71762

Исследование стабильности горения сварочной дуги переменного тока

Лабораторная работа

Производство и промышленные технологии

Применяемое оборудование контрольно измерительные приборы и материалы При проведении лабораторной работы в распоряжении студента: сварочный трансформатор электроды электродо-держатель приспособление для закрепления электрода на штативе осциллограф С117 источник импульсного тока штангенциркуль.

Русский

2014-11-11

905 KB

4 чел.

- 27 -

Лабораторная работа №1

Исследование стабильности горения сварочной дуги переменного тока

 

При разработке технологических процессов сварки для обеспечения качества сварных швов необходима стабильность горения сварочной дуги, что обеспечивается правильным выбором источников тока и соответствующих марок электродов.

Стабильность горения сварочной дуги (т.е. непрерывность горения дуги) является одним из основных критериев использования сварочной дуги переменного тока  для получения неразъемных соединений и обеспечения их качества.

Исследование влияния различных факторов на стабильность горения сварочной дуги является важной научно-практической задачей.

1.1. Задачи работы, стоящие перед студентами

1.1.1. Закрепить теоретические знания, полученные на лекциях.

1.1.2. Исследовать  влияние различных факторов  на стабильность горения сварочной дуги.

1.1.3.Изучить способы стабилизации горения электрической
дуги.

1.1.4.  Получить  навыки   по   постановке  задачи   исследований, проведению  исследований.

1.1.5. Ознакомиться  с лабораторным оборудованием и контрольно-измерительными устройствами.

1.1.6. Закрепить  знания  по  математической   обработке результатов исследований на ЭВМ.

1.1.7.   Провести   экспериментальные   исследования   влияния легкоионизирующихся      компонентов      на      стабильность горения электрической дуги; выявить физические и технологические параметры, определяющие стабильность горения сварочной дуги.

1.2. Применяемое оборудование, контрольно-   измерительные приборы и материалы

При проведении лабораторной работы в распоряжении студента: сварочный трансформатор, электроды, электрододер-жатель, приспособление для закрепления электрода на штативе, осциллограф С1-17, источник импульсного тока, штангенциркуль.

Схема проведения экспериментальных исследований приведена на (рис.1.1.) 

 

 

Рис.1.1. Схема проведения экспериментальных исследований

1.3. Основы теории сварочной дуги

Электрической дугой называется мощный устойчивый стационарный электрический разряд в газовой ионизированной среде.  Принципиальная схема ручной дуговой сварки приведена на рис.1.2.

                    

                                              

Рис.1.2. Схема ручной дуговой сварки плавящимся электродом

При электрической дуговой сварке электрическая энергия преобразуется в тепловую энергию, которая концентрированно вводится в свариваемые заготовки и оплавляет в месте их соединения. Схема строения сварочной дуги приведена на рис. 1.3.

                                            

Рис.1.3. Строение сварочной дуги: 1-катод; 2- катодное пятно;                              3- прикатодная область; 4 - столб электрической дуги; 5-газовое  ионизированное облако; 6 - прианодная область; 7 - анодное пятно;                   8 - анод

Основными элементами сварочной дуги являются: катодное и анодное пятна, прикатодная и прианодная области, газовое ионизированное облако. Катодное пятно является важным элементом сварочной дуги, так как из нагретой торцевой части происходит эмиссия электронов. Температура и площадь катодного пятна зависят от силы сварочного тока. С повышением силы сварочного тока площадь и температура катодного пятна увеличивается.

Анодное пятно образуется на поверхности свариваемого металла   при прямой полярности. На анодное пятно падает поток электронов, в результате этого кинетическая энергия электронов преобразуется в тепловую энергию. Площадь и температура анодного пятна также больше площади катодного пятна. Температура на катодном пятне примерно равна Тк=2800…3000 К; на анодном пятне -Та = 3300…3800 К; в столбе дуги - Тст = 5500…7000 К.  Температура столба дуги зависит от эффективного потенциала ионизации газов, заполняющих дуговой промежуток.  

 

 Для  приближенных   расчетов     температуры  столба  дуги  можно пользоваться следующей эмпирической зависимостью

                                Tст = 810Uэфф                                            (1.1)

где  Tст - температура столба дуги, К; Uэфф – эффективный потенциал ионизации, эВ. Падение напряжения между анодом и катодом распределяется в трех областях: прикатодной, прианодной и в столбе сварочной дуги:

                               Uд = Uс +   Uа + Uк,                                (1.2)

где Uк – падение напряжения в прикатодной области; Uа – падение напряжения в прианодной области; Uс – падение напряжения в столбе сварочной дуги.

Механизм образования и рекомбинации заряженных частиц

 При горении электрической  дуги в дуговом промежутке имеют место процессы ионизации (процессы образования заряженных частиц) и процессы рекомбинации заряженных частиц (процессы гибели заряженных частиц).

Основные механизмы образования заряженных частиц:

●   автоэлектронная эмиссия.

Условие автоэлектронной эмиссии: энергия электрического поля (Wэ) больше работы выхода (Aвых); имеет место при комнатных температурах. Работой выхода (Авых)  называется работа, которую нужно совершить для удаления электрона из металла в вакуум. Энергия электрического поля (Wэ) пропорциональна квадрату напряженности электрического поля Е.

