Теоретическое обоснование работы

Работа №13

Технологический процесс ручной дуговой сварки

(плавящимся электродом с обмазкой)

13.1 Цель работы:

1. Практическое ознакомление с источниками питания сварочной дуги постоянного и переменного тока и построение внешней вольт-амперной характеристики источника.

1. Ознакомление с марками электродов для ручной дуговой сварки и определение важнейших технологических показателей плавления электрода.

Теоретическое обоснование работы

Ручная дуговая сварка является наиболее распространенным и широко применяемым в промышленности видом сварочных процессов. Электрическая дуга представляет собой устойчивый электрический разряд в газовой среде или в среде паров между твердыми или жидкими электродами при большой плотности тока и характеризующейся высокой температурой.

Для устойчивого горения дуги необходима ионизация среды дугового промежутка, вызывающаяся появлением электронов. Основные причины их образования следующие:

1. Термоэлектронная эмиссия катода, возникающая при достаточном его нагревании.

2. Автоэлектродная эмиссия, при которой энергия, необходимая для выхода электронов из катода, сообщается силовым электрическим полем, т.е. приложенным к электродам напряжением.

3. Фотоэлектронная эмиссия и т.д.

Сварочная дуга характеризуется рядом параметров - напряжением (5-55 В), силой тока I(10-1000А), длиной lд (0,3-13 мм). Зависимость =f(I) называется статической вольт-амперной характеристикой дуги (рис.13.1). Ее вид и положение в системе координат зависят от диаметра электрода, длины дуги, среды, в которой происходит дуговой разряд и т.д. Зависимость напряжения на дуге от ее длины можно приближенно выразить формулой, которую предложил К. К. Хренов:

, (1)

где а - суммарное падение напряжения в катодной и анодной областях дуги, b – средняя напряженность электрического поля столба дуги, - длина дуги, обычно:

а=10 12В;

b=2 2.5 в/мм. (2)

Сварочная дуга и источник ее питания образуют взаимосвязан­ную энергетическую систему с общими параметрами ( и I), свойства и характеристики которой определяют устойчивость процесса горения дуги, а следовательно, и качество сварки. Источники питания сварочной дуги характеризуются внешней вольт-амперной характеристикой (рис.3.1). Для обеспечения устойчивого горения дуги каждому способу сварки должен быть назначен источник питания с соответствующей внешней характеристикой. Для ручной дуговой сварки необходима крутопадающая внешняя характеристика источника питания, обеспечивающая устойчивое горение дуги в точке А (рис.13.1) при и и ограничивающая величину тока короткого замыкания, Кроме того, при такой характеристике изменение длины дуги почти на отражается на величине сварочного тока. Для возбуждения автоэлектронной эмиссии и зажигания дуги требуется значительно большое напряжение, чем рабочее. Однако техника безопасности ограничивает предельные значения напряжения холостого хода (), поэтому при ручной дуговой сварке зажигают дугу касанием изделия электродом. Ток короткого замыкания (), вследствие высокого сопротивления в месте контакта электрода с изделием, разогревает торец электро­да и обеспечивает термоэлектронную эмиссию. Величину приходится ограничивать для обеспечения безаварийной работы всей сварочной цепи, т.е. коэффициент добротности D источника питания должен быть в пределах:

.

Источники питания, как и сама дуга, могут быть переменного (трансформаторы) и постоянного (выпрямители) тока. Причем дуга постоянного тока может быть прямей (- на электроде и + на изделии) и обратной (+ на электроде) полярности. Принцип действия сварочного трансформатора ясен из рис.13.2,а. Трансформатор Тр понижает напряжение сети , так как . Изменением числа витков в первичной обмотке () изменяем напряжением холостого хода ( см.рис.13.1) и тем самым ступенчато регулируем силу тока.

Рис, 13.1. Статические вольт-амперные характеристики дуги (1-3) и внешние

вольт-амперные характеристики источников питания (4-6): характеристики

I и 2: , : характеристики 1 и 3: = const; ;

4 - жесткая характеристика; 5 - полого па­дающая характеристика;

6 - круто падающие характеристики; I - ручная дуговая сварка покрытым

электродом; II - сварка под слоем флюса; III - cварка в среде защитных

газов

Плавная регулировка силы тока, а также падающая характеристика источника питания обеспечиваются дросселем (Др). С увеличением зазора в сердечнике дросселя увеличивается его индуктивное сопротивление, а следовательно, уменьшается ток самоиндукции в обмотке дросселя, который имеет напряжение, обратное основному току, и тем самым увеличивается и сварочный ток .

Полупроводниковые (селеновые или германиевые) выпрямители как источники сварочного тока находят все более широкое применение. Как видно из схемы на рис. 13.2, б, они состоят из понижающего Тр и вентилей, соединенных по трехфазной мостовой схеме (В). Регулировку сварочного тока в цепи осуществляют переключением обмоток трансформатора и схемы включения вентилей, а также включе­нием в цепь балластного реостата (РБ), чем и достигается падающая характеристика.

