Сапожков С.Б., Зернин Е.А., Сабиров И.Р. Теория сварочных процессов. Лабораторный практикум

Подождите немного. Документ загружается.

Поле, создаваемое такой обмоткой, называется продоль-

ным, так как вектор магнитной индукции его совпадает с на-

правлением напряженности электрического магнитного поля в

столбе дуги (рис. 1.10).

Ucв

Рис. 1.10. Продольное магнитное поле

Такое магнитное поле искривляет путь заряженных час-

тиц в столбе дуги. Они перемещаются со спиралеобразными

линиями. Причем при совпадении векторов напряженности

электрического поля дуги продольного магнитного поля отри-

цательно заряженные частицы вращаются по часовой стрелке,

а положительно заряженные – против часовой стрелки. Так как

скорости диффузии заряженных частиц в квазинейтральном

столбе дуги равны (

iе

), а массы электронов значительно

меньше масс ионов (

), то импульсы, передаваемые при

столкновениях ионов с нейтральными частицами, будут значи-

тельно больше импульсов, передаваемых при столкновениях

электронов с нейтральными частицами. Поэтому плазма столба

дуги придет во вращательное движение, соответствующее

движению положительно заряженных ионов, т.е. столб дуги

будет вращаться против часовой стрелки.

Так как обычно линии тока дуги не совпадают с осью

электрода (магнитного поля), то появляющаяся сила взаимо-

действия радиальной составляющей тока дуги с магнитным

полем придает столбу дуги вращательное движение вокруг оси

электрода. Частота вращения столба дуги увеличивается с рос-

том тока дуги и индукции магнитного поля и достигает

200…1000 об/с. В результате такого движения столб дуги ста-

новится полым конусом, диаметр основания которого увели-

чивается с увеличением напряженности магнитного поля и си-

лы сварочного тока.

Явление вращения столба дуги в продольном магнитном

поле дает положительный эффект. Во-первых, вращение плаз-

мы увеличивает запас ее кинетической энергии, что положи-

тельно сказывается на устойчивости дуги в пространстве; во-

вторых, вместе с плазмой происходит во вращение и жидкий

металл сварочной ванны, что благоприятно сказывается на

кристаллизации металла и формировании шва. Кроме того,

вращающаяся (конусная) дуга используется для приварки тон-

ких трубок к трубным доскам различных теплообменных аппа-

ратов.

4. Методика выполнения лабораторной работы

I. Определить влияние на дуговой разряд наличия маг-

нитного поля, которое может изменять направление легкопод-

вижных заряженных частиц в столбе дуги.

1) собрать сварочную цепь (получение поперечного

магнитного поля);

2) собрать и проверить систему газоснабжения, устано-

вить расход газа 5…7 л/мин;

3) подсоединить катушки к выпрямителю ВСА-5К;

включить источник питания ТИР-315;

4) возбудить сварочную дугу на постоянном напряже-

нии с помощью угольного электрода. Обратить внимание на

форму дуги, стабильность горения, длину;

5) подать напряжение на катушку для отклонения дуги

вправо. Обратить внимание на форму дуги и примерно оценить

величину ее отклонения (а, мм);

6) переключить напряжение на катушках с целью от-

ключения дуги влево. Обратить внимание на форму и пример-

но оценить величину ее отклонения (а, мм);

7) подать переменное напряжение на катушки. Обра-

тить внимание на форму дуги и примерно оценить амплитуду

колебания дуги (а, мм);

8) установить на выпрямителе несколько значений тока

управления. Примерно оценить величину отклонения дуги в

каждом случае. Данные занести в таблицу;

9) построить график зависимости;

10) отключить сварочный и управляющий токи по окон-

чании опыта;

11) отключить от схемы приспособление для поперечно-

го магнитного поля.

II. Исследование использования поперечного магнитного

поля при сварке кольцевых швов труб «бегущей» дугой.

1) подсоединить к системе приспособление для полу-

чения «бегущей» дуги;

2) включить источник питания ТИР-315 и возбудить

дугу;

3) обратить внимание на форму горения дуги, ее пере-

мещение по периметру свариваемых труб;

4) изменить силу тока управления на катушке и обра-

тить внимание на характер поведения дуги;

5) отключить сварочный и управляющий токи по окон-

чании опыта;

6) разобрать схемы.

III. Исследование влияние на дуговой разряд внешнего

продольного магнитного поля.

