрытых электродов для ручной дуговой сварки. Для поиска путей ее повышения необходимы знания процессов в столбе дуги.

Столб дуги представляет собой плазму, содержащую помимо атомов и молекул газа свободные ионы и электроны. В плазме столба непрерывно про­исходят процессы ионизации и рекомбинации заряженных частиц. Ионизация идет двумя основными путями – соударением и поглощением квантов излучения. Количество носителей зарядов в плазме столба дуги определяет его проводимость и, как следствие, стабильность горения дуги.

Проводимость столба дуги пропорциональна степени ионизации х, кото­рая для однородного газа определяется из уравнения Саха (х<<1):

(2.1)

где а – квантовый коэффициент газа, изменяется от 1 до 4;

р – давление, Па;

Т – абсолютная температура, °К;

U – потенциал ионизации, В.

Потенциалом ионизации называется энергия, которую необходимо сооб­щить атому для отрыва с его внешней оболочки одного электрона. Он являет­ся периодической функцией атомного номера элемент. Наименьший потенци­ал ионизации имеют щелочные и щелочноземельные металлы, наибольший –инертные газы, причем он растет с уменьшением атомного номера (U_He<U_Ar). Значения потенциалов однократной ионизации для некоторых элементов, часто встречающихся в атмосфере сварочных дуг, приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Потенциал однократной ионизации

Элемент	K	Na	Ca	Fe	O	N	F	C	Ar
U, эВ	4,3	5,11	6,08	7,83	13,6	14,5	18,6	10,8	15,7

 

Т. к. в реальных условиях сварки атмосфера дугового промежутка пред­ставляет собой смесь газов и паров металлов, то в уравнение (1) подставляется значение эффективного потенциала ионизации U_эф, который оценивается по формуле

(2.2)

где Ni – молярная концентрация i-ого компонента;

Ui – его потенциал ионизации.

Для оценки устойчивости дуги и испытания компонентов электродных покрытий для конкретных вариантов K.К. Хреновым была предложена специальная методика в которой в качестве критерия устойчивости горения дуги бы­ла предложена разрывная длина дуги ℓ_р. Схема испытаний приведена на рис.4. Электродный стержень устанавливается вертикально в штатив над стальной пластиной, зачищенной до металлического блеска. Расстояние нижнего конца электрода до пластины составляет 1,5 мм.

 

Рис. 2.1. Схема замера разрывной длины дуги

 

После установки стержня вокруг его торца "горкой" засыпается иссле­дуемый компонент (рис.2.1а). Далее возбуждается дуга, которой дают гореть до естественного обрыва. Разрывная длина дуги равна расстоянию между торцом электрода и наплавленным металлом (рис. 2.1б).

Оборудование и материалы

1. Сварочный трансформатор.

2. Штатив для закрепления электродного стержня с механизмом верти­кального перемещения, снабженного измерительной шкалой.

3. Сварочный осциллятор параллельного включения.

4. Соединительные кабели.

5. Стальные стержни Æ 4,0 мм и электроды МР-3 Æ 4,0 мм.

6. Порошкообразные компоненты электродных покрытий (мел или мрамор CaCO₃, плавиковый шпат CaF₂, красная кровяная соль К₃Fe(СN)₆.

Порядок проведении работы

1. Собрать электрическую схему установки в соответствии с рис.5.

2.Установить в штативе электродный стержень, зачищенный до металлического блеска согласно рис. 4,а.

 

Рис.2.2. Электрическая схема установки

 

Т – сварочный трансформатор; К– силовой контакт, РБ – балластный реостат; Э – электрод; Кн – пусковая кнопка; ОСЦ – осциллятор; Изд – изделие

 

3. С помощью осциллятора возбудить дугу и дать ей гореть до естествен­ного отрыва. Измерить разрывную длину дуги. Опыт повторить 3 раза. Полу­ченные данные записать в таблицу2.

4. Установить в штативе электродный стержень, зачищенный до металлического блеска, и засыпать его мелом согласно рис. 4,а.

5. Повторить эксперимент по п.3.

6. Повторить эксперимент по п.4 для остальных компонентов, а также для электродов МР-3.

7. С использованием взятых из литературных источников ориентировочных данных по составу газовых смесей в атмосфере столба дуги, приведенных в таблице 2, вычислить по формуле (2.2) эффективный потенциал ионизации для каждого опыта. Потенциалы ионизации для компонентов приведены в таблице 1. Расчет рекомендуется вести с использованием рабочих таблиц Microsoft Excel.

Таблица 2.2

Результаты опытов по определению ℓ_р и расчету U_эф

№ пп.	Материалы	ℓр, мм	Молярная концентрация элемента	Uэф, эB
Fe	K	O	N	C	F	Ca
	Электрод без покрытия		0,4		0,15	0,45
	Электрод без покрытия + CaCO3		0,45		0,05	0,01	0,05		0,35
	Электрод без покрытия + CaF2		0,3		0,05	0,1		0,4	0,05
	Электрод без покрытия + К3Fe(СN)6		0,3	0,15	0,1	0,2	0,2
	Электрод МР-3		0,4	0,05	0,05	0,07	0,2		0,1

 

8. По данным столбцов 11 и 3 таблицы 2.2 построить график квадратичного уравнения регрессии ℓ_р(U_эф) и определить коэффициент корреляции с использованием пакета программ Microsoft Excel.

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Методика проведения опытов.

3. Схема экспериментальной установки.

4. Заполненная таблица 2.2.

5.График уравнения регрессии ℓ_р(U_эф) с экспериментальными точками.

6. Выводы с указанием основных факторов, влияющих на устойчивость горения дугового разряда.

 

2.6. Контрольные вопросы

1. Какие процессы происходят в столбе дуги?

2. Что называется потенциалом ионизации?

3. Дайте определение эффективного потенциала ионизации и формулу для его определения. Как влияет он на проводимость столба дуги?

4. Какие элементы вводят в плазму дугового разряда для повышения его стабильности?

5. Порядок проведения работы.

6. Критерий устойчивости дугового разряда, применяемый в работе.

7. Краткое описание лабораторной установки.

8. Способ возбуждения дугового разряда.

 

Лабораторная работа № 3