●   термоэлектронная эмиссия.

Условие термоэлектронной эмиссии: тепловая энергия (Q), выделяемая  на электродных пятнах, больше работы выхода (Авых); имеет место при высоких температурах.

●  ионизация ударом.

Условие ионизации ударом: кинетическая энергия заряженных частиц при столкновении с нейтральными атомами больше потенциала ионизации. Потенциалом ионизации называется энергия, необходимая для отрыва электрона от ядра атома, деленная на заряд

электрона  (выражается в эВ). Реакция ионизации ударом имеет вид: А+ е = А+ +2е,

где А – нейтральный атом; А+ - ионизированный атом А.

●   термическая ионизация.

Условие термической ионизации: тепловая энергия, выделяющаяся в дуговом промежутке больше потенциала ионизации.

●   фотоэмиссия.

Условие фотоэмиссии: квант световой энергии больше работы выхода

h > Авых, где h -постоянная Планка; -частота светового излучения, 1/с

●  Фотоионизация.

Условие фотоионизации:  квант световой энергии больше потенциала

ионизации h > .

 Наряду с процессами ионизации в сварочной дуге протекают процессы рекомбинации (процессы гибели заряженных частиц называются рекомбинационными, например: А+ + е =А ).

Потенциалы ионизации и работы выхода для различных элементов приведены в таблицах 1 и 2.

          Таблица 1.1

              Потенциалы ионизации различных элементов

Элементы

К

Na

Mg

Ca

Fe

Cu

O

Потенциалы ионизации

4.4

5.1

7.6

6.1

7.9

7.7

13.6

                     Таблица 1.2

                                    Работа выхода электронов

Элементы

Fe

Al

Ca

Na

K

W

Работа выхода ионизации, эВ

4.74

3.95

3.14

2.12

2.02

5.52

               

В зависимости от соотношения рекомбинационных и ионизации-онных процессов в дуговом промежутке устанавливается текущая концентрация  заряженных  частиц. Физическим параметром,  характе-

ризующим процесс стабильного горения электрической дуги, является концентрация заряженных частиц. Чем меньше концентрация заряженных частиц, тем ниже стабильность горения электрической дуги, т.е. вероятность её обрыва повышается.

 Технологическим параметром, который характеризует процесс стабильного горения электрической дуги, является критическое расстояние между электродами Lкр.   

Критическим расстоянием между электродами называется то расстояние, при котором электрическая дуга гаснет.

Чем больше величина критического расстояния между электродами, тем выше стабильность горения электрической дуги, т.е. меньше вероятность её обрыва. Условием стабильного горения сварочной электрической дуги является

                              Lкр> ld                                                  (1.3)

где ld   - текущее значение длины сварочной дуги;  ld   в процессе сварки изменяется в соответствии с выражением

                      ld   = lo  l ,                                                (1.4)

где  lo  - номинальное значение длины сварочной дуги; l - колебание расстояния между электродами в процессе сварки (при ручной дуговой сварке значение величины l определяется квалификацией сварщика).

По ряду причин сварочная дуга переменного тока может быть нестабильной. В частности, существенное влияние на стабильность оказывает тип источника тока - переменный или постоянный, а также внешняя вольтамперная характеристика (внешней вольтамперной характеристикой называется зависимость напряжения на клеммах источника от тока нагрузки).

 Так, сварочная дуга при использовании источников переменного тока горит менее стабильно, чем при использовании источников постоянного тока.

Внешняя вольтамперная характеристика источника тока для ручной дуговой сварки должна  быть крутопадающей для обеспечения

более стабильного горения сварочной дуги. График внешней вольтамперной характеристики для ручной дуговой сварки приведен на рис.1.4.

                                                                                   

Рис.1. 4. Внешняя вольтамперная характеристика источника тока для ручной дуговой сварки.

Особенности горения  электрической дуги переменного  тока

 

Зависимость напряжения на электродах от времени при использовании источников переменного тока  имеет синусоидальный вид в случае если дуга не горит ( рис.5, кривая 1)

                        U = Um Sint                                            (1. 6)

где  U  - текущее значение напряжения на клеммах источника тока; Um- максимальное напряжение на клеммах источника тока; - круговая частота (= 2f); t - текущее время. В случае горения сварочной дуги временная зависимость напряжения на электродах определяется кривой 2 (рис.5, кривая 2).

В интервале времени  t  дуга не горит; нет переноса заряженных частиц через  промежуток между электродами, хотя концентрация их не равна нулю. Отсутствие заряда через дуговой промежуток объясняется    тем,  что   хаотическое   движение    частиц,  вызванное

тепловым полем, подавляет их упорядоченное движение, обусловленное действием на них электрического поля.

Для большей устойчивости горения сварочной дуги переменного тока напряжение зажигания дуги должно быть порядка                             U= (1.5…2.5)Ud.

Рис.1.5. Временная зависимость напряжения на клеммах источника тока: 1- дуга не горит; 2 электрическая дуга горит

 

Для обеспечения этого требования напряжение холостого хода должно отвечать требованию

                                                                             (1.7)

В указанный интервал времени t скорость рекомбинационных процессов преобладает над скоростью ионизационных процессов; в результате концентрация заряженных частиц уменьшается на величину С.

