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

Подождите немного. Документ загружается.

При наплавке контрольных валиков каждый последую-

щий валик следует наплавлять на пластину, охлажденную до

комнатной температуры, так как при наплавке на подогретую

(за счет наложения предыдущего валика) пластину изменяются

геометрические размеры шва (увеличится глубина и площадь

проплавления).

После наплавки каждого валика его следует клеймить во

избежание путаницы в результатах.

Длину сварочной ванны и ее ширину можно определить

по лицевой поверхности наплавки в конце валика в области

кратера. Глубину и площадь проплавления следует измерять

по излому или по макрошлифу в поперечном сечении наплав-

ки.

Измерения требуемых размеров шва в поперечном сече-

нии можно производить как с помощью инструментального

микроскопа, так и штангенциркулем, но и по разметочным ли-

ниям, параллельным и перпендикулярным поверхности пла-

стины. После графических зависимостей с точками, получен-

ными экспериментально-расчетным путем, с обозначением ко-

ординат и размерностей исследованных величин должно зани-

мать не менее чем половину тетрадной страницы. Рекоменду-

ется при построении графических зависимостей пользоваться

миллиметровой бумагой.

5. Формы таблиц, рекомендуемых для записи измеряемых

свойств объекта исследования

Таблица 2.8

I,A

V,см/c

L,см

H,см

, см

В,см

ПР

, см

см

6. Типовые вопросы для контроля и самоконтроля

студентов

1. Какие геометрические размеры сварного шва или на-

плавленного валика определяют эффективность процесса про-

плавления?

2. Какими способами можно определить длину сварочной

ванны, ее ширину? Глубину проплавления?

3. Что называется термическим к.п.д. процесса проплав-

ления?

4. Как влияет значение силы сварочного тока на геомет-

рические характеристики зоны проплавления (по эксперимен-

тальным данным)?

5. Как влияет значение скорости сварки на геометриче-

ские характеристики зоны проплавления (по эксперименталь-

ным данным)?

2.5. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В КОНТАКТЕ

НАКОНЕЧНИК – СВАРОЧНАЯ ПРОВОЛОКА

1. Цель работы:

Изучить тепловые процессы в контакте наконечник – сва-

рочная проволокам протекающие при сварке в углекислом га-

зе.

2. Оборудование, приборы и материалы

1. Сварочный пост для автоматической дуговой сварки

под флюсом или в СО

2. Сварочная проволока.

3. Специально подготовленный наконечник.

4. Цифровой термометр.

5. Стальные пластины.

6. Секундомер.

3. Краткая характеристика объекта исследования

Широкое использование механизированной сварки пла-

вящимся электродом в машиностроении и необходимость

дальнейшего повышения ее эффективности повышают требо-

вания ко всем узлам сварочных аппаратов, в том числе и к де-

талям, применяемым в сварочных горелках. Эксплуатационные

свойства горелок для дуговой сварки плавящимся электродом

во многом определяются качеством контактного наконечника

и, прежде всего, его износостойкостью.

В процессе сварки при прохождении электродной прово-

локи электродопроводящий канал наконечника подвергается

износу. Этот процесс характеризуется двумя видами изнаши-

вания – механическим и электроэрозионным. Износ электро-

допроводящего канала неравномерен по длине. Максимальный

износ наблюдается на выходном участке канала наконечника

вблизи торца. Известно, что основная доля тока протекает че-

рез точки контактирования вблизи торцевой части контактного

наконечника. Этим объясняется высокая электрическая и теп-

ловая загрузка данного участка. Другим параметром, влияю-

щим на электроэрозионный износ контактного наконечника,

является сопротивление в контакте. Его величина составляет

не менее 80% от общего сопротивления цепи контактный на-

конечник – изделие.

Нагрев контактного наконечника в процессе сварки вы-

зывает существенные изменения в структуре и свойствах мате-

риала, из которого он изготовлен и, как следствие, существен-

ным образом влияет на процесс токопередачи. Кроме того, на-

грев контактного наконечника вызывает уменьшение твердо-

сти материала, из которого он изготовлен, что увеличивает ме-

ханический износ.

По данным машиностроительных предприятий эксплуа-

тационная стойкость контактного наконечника составляет в

среднем одну рабочую смену.

4. Методика выполнения лабораторной работы

1. В наконечник со специально подготовленными отвер-

стиями диаметром d установить хромель-алюмелевые термо-

пары, подключенные к цифровым термометрам (рис. 2.10).

2. Измерения температуры производятся параллельно в

двух точках, находящихся в одной плоскости, перпендикуляр-

ной оси наконечника. Схема эксперимента представлена на ри-

сунке 2.11.

3. После измерения температуры в первых двух точках

наконечник охлаждается до начальной температуры, а затем

производятся измерения в следующих двух точках и т.д.

4. Эксперименты по измерению температур нагрева кон-

тактного наконечника производить при постоянной длине l,

постоянной скорости сварки и расходе защитного газа.

5. Опыты произвести на различных режимах сварки.

6. Полученные результаты занести в таблицу и построить

график зависимости нагрева наконечника от времени.

Рис. 2.10. – Контактный наконечник

с в

Рис. 2.11. – Схема эксперимента: 1 – наконечник; 2 – цифровой термо-

метр; 3 – секундомер; 4 – пластина

5. Формы таблиц, рекомендуемых для записи измеряемых

свойств объекта исследования

Таблица 2.9

Время t,сек

Температура

нагрева, T

6. Типовые вопросы для контроля и самоконтроля

студентов

1. Каким образом влияет нагрев контактного наконечника

на процесс сварки?

