Лаб раб 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ (Много всего по лабораторным работам)

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана

Кафедра – Технологии сварки и диагностики

Название дисциплины

«Физические основы источников энергии при сварке»

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

Исследование ионизирующего действия

Компонентов электродных материалов

Москва

ИССЛЕДОВАНИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ

КОМПОНЕНТОВ ЭЛЕКТРОДНЫХ ПОКРЫТИЙ

Цель работы: Изучение влияния ионизирующих свойств компонентов

электродных покрытий на устойчивость горения дуго­вого разряда при ручной дуговой и автоматической сварке под флюсом.

Содержание работы:

При сварке плавлением необходимо, чтобы дуговой разряд, являю­щийся основным источником тепла, обладал высокой устойчивостью. Особенно важно выполнение такого требования при ручной дуговой сварке покрытыми электродами.

Одним из методов повышения устойчивости сварочной дуги является введение ионизирующих компонентов в электродное покрытие, основное назначение которого заключается в металлургической обработке ме­талла сварочной ванны (раскисление, легирование, рафинирование).

Возникновение дугового разряда между электродом и свариваемым металлом обусловлено процессом ионизации газовой атмосферы в меж­электродном (дуговом) пространстве.

Этот процесс может протекать несколькими путями: ионизация за счёт уда­ров (неупругих) атома или молекулы железа, марганца, кремния и других элементов, входящих в состав сварочной проволоки, сваривае­мого металла, компонентов покрытия и флюсов, а также газообразных продуктов; за счёт тепла дугового разряда (термоионизация); за счёт квантов лучистой энергии (фотоионизация); за счёт напряжён­ности электрического поля (автоионизация).

Каким бы путём не шёл процесс ионизации, а в сварочных дугах преобладает процесс термоэлектронной ионизации, она сопровождается затратой энергии. Ионизация происходит главным образом по уравне­нию;

М^О + A_i = М⁺ + е₀ – Q(I) (1)

где:

М⁰ - нейтральная молекула (атом);

A_i - энергия ионизации, эВ;

М⁺ - положительный ион (для некоторых элементов – O₂, F (фтор) и др. об­разуются отрицательные ионы;

е₀ - свободный электрон (заряд электрона 1,6∙10^-19 К);

Q - тепловой эффект, отрицательный при образование положи-
тельного иона .

Чем ниже потенциал ионизации атома или молекулы, тем легче получить

проводящую электрический ток газовую среду, необходимую для поддер­жания дугового разряда.

Поэтому для повышения устойчивости горения сварочной дуги, оп­ределяемой обычно длиной дугового промежутка при естественном обры­ве дуги, в состав электродных покрытий и флюсов вводят вещества с низким потенциалом ионизации. К ним относятся соли щелочных металлов натрия, калия, кальция, магния. Методика оценки ионизирующих свойс­тв компонентов покрытия разработана академиком К. К. Хреновым.

В таблице 1 приводятся значения потенциала ионизации различных элементов, которые могут входить в состав компонентов электродных покрытий, а также в состав свариваемого металла и сварочной прово­локи. Как видно из таблицы потенциал ионизации элементов изменяется в широких пределах.

В реальных условиях приходится иметь дело не с потенциалом ионизации чистого элемента (U_j), а с эффективным потенциалом иони­зации (U_эф) газовой смеси, расчет которого был выполнен В.В. Фроловым. При необходимости он может быть подсчи­тан с помощью следующего уравнения:

(2)

где T - абсолютная температура, К (градусы Кельвина);

γ - концентрация компонента (молярная доля);

U_i - потенциал ионизации i–го элемента газа или пара в газовой смеси k (эВ);

Таким образом, эффективный потенциал ионизации газовой смеси, а следовательно длина дугового промежутка, как критерий устойчивости сварочной дуги, зависит от температуры столба дуги (Т_д = 5000-6000 К), упругости пара (через скорость испарения данного элемента), определяющего концентрацию легкоионизирующихся атомов в атмосфере дуги и потенциала ионизации каждого из элементов, входящих в состав пок­рытия.

Как видно из уравнения 2, наличие даже небольших концентраций веществ, куда входит элемент с низким потенциалом ионизации (щелоч­ные металлы), резко снижает эффективный потенциал ионизации (U_эф ). Поэтому в покрытия электродов вводят легкоионизирующихся веществ в количестве, не превышающем 8-10 % (рис 1).

Оборудование и материалы.

1.Сварочный пост переменного тока.