Если принять, что при использовании источников постоянного тока средняя концентрация заряженных частиц в дуговом промежутке равна С, то при использовании источников переменного тока  концент-

рация заряженных  частиц  равна С - С, т.е. уменьшается,  соответст-

венно уменьшается  стабильность горения сварочной дуги.

Способы стабилизации горения сварочной дуги переменного тока

 

Основными способами стабилизации сварочной дуги переменного тока являются:

●  введение в покрытие электродов легкоионизирующих компонентов;

● использование дополнительных или высокочастотных источников тока;

● определенное сочетание внешней вольтамперной характеристики источника тока со статической вольтамперной характеристикой сварочной дуги.

Статической вольтамперной характеристикой называется зависимость напряжения сварочной дуги от тока нагрузки в установившемся режиме при постоянной длине дуги. Так, для ручной дуговой сварки статическая вольтамперная характеристика сварочной дуги – жесткая, внешняя вольтамперная характеристика источника тока  – крутопадающая. При автоматической сварке под слоем флюса статическая вольтамперная характеристика сварочной дуги – жесткая, а внешняя вольтамперная характеристика источника тока – пологопадающая.

Для повышения стабильного горения сварочной дуги переменного тока в покрытие электродов вводят компоненты с малым потенциалом ионизации (легкоионизирующиеся компоненты), что приводит к увеличению концентрации заряженных частиц в межэлектродном промежутке на величину  С1, соответственно уменьшается интервал времени, в течение которого сварочная дуга не горит, соответственно уменьшается величина С, что в конечном итоге приводит к увеличению средней текущей концентрации заряженных частиц в дуговом промежутке, увеличивается величина lкр и соответственно повышается стабильность горения сварочной дуги.

Влияние легкоионизирующихся компонентов на напряжение зажи-

гания электрической дуги и  на величину интервала времени, когда сварочная дуга не горит, показано на рис.1.6.

 Следует отметить, что на стабильность горения сварочной дуги помимо потенциала ионизации влияет масса заряженных частиц.

Исследования, проведенные одним из автором  данного пособия в МАДИ,  показали   необходимость  одновременного  учета  потенциала ионизации  химических элементов и их массы на стабильность горения.

Рис.1.6. Влияние легкоионизирующихся компонентов на напряжение зажигание электрической дуги Uз.д. и величину t:1– Uз.д., t1-  электрод без легкоионизирующегося компонента;2 – Uз.д., t2 - электрод с легкоионизирующимся компонентом

По этой причине  в данной лабораторной работе был введен комплексный параметр – приведенный потенциал ионизации, который однозначно характеризует стабильность горения сварочной дуги.  Приведенный потенциал ионизации определяется по формуле

                          ,                                             (1.8)

где Mi – масса I – го элемента; Mн  - масса протона;   - потенциал ионизации.

1.4. Порядок проведения экспериментальных исследований

   

    Очистить электродный стержень до блеска, погрузить в водный раствор исследуемого вещества и просушить в сушильном шкафе

при   температуре 100 С. Для   исследования   используется  мел (CaCO3), поташ (K2CO3), кальцинированная сода (NaCO3), углекислый  магний (MgCO3).

Очистить проволочной щеткой пластину и положить на стол приспособления (рис.1.1.). Установить электрод в электрод в электрододержатель; последний закрепить в приспособлении. Отрегулировать, пользуясь шаблоном, зазор между электродом и пластиной, который должен быть равен  2 мм.

Включить источник тока и зажечь сварочную дугу, замкнув промежуток между пластиной и электродом угольной пластинкой        ( I= (45…60)dэл, А).

 После обрыва сварочной дуги выключить источник тока и замерить с точность до 0.1 мм критическую длину между электродами lкр. Эксперимент на каждом покрытии повторить по 6 раз. Результаты исследований занести в табл.1.1.

Таблица 1.1

Результаты исследования легкоионизирующихся компонентов на

стабильность горения электрической дуги

Исследуемый

Компонент

№ опытов

lкр

S2

Критическая длина сварочной дуги

1

2

3

4

5

6

CaCO3

K2CO3

Na2CO3

MgCO3

Построение математической модели

Зависимость lкр от приведенного потенциала ионизации описывается математической моделью

                                    ,                               (1.9)

                                          

где      А, р, В – коэффициенты математической модели.

Для построения математической модели (9) используется метод наименьших квадратов с обязательной проверкой однородности дисперсий по критерию Кочрена и проверкой адекватности математической модели экспериментальным данным.

Порядок расчета математической модели на компьютере

Исходные данные записываются в текстовый файл dan1.txt в бесформатном виде в следующем порядке: 4 6 90.17 0.789 2.0 38.6 27.5 24.5 37.5 7.0 8.0 9.0 7.0 8.0 8.0 12.0 11.0 13.0 12.0 12.0 11.0 18.0 19.0 17.0 18.0 17.0 18.0 10.0 11.0 9.0 10.0 10.0 11.0, где 4 - число экспериментальных точек (число исследуемых обмазок), 6 - число параллельных опытов; 90.17 - критерий Фишера; 0.789 - критерий Кочрена; 2 - число степеней свободы дисперсии неадекватности; 38.6, 27.5, 24.5, 37.5 - приведенные потенциалы ионизации Са, К, Na, Mg; 7.0, 8.0, 9.0, 7.0,...8.0 - критические расстояния между электродами (покрытие СаСОЗ); 12.0...11.0 – критические     расстояния    между    электродами   (покрытие  К2СО3); 18.0...18.0 - критические расстояния между электродами (покрытиеNa2CO3); 10.0...11.0 критические расстояния между электродами (покрытие MgCO3).

