Главная | Обратная связь

ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Лабораторна робота № 2

ІОНІЗУЮЧА ДІЯ КОМПОНЕНТІВ ЕЛЕКТРОДНОГО ПОКРИТТЯ

 

Мета роботи

Встановити вплив типу електродного покриття та його окремих ком­понентів на сталість горіння зварювальної дуги.

 

ЗАДАЧІ

 

1. Ознайомитися з методикою оцінки сталості горіння зварювальної дуги по її розривній довжині.

2. Оцінити вплив типу електродного покриття на розривну довжину зва­рювальної дуги.

3. Вивчити вплив окремих компонентів, що звичайно є у складі елек­тродного покриття на сталість горіння зварювальної дуги за експе­риментальною та розрахунковою методиками.

4. Визначити зв'язок між іонізуючою властивістю окремих компонентів та стабільністю існування дугового розряду.

5. Оцінити вплив полярності на сталість горіння зварювальної дуги.

МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ

1. Експериментальна методика визначення розривної довжини зварю­вальної дуги.

2. Спільне розв'язання рівняння Саха (Saha), рівняння Фролова, рів­няння Хрєнова.

 

ОБЛАДНАННЯ ТА МАТЕРІАЛИ

 

· Джерело живлення зварювальної дуги - випрямляч ВС-300Б.

· Баластний реостат РБ-300.

· Пристрій для визначення розривної довжини дуги - штатив із ре­гульованим в вертикальному напрямку електродним затискачем і пру­жиною.

· Вольтметр.

· Мілівольтметр з відповідним шунтом.

· Штангенциркуль.

· Штучні покриті електроди УОНІ-13/55, АНО-21 та голий сталевий дріт діаметрами 3 мм.

· Порошки окремих компонентів електродного покриття: флюориту СаБ2, мармуру СаС03, кварцового піску 8і02 та рутилу Ті02.

· Пластина з низьковуглецевої сталі, розмірами 100x100x10 мм.

 

ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

 

Широкого застосування набула методика оцінки сталості горіння зва­рювальної дуги за її розривною довжиною запропонована академіком К. К. Хрєновим. Розповсюдженість цієї методики пояснюється її надзви­чайною простотою та наочністю.

Розривною довжиною зварювальної дуги називають її довжину у момент природного обриву. Більшій сталості горіння зварювальної дуги відповідає її більша розривна довжина. Таким чином, знаходячи розривну довжину зварювальної дуги, ми посередньо оцінюємо сталість її горіння.

Для встановлення впливу типу електродного покриття на сталість го­ріння зварювальної дуги, знайдемо розривну довжину дуги для електродів основного типу (УОНІ-13/55), рутилового типу (АНО-21) та голого стале­вого дроту без обмазки.

Для встановлення впливу окремих компонентів електродного по­криття на сталість горіння зварювальної дуги, знайдемо розривну довжину дуги, що послідовно збуджується між голим дротом без обмазки та ста­левою пластиною, на яку насипано шар порошку, що складається від­повідно з чистого флюориту СаР2, кварцового піску 8Ю2, мармуру СаС03 та рутилу Ті02.

Необхідною умовою сталого горіння зварювальної дуги являється до­статня кількість вільних електронів у її стовпі. Вільні електрони утворю­ються внаслідок іонізації газової атмосфери дугового проміжку, в ході прямого протікання реакції іонізації нейтральних атомів:

 

де А⁰ - нейтральний атом; А⁺ - позитивний іон; е₀ - електрон.

Більшій сталості горіння зварювальної дуги відповідає більша кількість вільних електронів та більший ступень термічної іонізації плазмоутворюючого газу у стовпі зварювальної дуги. Для обчислення ступеня термічної іонізації газів користуються рівнянням Саха, яке для зовніш­нього нормального атмосферного тиску в системі одиниць СІ має вигляд:

 

, (4)

або

.

де х - ступень термічної іонізації газу; а - квантовий коефіцієнт (табл. 2); Т - середня температура плазми зварювальної дуги, К; U_i - потенціал іоні­зації плазмоутворюючого газу в стовпі дуги, В., р - тискгазу, Па; А_i - енергія іонізації, Дж, ; U_i - потенціал однократної іонізації, еВ (табл.1).

