Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Методика проведения опытов.

3. Схема экспериментальной установки.

4. Заполненная таблица 2.

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

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

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

Изучение дуги постоянного тока

С неплавящимся электродом

Цель работы

Ознакомление со строением дугового разряда постоянного тока, опреде­ление коэффициентов уравнения дуги, построение вольтамперных характери­стик (ВАХ), изучение влияния полярности дуги на стабильность ее горения и стойкость неплавящегося электрода.

Теоретическое введение

Дуга – устойчивый электрический разряд в сильно ионизированной смеси газов и паров металлов, отличающийся высокой температурой и высокой плот­ностью тока. Дуговой разряд находит широкое применение в сварочном произ­водстве благодаря простоте оборудования и высокой стабильности и управляе­мости процесса.

В дуговом разряде выделяются три области: анодная протяженностью ℓ_a, катодная ℓ_k и столб дуги ℓ_c (рис. 6).

U_a U_c U_k

ℓ_k катодная область

столб дуги

ℓ_c анодная область

Рис.3. Схема дугового разряда

В анодной и катодной области наблюдаются значительные падения на­пряжения, вызванные концентрацией заряженных частиц. На поверхности ано­да и катода образуются соответствующие пятна дуги, характеризуемые ярким свечением вследствие высокой концентрации энергии. Они являются основа­ниями столба дуги.

Общая длина дуги

ℓ_д = ℓ_а + ℓ_k +ℓ_c. (3)

Но т.к. ℓ_а  10^-2 мм, а ℓ_k  10^-4 мм, т.е. ничтожно малы по сравнению с протяженностью столба дуги, то практически ℓ_д =ℓ_с.

Общее напряжение на дуге равно сумме падений напряжений соответст­вующих областей

U_д = U_a + U_k + U_c. 4)

U_д линейно зависит от ℓ_д:

Uд = а + bℓ_д, (5)

где а = U_a + U_k, зависит от материала электродов и атмосферы дуги;

b – градиент потенциала в столбе дуги, зависит от материала электродов и атмосферы дуги.

Для определения коэффициентов а и b уравнения (5) на основании дан­ных эксперимента рассчитывается линейное уравнение регрессии U_д(ℓ_д).

При сварке неплавящимся электродом (уголь, вольфрам) конструкционных металлов и сплавов (стали, алюминий , титан и т.д.) дуга горит между электродами с резко различающимися теплофизическими свойствами, что обуславливает различие в температуре их нагрева, которая не превышает температуру их кипения. Температура нагрева катода является важнейшим фактором, влияющим на плотность тока термоэлектронной эмиссии и, следовательно, устойчивость дугового разряда. Согласно уравнению Ричардсона - Дешмена плотность тока термоэлектронной эмиссии j_Т равна

(6)

где А – эмиссионная постоянная, равная 120 А/см²·^оК

φ – работа выхода электрона из эмиттера;

Т– абсолютная температура;

k – постоянная Больцмана, равная 1,38·10^-23 Дж/^оК

Полярность подключения (положение катода и анода на неплавящемся электроде и изделии), определяющая теплофизические условия на катодном пятне, прямо влияет на устойчивость дугового разряда и скорость эрозии неплавящегося электрода. За показатель устойчивости дуги в работе принята разрывная длина дуги, а степени стойкости угольного электрода – изменение твердости наплавленного металла за счет насыщения его углеродом угольного электрода.