После ввода исходных данных в файл dan1.txt необходимо их сохранить. Для расчета математической модели необходимо установить курсор на исполняемый файл a2.exe и нажать  на клавишу Enter; после этого производится расчет математической модели.

  Результаты расчета математической модели записываются в текстовый файл dan.txt. Для просмотра и печати результатов расчета математической модели необходимо открыть файл dan.txt .

На рис.1.7. приведен листинг расчета математической модели зависимости критического расстояния от приведенного потенциала ионизации, а на рис. 1.8. приведена зависимость критического расстояния между электродами от приведенного потенциала ионизации.

                                      ИCXOДHЫE ДAHHЫE

                         38.7   27.0   24.7   37.5   7.0     8.0   9.0

                         9.0     7.0      8.0   13.0   14.0    13.0  12.0

                         13.0   12.0   18.0   17.0   19.0   18.0  17.0

                         18.0    9.0    8.0      9.0     8.0    8.0    10.0

                      PACЧET ДИCПEPCИИ BOCПPOИЗBOДИMOCTИ

                      ПOCTPOEHИE MATEMATИЧECKOЙ MOДEЛИ

                  

                   A= .438466E+02     P= .0   B= .423472E-01

                X(I)                            YM1(I)                              YT(I)

             38.70                      .848528E+01                 .851528E+01

             27.00                      .118272E+02                 .139757E+02

             24.70                      .176603E+02                 .154055E+02

             37.50                      .926764E+01                 .895918E+01

ПPOBEPKA AДEKBATHOCTИ MATEMATИЧECKOЙ MOДEЛИ

MATEMATИЧECKAЯ MOДEЛЬ AДEKBATHA

Рис.1.7.  Листинг расчета математической модели на компьютере

Математическая модель зависимости критического расстояния между электродами имеет вид: Lкр = 59,1819  exp( -0,0524249x)                     

Рис.1.8. Зависимость критического расстояния lкр  от приведенного потенциала ионизации х

Лабораторная работа по сварке №2

Исследование влияния силы сварочного тока на значения коэффициентов наплавки и расплавления

 

2.1. Задачи работы, стоящие перед студентами

2.1.1. Закрепить теоретические знания, полученные на лекциях.

2.1.2. Получить навыки по постановке задачи и проведения иссле-дований.

2.1.3. Ознакомиться с лабораторным оборудованием и контрольно-измерительными устройствами.

2.1.4. Провести исследования экспериментальные исследования влияния силы сварочного тока на значения коэффициентов наплавки и расплавления

2.1.5. Построить математическую модель и обработать результаты экспериментальных исследований на персональных компьютерах.

2.2. Применяемое оборудование, контрольно- измерительные приборы и материалы

При проведении лабораторной работы в распоряжении студентов:

сварочный трансформатор,  электрододержатель, электронные весы, штангенциркуль, металлические пластинки.

2.3. Основы теории тепловых процессов  сварочной дуги и массопереноса металла через дуговой промежуток, основные параметры электродуговой сварки

Сварочная дуга является мощным концентрированным источником тепловой энергии. Электрическая энергия, потребляемая сварочной дугой, преобразуется в тепловую энергию, которая локально вводится в место соединения заготовок.

Полная тепловая энергия, выделяемая при горении электрической сварочной дуги, может быть рассчитана по формуле:

                 Qп = IUt, Дж                                                       (2.1 )

где I – сила сварочного тока (А); U – напряжение сварочной дуги (В); t – время сварки (с).

 Однако не вся тепловая энергия, выделяющаяся при горении сварочной дуги, расходуется на нагрев и расплавление основного металла и электрода; часть тепловой энергии рассеивается в окружающей среде и расходуется  на плавление покрытия электрода.

  Эффективной тепловой энергией (Qэфф) называется полезно используемая при сварке теплота, которая рассчитывается по формуле:

Qэфф = IUt, Дж  (2.2)

где I – сила сварочного тока, А; U – напряжение сварочной дуги ,В; t – время сварки, с.

Полная тепловая мощность рассчитывается по формуле:

Qп = IU, Вт  (2.3)

где I – сила сварочного тока (А); U – напряжение сварочной дуги (В).

 Эффективная тепловая мощность рассчитывается по формуле:

Qэфф = η∙I∙U, Вт ,Дж/с  (2.4)

где η – коэффициент полезного использования тепловой энергии сварочной дуги; I – сила сварочного тока (А); U -  напряжение сварочной дуги, В.

Величина зависит от способа сварки, материала электрода, состава покрытия и других факторов. При сварке открытой дугой электродами с толстым покрытием =0,70…0,75, при автоматической сварке под слоем флюса =0,85…0,90.