 

Таблиця 1 Потенціал однократної іонізації U_i деяких атомів і молекул

Елемент (речовина)	Н	Н2	С	N	N2	O	O2	Ne	F
Ui, еВ	13,5	15,4	11,22	14,5	15,8	13,3	13,5	21,5	18,6
Елемент (речовина)	Na	Mg	Al	Si	Аr	ДО	Ca	Mn	Fe
Ui, еВ	5,11	7,61	5,95	7,94	15,7	4,33	6,08	7,4	7,83
Елемент (речовина)	СО	CO2	H2O	He	Ti	Ni	Сr	Co	Cs
Ui, еВ	14,1	14,4	13,0	24,5	6,8	7,64	6,74	7,81	3,9

Таблиця 2. Значення квантового коефіцієнта для газів і пар

Газ

Н

С

N

O

Na

Al

Si

Аr

К

Mn

Fe

Ca

Mg

Ti

Ni

Cr

Co

He

Cu

Nb

La

W

Th

а2

4/3

3/2

8/3

4/3

7/3

12/5

4/3

8/3

8/7

5/2

8/5

4/3

Група період. системи

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

a2

4/3

3/2

8/3

 

В реальних умовах зварювання газова атмосфера стовпа дуги, як пра­вило, складається із суміші кількох газів і парів металів. Суміш двох, або кількох газів іонізується інакше, ніж кожна з цих речовин окремо, тому що вільні електрони в цьому випадку будуть спільними для всіх складових га­зової суміші.

 

Для спрощених розрахунків ступені іонізації суміші плазмоутворюючих газів / парів металів стовпа дуги можна використовувати рівняння (2.1), але в ньому замість значення потенціалу іонізації плазмоутворюючого газу U_i необхідно підставити значення ефективного потенціалу іоні­зації цієї суміші. Для його обчислення користуються наступною залеж­ністю, відомою нині як рівняння В. В. Фролова

, (5)

де U₀- ефективний потенціал іонізації суміші плазмоутворюючих газів, В; К - кількість газів у суміші; ν_i = h_i/h - концентрація компонента в суміші.

 

Температура суміші плазмоутворюючих газів у стовпі зварювальної дуги, у свою чергу, також залежить від їх ефективного потенціалу іонізації. Ця залежність для ручного дугового зварювання покритим електродом описується рівнянням К. К. Хрєнова

(6)

 

Таким чином, кожна суміш плазмоутворюючих газів, являється тер­модинамічною системою з нульовим ступенем свободи, тобто для заданого зовнішнього тиску кожному складу суміші відповідає своя (унікальна) комбінація значень температури, ефективного потенціалу іонізації та сту­пеня термічної іонізації. Для спільного розв'язання системи рівнянь (2.1)...(2.3) з точністю розрахунків по температурі до 10 К може бути використаний алгоритм послідовних наближень, представлений на рис. 2.

При введенні до складу електродного покриття флюориту СаF₂, стовп зварювальної дуги збагачується продуктами його дисоціації за реакцією:

 

 

Кварцовий пісок SіO₂, мармур СаСО₃ і рутил ТіO₂ в плазмі дути при­сутні у вигляді продуктів їх часткової дисоціації - газів, що далі дисо­ціюють за наступними схемами:

 

Таким чином, для розрахункової оцінки впливу на сталість горіння зварювальної дуги окремих компонентів електродного покриття необхідно обчислити температуру, ефективний потенціал та ступень іонізації су­мішей газів, які утворюються внаслідок термічної дисоціації відповідних компонентів електродного покриття.

Для того, щоб встановити, порошок якого саме компоненту електрод­ного покриття насипано на металеву пластину, необхідно порівняти зна­чення розрахункового ступеня термічної іонізації суміші газів та експе­риментально встановлені значення розривної довжини зварювальної дуги.

Більшим значенням розривної довжини зварювальної дуги відповідають більші значення ступеня термічної іонізації.

Рис. 2. Алгоритм спільного розв'язання системи рівнянь (2.1).. .(2.3) методом послі­довних наближень.