2. Защитная маска или щиток.

3. Штатив для закрепления электрода (сварочной проволоки).

4. Электрод угольный диаметром 4-6 мм. для замыкания межэлектродного пространства.

5. Щетка для удаления остатков исследуемых веществ.

6. Электроды стальные (сварочная проволока Св-08) диаметром 4мм.

7. Электроды покрытые (ОMM-5, ЦМ-7 или другой марки).

8. Плавленые флюсы (ОCЦ-45, AH-2о или другой марки).

9. Исследуемые вещества, входящие в состав компонентов покрытий и флюсов: песок (SiO₂ ), каолин (Al₂O₃∙SiO₂∙2H₂O), мел (СаСОз), поташ (К₂С0₃), плавиковый шпат (CaF₂)_, красная кровяная соль (К₃Fe(CN)₆), титановый концентрат ( 38% TiO₂∙ 52% FeO ∙5% Al₂O₃ ∙5% SiO₂). ферро­марганец (75% Мn ) ферросилиций (70-78% Si), ферротитан ( % Тi) и др.

Порядок выполнения работы.

1. Заготовить стальные электроды (6-8 штук).

Отрезать с обоих торцев , если они есть, капли ножевкой и зачистить электроды шкур­кой до блеска.

2. Закрепить электрод в штативе (рис 1). Установить торец электрода (3) на расстоянии 2 мм от стальной пластины 1 , лежащей на основании штатива. Поднять и повернуть ручку 5, подключив тем самым один из полюсов источника питания. Включить ис­точник питания и с помощью угольного стержня, с заточенным концом, возбудить ду­говой разряд, замыкая на очень короткое время межэлектродное пространство как показано на рис. 1 б.

Дать дуге догореть до естественного обрыва и, отведя в сторону рукоятку (5), с помощью рукоятки 4 по шкале измерить расстояние между нижним торцем электрода, оплавленным дугой и наплавленной каплей электродного металла на пластине 1 (рис. 1 в).

3. Подготовить штатив со стальным электродом как в первом опыте, но нижний торец электрода засыпать испытуемым веществом (мелом, по­ташем и т.д.) как показано на рис 1. (Засыпать надо каким либо од­ним веществом). Осторожно, стараясь не рассыпать вещество, замкнуть угольным стержнем стальной электрод и пластинку так, чтобы возбудилась дуга. Подождать пока дуга горит до естественного её обрыва, после чего как и в первом опыте измерить расстояние между наплавкой и торцем электрода. Опыт с каждым исследуемым веществом (как и с голым или покрытым электродами ) повторить не менее трёх раз.

Рис.1 Схема установки для определения разрывной длины дуги

Таблица 1. Значения первых потенциалов ионизации (U_i ) элементов.

Примечание.

1. Перед выполнением очередного опыта необходимо тщательно удалять щёткой остатки компонента со стальной пластины, следить за тем, чтобы они попали между основанием штатива и пластиной, иначе дуга не будет возбуждаться.

2. При измерении длины дуги наплавленный электрод­ный металл надо освобождать от шлака.

3. При проведении опытов с ферромарганцем и с красной кровяной солью исходный межэлектродный промежуток следует несколько увеличить (до 2-3 мм.), чтобы исключить возможность короткого замыкания за счёт этих веществ и не­ возбуждение дуги, Данные опытов свести в таблицу.

Содержание отчёта.

1. Схемы подключения установки к источнику питания и измерения разрывной длины дуги,

2. Таблицу с результатами разрывных длин дуги ( l₁, l₂, l₃) и их средним значением для каждого из испытуемых компонентов (l_ср).

3. График с изображением полученных результатов в виде столбца этой диаграммы. По оси ординат среднее значение l_ср, по оси абсцисс наименование испытуемого компонента. Показать разброс данных ( l₁, l₂, l₃).

Контрольные вопросы.

1. Чем отличаются первые потенциалы ионизации элементов от эффек­тивного потенциала ионизации?

2. Какие значения параметров необходимо знать, чтобы подсчитать эффективный потенциал ионизации?

З. Проанализировать полученные результаты и дать оценку влияния потенциала ионизации на устойчивость горения дугового разряда в про­цессе сварки.

4. 0т каких элементов в первую очередь будет зависеть устойчивость горения дуги?

5. Какое количество (примерно) компонентов с низким эффективным потенциалом ионизации достаточно ввести в состав покрытий, чтобы заметно улучшить стабильность горения дуги?

7