Электроды или сварочная проволока при различных способах дуговой сварки плавлением нагреваются от двух источников тепловой энергии: эффективной тепловой энергии сварочной дуги и тепловой энергии, которая выделяется при протекании тока по вылету электрода. Тепло, выделяемое на вылете электрода, рассчитывается по закону Джоуля–Ленца, которое рассчитывается по формуле 14

 

где - удельное сопротивление металла, Омм;  lвыл – длина вылета не более 0,42…0,43 м;  F – площадь сечения сварочной проволоки, м2.

При соблюдении оптимальных режимов сварки сварочная прово-

лока по длине вылета нагревается до 870 К (600C). Такая температура способствует ускорению процесса плавления электрода. При большей плотности сварочного тока электрод нагревается более 900 К, при этом ухудшается формирование шва и увеличивается разбрызгивание металла, обмазка отслаивается от поверхности электрода. Поэтому при ручной дуговой сварке величину тока ограничивают.   

Температура в  столбе электрической дуги по разным источникам колеблется от  5000 К -  7000 К, температура  на  катоде - 3000 К, на аноде  - 3300 К. При таких температурах скорости химических реакций и реакций диссоциации различных  газов, веществ велики.

Высокие температуры в реакционной зоне обуславливают высокие скорости протекания химических реакций; температурная зависимость констант скоростей химических реакций определяется законом Аррениуса

                       K(T) = Ko exp ( - Ea/RT),                               (2.6)    

где Ko - предэкспоненциальный множитель или множитель Аррениуса; Ea – энергия активации химических реакций, Дж/моль; R – газовая постоянная, R=8.314 Дж/(мольК); T – температура в реакционной зоне горения электрической дуги.

 В реакционной зоне сварочной дуги имеют место диссоциация газов и веществ покрытий электродов.

Температура в дуговом промежутке равна Т= 5000 …7000 К, на электродных пятнах соответственно  - 3000…3500 К. При этих температурах двухатомные газы полностью диссоциированы. На рис.1 приведена температурная зависимость степени диссоциации.

При температурах Т ~6000 - 7000 К кислород и водород практически полностью  диссоциированы, степень  диссоциации  азота намного меньше. Атомарные кислород, водород, азот активно взаимодействуют в  химических  реакциях и активно растворяются в металле. В состав покрытий и флюсов входит плавиковый шпат CaF2, который   диссоциирует по реакции

CaF2 =  CaF + F.

При температуре Т= 3000  С степень диссоциации   = 0,92. F - атомарный фтор  ухудшает  стабильность  горения  дуги вследствие высокого  сродства  к  электрону, но связывает водород, образуя фтористый водород, который не растворяется в металле, тем самым  играет очень важную роль в металлургических процессах, протекающих в электрической дуге.

Основным источником водорода в дуговом промежутке является влага, которая может содержаться в электродных материалах.

2О = 2Н2 + О2

В состав   покрытий   и   флюсов   входят  карбонаты, например, мел, мраморная крошка, которые диссоциируют по реакциям

 CaCO3 = CaO  +  CO2 

В дуговом промежутке происходит также диссоциация углекислого газа по реакции

        2СО2  = 2CO +  O2

При температурах Т ~6000 - 7000 К кислород и водород практически полностью  диссоциированы, степень  диссоциации  азота намного меньше.

         О2=2О;  Н2 =2Н; N2=2N

  Атомарные кислород, водород, азот активно взаимодействуют в  химических  реакциях и активно растворяются в металле.

Газовая среда дугового  промежутка может существенно влиять на поверхностное натяжение и соответственно поверхностную энергию жидкого металла и тем самым влиять на массоперенос жидкого  металла через межэлектродный промежуток.  

Процесс массопереноса  расплавленного металла через межэлектродный промежуток

 

 Процесс массопереноса жидкого металла через межэлектродный промежуток  существенно влияет на качество сварных соединений.

 Использование   скоростной   киносъемки  (5800 кад/с)  позволило установить, что жидкий металл переносится через межэлектродный промежуток в сварочную ванну в виде капель. Причем сила сварочного тока оказывает существенное влияние на характер массопереноса.

Различают три формы переноса жидкого металла через дуговой промежуток: крупнокапельный (при небольших значениях силы сварочного тока  j < 50 A/мм2); мелкокапельный массоперенос (при плотностях силы сварочного тока    50 A/мм2 < j <100 A/мм2); струйный массоперенос жидкого металла - очень мелкие капли (при плотностях силу сварочного тока  100 A/мм2  < j).

Итак, с увеличением силы сварочного тока размеры капель уменьшаются. На размеры капель жидкого металла при заданной силе сварочного тока могут также влиять марка сварочной проволоки и химический состав газов  в межэлектродном промежутке, так как они влияют на поверхностную энергию жидкого металла, которая определяет, в конечном счете, размеры капель жидкого металла.

Отрыв капель жидкого металла и перенос их через межэлектрод-ный промежуток в варочную ванну происходит под действием следующих сил: силы тяжести, силу поверхностного натяжения, электромагнитных сил Лоренца, силы давления газов и паров металла.

Основные параметры электродуговой сварки

При электродуговой сварке формирование сварного шва  определяется процессами расплавления плавящегося электрода или присадочного стержня, переносом расплавленного металла через дуговой промежуток, а также наплавки его на основной металл.