2. Какую схему нагрева можно принять для расчета на-

грева контактного наконечника?

3. Поясните распределение температуры в контактном

наконечнике?

4. От чего зависит скорость нагрева контактного наконеч-

ника?

5. Как влияет материал контактного наконечника на пе-

риод теплонасыщения?

6. Перечислить основные факторы влияющие на темпера-

туру контактного наконечника в процессе сварки?

2.6. ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПОЛЯ В ЗОНЕ КОНТАКТА

КАПЕЛЬ РАСПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА

С ПОВЕРХНОСТЬЮ СВАРИВАЕМОГО ИЗДЕЛИЯ

1. Цель работы:

Произвести теоретические исследования по определению

температуры капли в момент контакта с поверхностью и изме-

нению еѐ по времени.

2. Краткая характеристика объекта исследования

Температура капель в момент контакта с поверхностью

свариваемого изделия и последующее изменение еѐ по времени

оказывают влияние на прочность их сцепления, а также на ха-

рактер и последствия их взаимодействия.

Приращение температуры в точке контакта капли и сва-

риваемого металла можно описать как приращение в точках

полубесконечного тела в случае действия мгновенного нор-

мально кругового источника. Этот процесс можно представить

как процесс распространения теплоты от мгновенного точеч-

ного источника теплоты на поверхности полубесконечного те-

ла с условием, что теплота в течение времени t

=1/(4 a k) рас-

пространяется только по поверхности тела, а затем и в глубину

в направлении оси OZ (рис. 2.12). Такой процесс выражается

следующим уравнением:

2/1

)4()(4

totacp

taztotaR

(2.16)

где T – приращение температуры в рассматриваемой

точке,

С;

Q – теплота, содержащаяся в капле в месте контакта с по-

верхностью свариваемого металла (энтальпия Н), Дж;

сp – произведение теплоемкости на плотность материала

капли, Дж/К см

;

Rк – радиальное расстояние от рассматриваемой точки до

оси отпечатка капли ( радиус отпечатка капли), см;

а – коэффициент температуропроводности, см

/с;

t – время, отсчитываемое с момента введения теплоты, с;

Z – глубина, на которую распространяется теплота (тол-

щина свариваемого металла), см;

k – коэффициент сосредоточенности теплового потока

капли, равный (3,46/d

)

- диаметр рассматриваемой капли,

см).

Рис. 2.12. Схема нагрева поверхности свариваемого металла в месте кон-

такта с каплей расплавленного металла

Однако в уравнении (2.16) энтальпия капли в момент кон-

такта неизвестна, так как в момент отрыва ее с электрода коли-

чество теплоты, содержащейся в капле, максимально, а в поле-

те часть ее теряется на теплоотдачу в окружающую среду.

Количество теплоты, содержащейся в капле в момент от-

рыва от торца электрода:

q= I·U· ,

(2.17)

где q – количество теплоты, вводимое дугой в металл

электрода за единицу времени, Дж/с;

I – сварочный ток;

U – напряжение дуги;

– эффективный КПД нагрева электродного металла

электрической дугой.

В процессе движения капля утрачивает часть теплоты на

лучистую и конвективную теплоотдачу. Удельный поток пол-

ной теплоотдачи при этом выражается уравнением:

то

= ·(Tк - To),

(2.18)

где – коэффициент полной поверхностной теплоотдачи

складывается из коэффициентов конвективной теплоотдачи и

лучистого теплообмена;

, T

– температура капли в момент вылета с электрода и

окружающей среды соответственно,

С.

Коэффициент полной поверхностной теплоотдачи капли

зависит от формы и размеров поверхности, отдающей тепло, ее

положения в пространстве, физических свойств теплоотдаю-

щей поверхности капли и свойств окружающей среды, разно-

сти температур и т.д.

Тогда количество теплоты, содержащейся в капле в мо-

мент контакта ее с поверхностью свариваемого металла:

= q – q

то

(2.19)

Для практического применения полученного выражения

необходимо определить коэффициент полной поверхностной

теплоотдачи .

Доказано, что при определении энтальпии капли в момент

ее контакта с поверхностью свариваемого металла по уравне-

нию (2.20) теплоотдачей капли в воздух можно пренебречь.

После всех преобразований имеем конечное уравнение для оп-

ределения теплоотдачи капель в свариваемый металл по месту

их контакта:

2/1

)4()

tztRк

k a

K р

t U I

k a

(2.20)

4. Методика выполнения лабораторной работы

1. По уравнению (2.20) выполнить теоретические расчеты

и на основании полученных данных построить зависимость

(рис. 2.25), температурного поля капель диаметром 0,2 – 0,5 см

в момент их контакта с поверхностью свариваемого металла от

его толщины. Время нахождения капли на поверхности при-

нимали равным 1 с. Из полученных расчетным путем зависи-

мостей следует, что капля, температура которой в момент кон-

такта равна 2500 – 2700

С, через 1 с после попадания на по-

верхность свариваемого металла в результате тепловыделения

через поверхность контакта имеет температуру 250…500

С в

зависимости от толщины свариваемого металла.

5. Типовые вопросы для контроля и самоконтроля

студентов

1. От чего зависят начальная и конечная температура кап-

ли расплавленного металла?

2. Какая расчетная схема применяется для расчета темпе-

ратурных полей при взаимодействии капли с поверхностью

металла?

3. Как определить количество теплоты содержащейся в

капле в контакта ее с поверхностью?

4. Оказывает ли состояние капли (размеры, температура)

в момент контакта на структуру основного металла?

5. Перечислить способы снижения воздействия капли на

основной металл.

6. Какие процессы протекают при взаимодействии капли

с основным металлом?