1) собрать сварочную цепь (получение внешнего маг-

нитного поля);

2) собрать и проверить систему газоснабжения, устано-

вить расход газа 5…7 л/мин;

3) включить источник питания ТИР-315 и возбудить

дугу;

4) обратить внимание на форму горения дуги;

5) подать напряжение на катушки;

6) обратить внимание на форму горения дуги, ее пере-

мещение;

7) изменить силу тока управления на катушке и обра-

тить внимание на характер поведения дуги;

8) разобрать схемы;

9) сделать отчет о выполненных работах.

ПРИМЕЧАНИЕ Приспособления для получения попе-

речного магнитного поля и «бегущей» дуги, а также продоль-

ного магнитного поля рассчитаны на кратковременный режим

работы на малых токах.

5. Формы таблиц, рекомендуемых для записи измеряемых

свойств объекта исследования

Таблица 1.2

№№

пп

Ток

управления, А

Величина

отклонения, мм

Отклонение дуги

вправо

Отклонение дуги

влево

6. Типовые вопросы для контроля и самоконтроля

студентов

1. Какое магнитное поле называют продольным?

2. Какое магнитное поле называют поперечным?

3. Как влияет поперечное магнитное поле на дуговой раз-

ряд?

4. В чем отличие поперечного и продольного магнитных

полей?

5. Преимущества и недостатки «бегущей» дуги. Где при-

меняют этот технологический прием?

РАЗДЕЛ 2. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ

2.1. НАГРЕВ И РАСПЛАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДА

1. Цель работы:

1. Ознакомиться с методиками экспериментального опре-

деления нагрева электрода и коэффициента неравномерности

его плавления и с методикой расчета нагрева электрода теплом

дуги и джоулевым теплом.

2. Получить опытные данные о нагреве электрода и ко-

эффициенте неравномерности его плавления.

3. Выполнить расчет нагрева электрода и сравнить рас-

четные данные с результатами экспериментов.

2. Оборудование, приборы и материалы

1. Сварочный пост с источником тока, оснащенный ам-

перметром и вольтметром.

2. Термопара с соответствующим милливольтметром.

3. Приспособление для замера нагрева электрода

(рис. 2.1).

4. Секундомер.

5. Линейка стальная.

6. Электроды стальные голые и с толстым (качественным)

покрытием.

3. Краткая характеристика объекта исследования

В процессе горения дуги происходит нагрев электрода как

проходящим по нему током, так и сварочной дугой. Так как

температура нагрева электрода током с течением времени уве-

личивается, то и скорость его плавления при неизменной силе

тока увеличивается. Следовательно, электрод в процессе свар-

ки плавится неравномерно. Это оценивается коэффициентом

неравномерности плавления электрода – отношением конечной

скорости плавления к начальной.

Неравномерность плавления электрода – явление не же-

лательное, поэтому указанный коэффициент должен быть не-

большим – 1,3. С этой целью ограничивают плотность прохо-

дящего по электроду тока (силу сварочного тока). Например,

для электрода 5 мм j≤12 А/мм

, а I

св

≤250 А.

При выполнении данной работы изучают процесс нагрева

электрода теплом Джоуля-Ленца и теплом дуги и определяют

неравномерности его плавления.

4. Методика выполнения лабораторной работы

1. Изучение нагрева электрода.

Для определения нагрева электрода теплом Джоуля-

Ленца в средней части его очищенной от покрытия, закрепля-

ют термопару, а затем включают его в короткозамкнутую цепь

источника сварочного тока, предварительно отрегулировав ве-

личину тока.

После включения тока через каждые 5с, замеряют темпе-

ратуру электрода по показаниям подключенных к термопарам

милливольтметров. Результаты замеров сводим в таблицу 2.2.

Для определения влияния тепла дуги на нагрев электрода

с помощью термопары определяют его температуру во время

горения дуги. Термопару закрепляют в верхней части электро-

да на достаточно большом расстоянии от контактов электродо-

держателя (около 100 мм). Сварочный ток при сварке должен

быть таким же, как и в опыте без горения дуги.

По результатам опытов строят термические циклы нагре-

ва электрода и после соответствующего анализа делают выво-

ды.

2. Определение коэффициента неравномерности плавле-

ния электрода.

Расплавляемую во время опыта часть электрода делят на

пять равных участков (по 80 мм каждый), обозначая границы

между участками тонкими меловыми линиями.