Важным параметром дуговой сварки является производитель-ность сварки, которая определяет необходимое время для выполнения сварочных работ.

       По определению производительностью сварки (G) называется масса наплавленного металла в единицу  времени, которая определя-

ется выражением  , г/ч, где Gн – масса наплавленного металла, г; t - время сварки, ч.

Производительность дуговой сварки зависит силы сварочного тока, которую можно определить выражением:

   GH=KH I,  г/ч,                                        (2.7)

где KH- коэффициент наплавки, г/(Ач), I – силы сварочного тока, А.

Коэффициентом наплавки KH называется масса наплавленного металла, приходящаяся на силу тока в 1А в единицу времени, г/( Ач).

Коэффициент наплавки рассчитывается по формуле

                              , г/(Ач),                               (2.8)

где  Gн –масса наплавленного металла, г; I- сила сварочного тока, А; t - время сварки, с.

Величина коэффициента наплавки зависит от силы сварочного тока, марки электрода от способа сварки. При ручной дуговой сварке KH=7…10 г/Ач.

Производительность сварки определяется скоростью расплавле-ния плавящегося электрода или присадочного стержня, скоростью потерь жидкого металла, при переносе его межэлектродный промежуток.

Массы расплавленного и наплавленного металла, а также масса потерь жидкого металла в процессе переноса его через межэлектродный промежуток определяется законом сохранения вещества      Gр =  Gн  + Gп ,        (2.9)        

где Gр, Gн, Gп – соответственно массы расплавленного, наплавленного металла, а также масса потерь жидкого металла в процессе его переноса через дуговой промежуток.                                     

Другим важным параметром электродуговой сварки является коэффициент расплавления Кр.

Коэффициентом расплавления  Кр называется масса расплавлен-ного металла, приходящаяся на силу тока 1А в единицу времени,         г/(А ч).

Коэффициент расплавления рассчитывается по формуле

                         , г/( Ач),                                  (2.10)                      

где   Gр - масса расплавленного металла, г; I- сила сварочного тока, А; t - время сварки, с.

Оценки, проведенные одним из авторов данной работы, показали, что с увеличением силы сварочного тока имеет незначительное   уве-личение коэффициента расплавления, которым можно пренебречь.

Другим очень важным параметром электродуговой сварки является коэффициент потерь, который определяется выражением

                        100, %                                               (2.11)

где Gл - масса потерь жидкого металла на разбрызгивание в процессе переноса его через дуговой промежуток; Gр - масса расплавленного металла.

Используя выражение (18), можно получить выражение для расчета Кп, используя экспериментально найденные значения коэффициентов расплавления Кр и наплавки Кн

                            % .                                             (2.12)

На величину потерь жидкого металла при переносе его через междуговой промежуток  оказывают следующие факторы: число заряженных частиц и их кинетическая энергия, бомбардирующих ванну жидкого металла (металла заготовок);  электромагнитные силы Лоренца, действующих на заряженные капли жидкого металла при переносе их через дуговой промежуток; скорость процессов обезуглероживания (при изготовлении стальных сварных конструкций). Влияние вышеперечисленных факторов определяется силой сварочного тока.  

Чем больше сила сварочного тока, тем соответственно больше число заряженных частиц, бомбардирующих ванну жидкого металла, тем больше вероятность потерь жидкого металла  разбрызгиванием.  

При этом газовая среда дугового промежутка  будет оказывать существенное влияние на поверхностную энергию жидкого металла и

соответственно влиять на образование брызг жидкого металла при бомбардировке сварочной ванны заряженными частицами.

При массопереносе жидкого металла через межэлектродный промежуток капли жидкого металла адсорбируют заряженные частицы, на которые действуют электромагнитные силы Лоренца Fл, которые оказывают влияние на величину потерь его при изготовлении сварных конструкций.

Величина сил Лоренца рассчитывается по  формуле

                          ,                                                  (2.13)

где  q – заряд капли жидкого металла; с – скорость света, V – скорость перемещения капель жидкого металла через дуговой промежуток к сварочной ванне под действием сил электрического поля; В – индук- ция магнитного поля. Под действием сил Лоренца заряженные капли металла отклоняются из зоны сварки. Магнитная индукция пропорцио-на силе сварочного тока. Таким образом, с увеличением  силу свароч-ного тока потери жидкого метала на разбрызгивание возрастает.

Схема, поясняющая действие сил Лоренца на каплю жидкого металла приведена  на рис.2.1.

                                  

Рис.2.1. Схема, поясняющая действие сил Лоренца на каплю жид-

                кого металла при её переносе через дуговой  промежуток

 

Другим фактором, влияющим на потери  жидкого металла при сварке стальных  конструкций, является  скорость  процесса обезугле-

роживания. Капля жидкого металла в дуговом промежутке контактирует с двухатомными газами, в частности с кислородом, кото-