Рис. 13.2. Схемы источников питания сварочного тока: а – трансформатор,

б – выпрямитель.

Ручная дуговая сварка осуществляется с помощью электродов, представляющих собой металлический стержень длиной от 225 до 450 мм и диаметром от 1,5 до 6 мм, на который нанесена специальная обмазка (покрытие). Обмазка предназначена для создания ионизированного дугового промежутка (т.е. стабилизации дуги), для защиты дуги и жидкого металла сварочной ванны от атмосферы воздуха, для раскисления легирования металла шва, а также для улучшения формирования шва. Указанные требования обеспечивающей подбором компонентов в обмазке, которая должна содержать следую­щие вещества:

1. Стабилизирующие горение дуги (соли щелочных металлов).

2. Шлакообразущие (марганцевая руда, мрамор, полевой и пла­виковый шпат и т.д.).

3. Газообразующие (крахмал, целлюлоза, мрамор, доломит).

4. Раскисляющие (ферро-марганец, -силиций, -титан).

5. Легирующие (марганец, никель).

6. Связующие (жидкое стекло).

Большое значение состава и качества обмазки для процесса дуговой сварки можно показать на примере стабилизации дуги. При зажигании и горении дуги для отрыва электронов от атомов надо совершить работу, величину которой можно оценить эффективным потенциалом ионизации, зависимым от потенциала ионизации химических эле­ментов и их концентрации в дуговом промежутке. Введение в состав электродных покрытий элементов с низким потенциалом ионизации (например, солей К, Ма, Со, Li и т.д.) облегчает зажигание и стабилизирует горение дуги. Об ионизирующих свойствах электродной обмазки судят по длине естественного обрыва дуги . Обмазанный электрод закрепляется вертикально в специальной стойке-штативе, перпендикулярно к лежащей у основания стойки пластине. Небольшой зазор между торцем электрода и пластиной после подачи на них напряжения от источника питания замыкается угольным стержнем. Возбудившаяся дуга плавит электрод, тем самым увеличивается длина дуги до ее естественного затухания. Расстояние между торцем электрода и наплавленным металлом на пластине и будет длиной естественного обрыва дуги.

Толщина обмазки на электродах может быть весьма различной и характеризуется «коэффициентом веса покрытия»:

(4)

где - вес покрытой части металлического стержня,

(5)

- вес покрытия; г;

;(6)

- вес электрода, г; - вес всего стержня, г;

(7)

- удельный вес металла стержня, г/см3 (для стали 7,6 г/см); - длина всего металлического стержня электрода, см; - длина покрытой обмазкой части металлического стержня электрода, см;

- диаметр металлического стержня электрода, см. Коэффициент веса покрытия () колеблется для качественных электродов от 10 до 50%.

Интенсивность расплавления металла электрода под действием сварочной дуги характеризуется коэффициентом расплавления ( р), который определяется количеством электродного металла, расплавляемого в единицу времени (ч) и отнесенного к единице силы тока (А), т.е.

Г/А·ч;(8)

где - вес расплавленного металла, г; I - сила сварочного тока, А; t- время сварки, ч;

(9)

, - длины электрода до и после сварки (стержень и огарок),см. Перенос металла с электрода на изделие в процессе дуговой сварки сопровождается потерями металла электрода за счет разбрыз­гивания, окисления, испарения к т.д. Интенсивность наплавления металла электрода на изделие определяется коэффициентом наплавки ( н),

Аналогично

Г/А*ч;(10)

где - вес наплавленного металла, г;

(11)

Здесь , - вес образцов (детали, пластины) до и после наплавки, г.

Потери металла характеризуются коэффициентом потерь

(12)

Потери металла зависят от плотности тока, напряжения на дуге, пространственного положения электрода при сварке, типа обмазки и т.д. Если обмазка содержит металл (в виде порошка), то ; может получить отрицательное значение (т.е. ). Для наиболее распространенных типов качественных электродов значения коэффициентов колеблются в пределах: = 3 25%, = 7 12 г/А-ч, = 6 - 10 г/А-ч.

13.3. Оборудование и материалы:

1. Сварочные посты для ручной дуговой сварки с электроизмерительными приборами (амперметр - I шт., вольтметр - I шт.) и источниками питания:

а) трансформатор, б) выпрямитель.

1. Штатив с вольтметром для закрепления электрода при определении длины естественного обрыва дуги.
2. Секундомер - I шт.
3. Линейка масштабная - I шт.
4. Штангенциркуль или микрометр - I шт.
5. Технические весы с разновесами.
6. Пластины стальные 100x200x10 (по 3 шт, на подгруппу).
7. Электроды различных марок и диаметров (3 типоразмера).
8. Зубило - I шт.
9. Металлическая щетка - I шт.
10. Графитовый или угольный стержень.