5

Лабораторная работа 2

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СИЛЫ СВАРОЧНОГО ТОКА НА ВЕЛИЧИНУ КОЭФФИЦИЕНТА НАПЛАВКИ

2.1. Цель работы

2.1.1. Закрепить теоретические знания, полученные на лекции.

2.1.2. Получить навыки использования лабораторного оборудования и контрольно-измерительных приборов.

2.1.3. Исследовать коэффициенты расплавления и наплавки при дуговой сварке.

2.1.4. Определить коэффициент потерь металла.

2.2. Применяемое оборудование:

Сварочный трансформатор, электрододержатель, весы электрические, масштабная линейка и микрометр.

2.3. Основы теории тепловых процессов сварочной дуги

Электроды или сварочная проволока при различных способах дуговой сварки плавлением нагреваются от двух источников тепловой энергии: сварочной дуги и тепла, которое выделяется при протекании тока по вылету электрода (по закону Джоуля - Ленца).

Температура столба дуги по данным многих исследований составляет 5500-7500 К. При сварке постоянным током температура в катодной области ниже температуры в анодной, так как часть тепловой энергии затрачивается на эмиссию электронов. Анод получает от столба дуги дополнительную энергию с потоком электронов. Температура на анодном и катодном пятнах приближается к температуре испарения металла. Тепловая энергия, выделяющаяся на катодном и анодном пятнах, расходуется на нагрев и плавление электрода (сварочной проволоки) и свариваемого металла. Часть тепловой энергии расходуется на термоэмиссию электронов.

Тепловая энергия сварочной дуги

Дж/ч , (2.1)

где - сила сварочного тока, А; U - напряжение дуги, В.

Ч

Рис. 2.1. Тепловой баланс сварочной дуги: 1 – полная тепловая энергия (100%); 2 - энергия, поглощаемая свариваемым металлом (50%); 3 - энергия, поглощаемая электродом (30%); 4 - энергия, переносимая в сварочную ванну с каплями расплавленного металла (25%); 5 - энергия, рассеиваемая в окружающую среду (20%); 6 - энергия, теряемая с каплями разбрызгиваемого металла (5%); 7 - эффективная тепловая энергия (75%).

асть тепловой энергии сварочной дуги расходуется на теплоотдачу в окружающую среду, на потери при разбрызгивание металла и др.

Эффективная энергия сварочной дуги, характеризующая количество тепловой энергии, вводимой сварочной дугой в металл, составляет

(2.2)

где - эффективный коэффициент использования тепловой энергии сварочной дуги.

Величина зависит от способа сварки (рис. 2.1), материала электрода, состава покрытия и других факторов. При сварке открытой дугой электродами с толстым покрытием =0,70...0,75, при сварке под слоем флюса = 0,85...О,90.

Количество тепловой энергии, выделяемой на длине вылета электрода (рис. 2.2), по закону Джоуля - Ленца равно

Дж/ч, (2.3)

где ρ - удельное сопротивление металла проволоки. Ом·м; . - длина вылета не более 0,42...О,43 м; F - площадь сечения сварочной проволоки, м².

Рис. 2.2. Вылет электрода при ручной дуговой сварке 1 – электрод; 2 – электрододержатель; 3 – свариваемый металл

При соблюдении оптимальных режимов сварки сварочная проволока по длине вылета нагревается до 870 К (600°С). 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 отстает от поверхности электрода. Поэтому при ручной дуговой сварке величину тока ограничивают.

Производительность процесса сварки определяется количеством расплавленного и наплавленного металла в единицу времени.

Масса расплавленного металла электрода или сварочной проволоки определяется по формуле

(2.4)

где Кр - коэффициент расплавления,

Коэффициент Кр показывает массу расплавленного металла электрода при токе 1 А в течение часа. Коэффициент расплавления зависит от величины тока (плотности тока), напряжения дуги, состава и толщины электродного покрытия и др.

С увеличением сварочного тока увеличивается его эффективная тепловая энергия и, следовательно, повышается количество тепла, вводимого в металл электрода. Кроме того, увеличивается температура нагрева электрода проходящим током. Однако часть расплавленного металла электрода испаряется и разбрызгивается. Масса металла, наплавляемого на поверхность свариваемой детали, будет равна

, (2.5)

где Кн - коэффициент наплавки, г/А·ч.

Коэффициент наплавки характеризует массу наплавленного на поверхность детали металла при токе 1А в течение часа:

(2.6)

Коэффициент наплавки Кн меньше коэффициента расплавления на величину потерь. Коэффициент потерь

(2.7)

или

(2.8)

Коэффициент потерь может изменяться в зависимости от способа сварки, типа электрода и плотности тока.

На величину потерь металла оказывает влияние: род и сила сварочного тока; напряжение на дуге; химические составы стержня и покрытия электрода; длина сварочной дуги; характер переноса капель металла от электрода в сварочную ванну и величина наклона электрода в процессе сварки.

Так, при сварке электродами с тонким покрытием потери металла сварочной проволоки составляют 10 - 15%, при использовании электродов с толстым покрытием – 10%, а при автоматической сварке под слоем флюса - не более 5%.

При ручной дуговой сварке электродами с тонким покрытием Кн = 5,5...6,5 г/А·ч. При использовании электродов с толстым покрытием Кн составляет 8...10 г/А·ч.