рый растворяется в ней. В капле стальной сварочной проволоке содержится углерод, который взаимодействует с атомарным кислородом газовой фазы  с образованием окиси углерода. Причем оксид углерода не растворяется в жидком металле. Эта химическая реакция изменяет химический состав газовой фазы дугового промежутка. Помимо этого, атомарный кислород газовой фазы активно растворяется в капле жидкого металла и с поверхности её диффундирует внутрь последней. Растворенные кислород [O] и углерод [C] внутри капли жидкого металла взаимодействуют по реакции   [O] + [C] = СО, в результате которой образуется оксид углерода, который не растворяется в ней. В результате этой реакции внутри капли жидкого металла образуется газовый пузырь, газовое давление которого растет по мере протекания химической реакции.  При достижения критического давления, когда  РсоVг >Eпов произойдет разрыв капли жидкого металла на отдельные её части, где Рсо - давление оксида углерода внутри газового пузыря; Vг -критический объем газового пузыря оксида углерода; Епов -поверхностная энергия капли жидкого металла.  Таким образом, с увеличением скорости протекания химической реакции обезугле-роживания внутри  капли жидкого металла ([C] + [O] =CO) потери металла  на разбрызгивание увеличиваются.

 Скорость протекания процессов обезуглероживания зависят от температуры дугового промежутка и от характера массопереноса, который зависит от силы сварочного тока.

С увеличением силы сварочного тока размеры переносимых капель жидкого металла через межэлектродный промежуток уменьшаются, и соответственно поверхность контакта газовой фазы дугового промежутка с каплями жидкого металла увеличиваются; соответственно скорость протекания химической реакции обуглероживания [C] + [O] = CO возрастает, и соответственно возрастают потери металла на разбрызгивание.

Таким образом, анализ влияния вышеперечисленных факторов на потери металла показал, что с  увеличением силы  сварочного тока  потери  металла  на разбрызгивание при  изготовлении сварных конст-

рукций увеличиваются.

Априорный анализ влияния силы сварочного тока на коэффициенты наплавки и расплавления (рис.2.2)  показал, что с увеличением силы сварочного тока значение коэффициента наплавки уменьшаются (кривая 1), а также в некоторых случаях при сварке короткой дугой и при небольших значениях силы сварочного тока зависимость коэффициента наплавки от силы сварочного тока имеет вид (кривая 2).  Небольшое увеличение коэффициента наплавки с увеличением тока, которое может иметь место при сварке короткой дугой и малых значениях силы сварочного тока, связано с коротким замыканием крупными каплями жидкого металла межэлектродного промежутка  и соответственно с взрывным испарением жидкого металла

Рис.2.2. Влияние вилы сварочного тока на значение коэффициентов наплавки и расплавления

 Оценки, проведенные одним из авторов данной работы, показали, что имеет место незначительное увеличение коэффициента расплавления с увеличением силы сварочного тока (кривая 3), которым можно пренебречь.

2.4. Порядок проведения экспериментальных исследований

Исследовать влияние силы сварочного тока на величину коэф-

фициентов наплавки  Кн  и расплавления Кр для электродов с толстым (или средним покрытием) в диапазоне от 100…200 А.  

Провести исследования влияния силы тока на значения коэффициента наплавки и расплавления при 5 различных её значениях в указанном диапазоне.

Перед проведением опытов пластинки взвесить на электрических весах, измерить диаметр и длину электрода.  Установить электрод в электродержатель. Во время наплавки электродного металла на стальную пластинку фиксируют силу тока и время непрерывного горения дуги в секундах. После наплавки валика металла на пластинку очистить её металлической щеткой от шлаковой корки  и вторично взвесить, а также измерить оставшуюся длину электрода после наплавки металла на пластинку.

На каждом токе провести три параллельных опыта. Результаты экспериментальных исследований  записывают в таблицу 2.1.

          Таблица 2.1.

Условия проведения экспериментов и результаты исследований

I,

А

Gдн, г

Gпн, г

Gн,

Г

Lд,

Мм

Lп,

мм

Gр,

Г

Кн,

г/(Ач)

Кр,

г/(Ач)

Кп,

%

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

I1

I1

I1

I2

I2

I2

I3

I3

I3

I4

I4

I4

I5

I5

I5

По результатам опытов рассчитывают производительность сварки  G, коэффициенты наплавки  Кн, расплавления Кр и потерь Кп  по формулам

               

               ;   

                   ;          G = Kн I, г/ч                                                                                     

2.5. Построение математической модели

Зависимость коэффициента наплавки Кн от силы тока I описывается математической моделью

                Кн = А2 I2 + A1I2  + A0                                      (2.14)

где    А2 , А10  - коэффициенты математической модели.   

Для построения математической модели (2.14)  используется метод наименьших квадратов с обязательной проверкой однородности дисперсий по критерию Кочрена и проверкой однородности математической экспериментальным данным.

Порядок расчета математической модели на компьютере

Порядок расчета математической модели на компьютере

Исходные данные записываются в текстовый файл dan2.txt в бесформатном виде в следующем порядке: 2 3 5 90.09 0.790 2.0 120.0 135.0 150.0 170.0 200.0 7.0 7.1 7.0 7.8 7.7 7.9 8.0 8.0 8.1 6.4 6.3 6.2 5.5 5.4 5.3, где 2 - порядок степенной функции; 3 - число параллельных опытов; 5 - число экспериментальных точек; 90.09 - критерий Фишера; 0.790 - критерий Кочрена, 2 - число степеней свободы дисперсии неадекватности; 120.0, 135.0, 150.0, 170.0, 200.0 - силы сварочного тока; 7.0, 7.1, 7.0 – экспериментально найденные коэффициенты наплавки, соответствующие силе тока I = 120 А; 7.8, 7.7, 7.9 - коэффициенты наплавки, соответствующие силе тока I = 135 А; далее соответственно вводятся значения коэффициентов наплавки для токов 150 А, 170 А, 200 А.