М е с т о к р е п л е н и я т е р м о п а р ы к э л е к т р о д у

Рис. 2.1. - Приспособление для определения нагрева электрода прохо-

дящим током

Поддерживая постоянное значение сварочного тока и на-

пряжения дуги, расплавляют электрод и определяют по секун-

домеру длительность плавления каждого участка и всего элек-

трода. Результаты опыта заносят в таблицу 2.3. Для получения

более точных данных опыт повторяют трижды и вычисляют

среднее время плавления каждого участка и всего электрода.

Определяют коэффициент неравномерности плавления

электрода α по отношению среднего времени расплавления

первого участка t

к среднему времени плавления пятого уча-

стка t

(2.1)

Полученные данные о нагреве и плавлении электрода не-

обходимо проанализировать и сделать выводы.

Производительность процесса сварки (наплавки) и каче-

ство сварного соединения зависят от скорости расплавления

электрода, которая в свою очередь, определяется нагревом.

Нагрев электрода, при дуговой сварке происходит за счет

выделения джоулева тепла по всей длине электрода, по кото-

рой протекает сварочный ток, а также за счет тепла дуги, вы-

деляющегося в активном пятне, расположенном на торце элек-

трода (рис. 2.2).

Э л е к т р о д

И з д е л и е

C B

Рис. 2.2. Схема двух источников тепла, нагревающих электрод: q

–

джоулево тепло, выделяющееся от проходящего по электроду тока; q

– тепло ду-

ги

3. Расчет начинают с выбора расчетной схемы. Дугу мож-

но представить сосредоточенным плоским источником тепла,

вводящим тепло в электрод через его торец. Тепло, выделяемое

на всей длине электрода от токоподводящего контакта до дуги,

можно представить в виде объемного источника.

Тепло дуги нагревает лишь прилегающий к торцу участок

электрода длиной не более 10 мм. Нагрев электрода током зна-

чителен при высоких плотностях тока в электроде.

На основе принципа суперпозиции (наложения) суммар-

ная температура нагрева электрода:

ДТ

ТТТ

(2.2)

где T

, T

– температура, получаемая за счет нагрева элек-

трода теплом Джоуля–Ленца и дуги соответственно.

Для определения T

используется уравнение:

ПРТТ

eТТТДТДТД )/()()/()(

00111

(2.3)

где

тДА ,,

опытные постоянные (Таблица 2.1).

ТjdтТ

cПР

(2.4)

где T

пр

– предельная температура, наступающая при бес-

конечно длительном протекании данного тока по электроду,

С;

– диаметр электродного стержня, см;

j – плотность тока в электроде, А/см

;

– температура предварительного нагрева электрода

(окружающей среды),

С;

t – время, с.

Задавшись значением в заданном интервале (например,

при t=0÷150 с), рассчитывают T

. По результатам расчета стро-

ят кривую нагрева электрода джоулевым теплом.

ПРИМЕЧАНИЕ. При анализе и сопоставлении расчет-

ных и экспериментальных данных следует иметь ввиду, что

приведенные уравнения справедливы при нагреве не выше

800

С.

Таблица 2.1

Опытные величины А, Д

, m для некоторых режимов сварки

Тип электрода

Род тока

А,

мм

С/

·сек

мм

С/А

Проволока

Покрытие

Малоугле-

родистая

сталь

Меловое

постоянный

переменный

3,1

3,7

240

300

2,65

ОММ-5

УОНИ

13/45(55)

постоянный

переменный

2,4

2,7

200

240

2,50

Температуру T

от нагрева электрода теплом дуги нахо-

дят по уравнению:

/exp ТaxТТТ

КД

(2.5)

где T

– температура капель электродного металла;

– начальная температура;

v – скорость плавления электрода, см/с (определяется по

данным работы);

х – расстояние от торца электрода до точки, в которой

рассчитывается температура, см;

а – коэффициент температуропроводности материала,

см

/с (для малоуглеродистой стали а=0,08).

Для выполнения расчета на ЭВМ необходимо подгото-

вить таблицу исходных данных, вводимых в ЭВМ.

Расчет температур нагрева электрода током производят в

следующем порядке:

1) выбирают из таблиц постоянные А, Д

;

2) определяют

;

А/мм

;

3) находят

ПР

из выражения (2.4);

4) вычисляют

из выражения (2.3);

5) из уравнения (2.5) определяют значение T

;

6) находят значение Т из уравнения (2.2).

Полученный расчетом график

tТ

необходимо совместить

в одних координатных осях и сделать выводы о соответствии

расчета и эксперимента.

При выполнении данной работы возможно поражение

электрическим током, а также тепловое и световое излучение

сварочной дуги и ожоги брызгами расплавленного металла.