При дуговой сварке капля, оторвавшаяся от электрода в процессе переноса от катода к аноду продолжительностью 0,01...0,05 с, в зависимости от плотности сварочного тока нагревается до температуры более 2500 К. При такой температуре наблюдается испарение металла.

Многими исследованиями установлено, что основной причиной потерь металла при ручной дуговой сварке является разбрызгивание. Интенсивность разбрызгивания металла в значительной степени определяется характером переноса металла от электрода в сварочную ванну.

Скоростными киносъемками установлено три характера переноса металла: крупными каплями, мелкими каплями и струйный.

Характер переноса капель от электрода в сварочную ванну, зависит от напряжения на дуге, силы сварочного тока и длины сварочной дуги.

П

Рис. 2.3. Схема переноса металла через сварочную дугу:

а - струйный; б - крупными каплями; в - мелкими каплями

ри использовании электродов диаметром до 2,0 мм сварку производят при малых плотностях тока (10...15 А/мм²) короткой дугой (рис. 2.3). Напряжение на дуге не превышает 22 В.

Капли электродного металла крупных размеров переходят в ванну при минимальной длине дуги или коротких замыканиях.

В результате действия эффективной энергии сварочной дуги на торце электрода образуется капля жидкого металла, которая удерживается силами поверхностного натяжения. По мере увеличения размеров капли, в результате действия силы тяжести и электромагнитных сил, в капле образуется узкая перемычка. Вследствие уменьшения длины дуги падает напряжение на дуге и повышается величина силы сварочного тока. При увеличении плотности тока металл в зоне перемычки нагревается до температуры кипения. Ввиду реактивного действия паров металла происходит взрывообразный отрыв капли от электрода. Образовавшиеся при взрыве очень мелкие капли металла отбрасываются за пределы дугового промежутка.

С

Рис. 2.4. Образование поперечного магнитного поля вокруг проводника, подключенного к источнику тока: а - ток подключен к центру металла; б - ток подключен сбоку металла

варка электродами диаметром более 2,0 мм производится на длинной дуге при плотности тока более 15 А/мм². С увеличением тока размеры капель уменьшаются (см. рис. 2.3). При сварке длинной дугой и высокой плотности тока увеличивается количество взрывообразно отрываемых от электрода капель в единицу времени. Поэтому возрастает разбрызгивание мелких капель металла.

При больших плотностях тока возможен струйный перенос расплавленного металла от электрода в сварочную ванну.

Участие электромагнитных сил в формировании перемычки в капле объясняется образованием магнитного поля вокруг проводника, подключенного к источнику тока (рис. 2.4). Столб сварочной дуги можно рассматривать как гибкий проводник, по которому проходит электрический ток.

Напряженность магнитного поля зависит от силы сварочного тока

, А/м,

где К - коэффициент пропорциональности.

В практических расчетах напряженность магнитного поля, образующегося вокруг электрода, принимают равным квадрату тока.

Под воздействием поперечного магнитного поля возникают электромагнитные силы, действующие на каплю электродного металла и ее перемычку (см. рис. 2.3 и 2.4).

Рис. 2.5. Схема действия газового потока на капли жидкого металла в дуговом промежутке

В покрытиях электродов содержатся газообразующие вещества: мрамор, органические компоненты и др. От тепловой энергии сварочной дуги и нагретого металлического стержня электрода материал покрытия начинает плавиться и испаряться изнутри. Так как покрытие плавится с некоторым опозданием по сравнению с металлическим стержнем, на торце электрода образуется козырек (рис. 2.5). Поэтому газовый поток направляется к сварочной ванне. В дуговом промежутке образуется интенсивное газовое дутье. Потоками газов отдельные частицы жидкого металла отбрасываются за пределы сварочной ванны. Такие потери металла увеличиваются по мере увеличения плотности тока и при мелкокалельном переносе металла.

Образование газовой среды в дуговом промежутке объясняется следующими причинами.

При высокой температуре наблюдается диссоциация карбидов мрамора, входящего в состав электродного покрытия;

СаС0₃ = СаО + СО₂ (2.9)

Затем в результате диссоциация углекислого газа образуется окись углерода и кислород

СО₂ = СО + (½)O₂ (2.10)

При содержании влаги в электродном покрытии возможна диссоциация Н₂О по схеме

Н₂О = 2Н + 0 . (2.11)

В дуговом промежутке образуется окислительная газовая среда сложного химического состава, включающая С0₂, СО, 0₂, 0₂, 0₂ пары металлов. Создаются благоприятные условия для адсорбции газов в капле жидкого металла и для окисления С и Fе в капле жидкого металла:

2C+O₂=2CO (2.12)

2Fe+O₂=2FeO (2.13)

Объем образовавшейся газообразной окиси углекислого газа во много раз превышает объем капли; образовавшийся газ, разрушая каплю c большой скоростью, выделяется в дуговом промежутке. Некоторые частицы разрушенной капли металла вылетают за пределы сварочной ванны (см. рис. 2.5).

Следовательно, величина потерь металла зависит от плотности сварочного тока, оказывающего влияние на характер переноса капли, интенсивность газового потока и окислительные процессы в капле жидкого металла. При сварке постоянным током потери будут больше, чем при использовании переменного тока.