После ввода исходных данных в файл dan2.txt необходимо их сохранить. Для расчета математической модели необходимо установить курсор на исполняемый файл a1.exe и нажать  на клавишу Enter; после этого производится расчет математической модели.

 

Результаты расчета математической модели записываются в текстовый файл rez.txt. Для просмотра и печати результатов расчета математической модели необходимо открыть файл rez.txt .

На рис.1.21. приведен пример листинга расчета математической модели зависимости коэффициентов наплавки от силы сварочного тока,

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

120,000   135,000   150,000     180,000    200,000     5,700      5,500   

 5,6000     5,7000       5,900         6,100        6,200      6,300     6,100

 5,9000     5,7000       5,900         5,500        5,600      5,400

Расчет дисперсии воспроизводимости

Лабораторная работа 2

Кафедра технологии материалов

Решение матричного уравнения A*B=C

                                                    A(J)

                                       -.356264E-03

                                        .113120E+00

                                      -.284005E+01

X(I)                                  YM(I)                                 YT(I)

120.00                       .560000E+01                     .560419E+01

135.00                       .590000E+01                     .593829E+01

150.00                       .620000E+01                     .597866E+01

180.00                       .590000E+01                     .597866E+01

200.00                       .556667E+01                     .553346E+01

Проверка адекватности математической модели

Математическая модель адекватна

Рис.2.1. Листинг расчета математической модели зависимости коэффициента наплавки от силы сварочного тока

Рис. 2.2. Зависимость коэффициентов наплавки Кн и расплавления от силы сварочного тока I

н

 легкоионизирующим элементом (компонентом) называется такой элемент, который имеет маленький потенциал ионизации


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

1022. Выбор офисного оборудования для фирмы 363.5 KB
  Общие сведения о сканерах, их разновидности, технологии сканирования, характеристики и определяющие факторы выбора. Технико-экономический анализ технических и стоимостных характеристик принтеров. Описание выбранного принтера HP OfficeJet Pro K5400dn и расчет эквивалентного процента прибыли
1023. Расчет зоны ТО-1 в автотранспортном предприятии 558.5 KB
  Корректирование периодичности ТО и пробега автомобилей до КР. Расчет годового объема работ по ТО, ТР и самообслуживанию. Техника безопасности и пожарная безопасность, охрана труда, окружающая среда. Распределение рабочих по специальностям, квалификации, рабочим местам. Назначение и область применения приспособления. Подбор технологического оборудования.
1024. Особенности государственного и правового развития Древней Греции 151.5 KB
  Государственный механизм в Древней Греции. Полномочия органов государственной власти. Политически-правовой режим, административно-территориальное устройство, форма правления. Основные реформы в области государственного управления и законодательства.
1025. Построение защищенной информационной системы для учреждения 225.5 KB
  Технико-экономическое обоснование разработки вычислительной сети. Выбор конфигурации вычислительной сети. Проектирование структурной схемы вычислительной сети. Калькуляция затрат на построение сети.
1026. Общие вопросы практической философии 524.5 KB
  Проблема рождения философии. Космоцентризм и основные понятия античной философии. Бог, человек и мир в средневековой христианской философии. Антропоцентризм и гуманизм в философской мысли Возрождения. Система и метод философии Гегеля. П.Я. Чаадаев о российской истории и историософии.
1027. Исследование системы биометрической аутентификации пользователя ПК по клавиатурному почерку 422 KB
  Теоретические принципы построения биометрических систем динамической аутентификации личности по рукописному и клавиатурному почеркам. Получение вектора биометрических параметров при анализе рукописного почерка. Аутентификация пользователя на основе измерения близости образа к биометрическому эталону мерой Хэмминга. Биометрическая аутентификация на основе аддитивной модели сравнения биометрических характеристик пользователей.
1028. Создание и обработка изображений для печатной рекламы средствами программы Corel Draw 573.5 KB
  Краткое описание продукта Corel Draw. Особенности разработки элементов наружной рекламы в пакетах Corel Draw. Состав изображений. Графические объекты. Использование пиксельных изображений в Corel Draw и функция импорт. Перспектива, тени и экструзия. Цветовые палитры и модели цвета.
1029. Методика викладання математики та її зв'язок з іншими науками 453.5 KB
  Огляд програмного забезпечення навчального процесу у вищій школі. Математичні методи наукових досліджень і сучасне природознавство. Сучасні тенденції розвитку математичної освіти у середній і вищій школі. Філософські проблеми математики в історичному контексті. Формування наукового світогляду при вивченні математики. Методика формування математичних понять. Організація, зміст і перспективи дистанційної освіти.
1030. Технологический процесс при производстве ударопрочного полистирола 469.64 KB
  Разработка системы управления технологическими процессами. Описание алгоритмов сбора, первичной обработки информации и циклического опроса датчиков. Спецификация на приборы и средства автоматизации. Контроллер РСУ и ПАЗ.