Ленивкин В.А., Евченко В.М., Стрижаков Б.Л.
Методические указания по
выполнению лабораторной работы
по дисциплине «Электротехнологические
процессы и оборудование»
ДУГОВАЯ СВАРКА
Ростов-на-Дону 2007
Рассмотрены основные положения применения
электродугового разряда как интенсивного источника теплоты в различных технологических
процессах. Подробно рассмотрены особенности использования дуги при сварке.
Приведено рабочее задание. Описан ход выполнения лабораторной работы.
Предназначены для студентов специальностей
150202 всех форм обучения.
1.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучить физическую особенность
электрической дуги как инструмента для обработки металлов в машиностроении.
Ознакомиться с примерами применения электрической дуги в машиностроении и
оборудованием для дуговой сварки и наплавки.
2.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
В ряде электротермических процессов, идущих
с поглощением большого количества тепловой энергии, применяется электродуговой
разряд или электрическая дуга, которая нагревает различные среды до высоких
температур, недостижимых при сжигании топлива.
Электрическая дуга является одним из
явлений, возникающих при прохождении электрического тока через газ, пары и
вакуум. В обычных условиях различные газы и их смеси (воздух, аргон, гелий,
азот, углекислый газ и др.) не проводят электрический ток. Проводимость
возникает только тогда, когда в газовой среде появляются свободные заряженные
частицы – электроны, положительные и отрицательные ионы,
и газ превращается в плазму.
Сварочная дуга является электрическим
разрядом в газах. Она характеризуется высокой плотностью тока в
электропроводном газовом канале и низким напряжением между электродами.
Электропроводность газа дуг обусловлена заряженными частицами – электронами и
ионами, возникающими в результате его термической ионизации. Образующаяся смесь
нейтральных атомов, электронов и ионов носит название плазмы.
В электрической дуге энергия источника
питания преобразуется в кинетическую и потенциальную энергию частиц плазмы,
которая, в свою очередь, передается электродам и частично превращается в
электромагнитное излучение – фотоны, покидающие зону дуги.
Электропроводный газовый
канал, соединяющий электроды, имеет форму усеченного конуса или цилиндра. Его
свойства на различных расстояниях от электродов не одинаковы. Тонкие слои газа,
примыкающие к электродам, имеют сравнительно низкую температуру. В зависимости
от полярности электрода, к которому слои примыкают, называются катодной и
анодной областями дуги. По ориентировочным данным протяженность ℓк (толщина) катодной области равна нескольким длинам
свободного пробега нейтральных атомов, т.е. 10–4…10–5 см.
Анодная область приравнивается к длине свободного пробега электрона, имеющей порядок ℓа = 10–3…10–4
см. Между электродными областями располагается наиболее протяженная,
высокотемпературная область разряда – столб дуги, рис.1.
Рис. 1. Основные области дуги и распределение потенциала в дуге:
1 – катод; 2 – катодная область; 3 – столб; 4 – анодная область;
5 – анод
Напряжение дуги UД
распределяется между различными ее областями весьма неравномерно. Значительная
часть его подается в приэлектродных областях, что указывает на высокую напряженность
электрического поля Е = DU/Dℓ в них. Так, в катодной области протяженностью ℓк = 10…5 см и падением напряжения.
UК = 10…20 В
напряженность поля достигает величины ЕК = 2×106 В/см. В анодной области она оценивается значением
Еа = 104 В/см. Поэтому процессы,
протекающие в приэлектродных областях, играют первостепенную роль в механизмах
преобразования электрической энергии источников питания в тепловую и передаче ее
электродам.
В столбе дуги падение напряжения
сравнительно невелико, а напряженность поля в ном составляет 10…50 В/см. При отсутствии ограничений в радиальном развитии
столба дуги его диаметр, а также температура и напряженность поля в нем определяются
внутренними процессами.
При электрической дуговой сварке нагрев и
плавление металла осуществляется дуговым разрядом, возникающим между
электродами. Энергию, необходимую для образования и поддержания дугового
разряда, получают от источника питания переменного или постоянного тока.
Широкое практическое применение находит
дуга прямого действия, рис.2,а, горящая между свариваемым металлом и
специальным стержнем-электродом. В этом случае для сварки используется теплота,
выделяемая на электродах и в столбе дуги.
Рис. 2. Типы сварочных
дуг
Значительно реже применяется дуга
косвенного действия, горящая между двумя стержнями-электродами. В этом случае
для расплавления основного металла, который не включен в электрическую цепь,
используется теплота, выделяемая при соприкосновении свариваемых поверхностей
со столбом (плазмой) дуги, и теплота, получаемая за счет излучения и конвекции.
Сварку дугой косвенного действия можно выполнять как с присадочным металлом,
так и без него. Ограниченное применение дуги косвенного действия обусловлено ее
меньшей эффективностью.
Возможно использование комбинированной
дуги, включенной в сварочную цепь по схеме (рис.2,б). В этих случаях дуговой
разряд возникает между электродом и основным металлом, а дополнительная
присадочная проволока плавиться за счет теплоты столба дуги.
Дуговую сварку можно выполнять неплавящимся
электродом. Сварку неплавящимся электродом осуществляют дугой прямого или
косвенного действия. Шов образуется за счет плавления основного металла или
основного металла и присадочного металла. Материал электродов не участвует в
образовании шва. КПД дуги прямого действия достигает 0,3…0,4; КПД дуги косвенного
действия – 0,2…0,3.
При сварке плавящимся электродом дуга горит
между основным металлом и металлическим стержнем заданного химического состава
подаваемого в зону дуги по мере плавления. В состав шва входит расплавленный
основной металл и металл плавящегося электрода – электродный металл, а в
некоторых случаях и присадочный металл.
В качестве плавящегося электрода используют
сварочную (электродную) проволоку круглого сечения, порошковую проволоку,
электродную ленту и специальные электроды более сложной формы.
Сварка дугой прямого действия плавящимся
электродом является основным видом электрической сварки плавлением, КДД дуги
при этом способе достигает 0,7…0,9.
Процесс сварки состоит из ряда
последовательных операций, в результате которых формируется шов. К этим
операциям относятся возбуждение и поддержание дугового разряда, манипуляция
электродом для придания шву необходимой формы и для направления электрода по оси
соединения, перемещения дуги вдоль свариваемых кромок по мере формирования шва
заданного сечения, прекращения процесса. В зависимости от того, производятся ли
указанные операции вручную или при помощи механизмов, различают ручную,
механизированную и автоматическую сварку.
При ручной сварке все операции, необходимые
для образования шва, выполняют вручную без применения механизмов; электродами
длиной 250…450 мм.
При механизированной сварке плавящимся
электродом механизирована операция подачи электрода в зону дуги, для чего
служат специальные подающие механизмы. Манипуляции электродом, выполняемые для
поддержания заданного режима, придания шву формы осуществляйся вручную. Сварку
производят проволокой сплошного сечения или порошковой проволокой, подаваемой из
кассеты или непосредственно из бухты. Для подвода тока к электроду служит
держатель.
При автоматической сварке все операции,
связанные с подачей электродной проволоки в зону горения дуги, манипуляции с
электродом и перемещение ее вдоль шва осуществляется автоматически. Сварку при
этом ведут в большинстве случаев сварочной проволокой сплошного сечения
диаметром 1…6 мм. Проволока так же, как и при механизированной сварке, подается
из специальной кассеты или из бухты. Возможно, применение порошковой проволоки
и ленты.
При дуговой сварке происходит энергичное
взаимодействие находящегося в расплавленном состоянии металла сварочной ванны с
кислородом и азотом воздуха, что приводит к изменению химического состава и
ухудшению механических, коррозионных и других свойств металла шва. Поэтому
осуществляют защиту зоны сварки от окружающего воздуха. В качестве защитной
среды применяются флюсы или защитные газы (инертные или активные) и их смеси.
3.
СВАРОЧНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Для осуществления ручной дуговой сварки
необходимо сварочный пост комплектовать электродержателем
и специальным сварочным источником питания (трансформатором или выпрямителем) с
падающей вольтамперной характеристикой.
Для осуществления механизированной сварки
необходима сварочная горелка, механизм подачи электродной проволоки, система
защиты сварочной дуги и расплавленного металла, источник питания сварочной дуги
с определенными технологическими свойствами.
Сварочная горелка является наиболее важным
узлом любого сварочного устройства. С помощью горелки зажигается дуга и
осуществляется формирование и направление струи защитного газа или флюса. В
горелке закреплен электрод (в случае сварки неплавящимся электродом) или
токоподводящий наконечник для направления подачи электродной проволоки (в
случае сварки плавящимся электродом). Горелка – сменный инструмент и от ее
конструкции во многом зависит работоспособность сварочного устройства в целом.
Система защиты сварочной дуги состоит из: емкости
с защитным газом, подогревателя газа, предредукторного
осушителя газа, редуктора, ротаметра, газового клапана. В случае сварки под
флюсом система защиты состоит из флюсового бункера, флюсоподвода
и флюсосборника.
Установки для дуговой автоматической сварки
состоят из следующих устройств:
·
устройство для подачи электродной или
присадочной проволоки;
·
устройство для зажигания дуги;
·
устройство для передвижения дуги вдоль
свариваемых кромок;
·
система защиты дуги и сварочной ванны от
воздействия воздуха;
·
устройства направления электрода по шву;
·
система управления установкой.
4. РАБОЧЕЕ
ЗАДАНИЕ
4.1. Изучить основные физические процессы
дугового разряда как источника высокотемпературного нагрева металла.
4.2. Ознакомиться с применением
электрической дуги в различных технологических процессах в машиностроении.
4.3. Изучить основные узлы сварочных
автоматов и полуавтоматов.
4.4. Ознакомиться с работой сварочных
полуавтоматов и автоматов.
4.5. Ознакомиться с процессами механизированной
и автоматической сварки плавящимся электродом под флюсом в защитных газах.
4.6. Провести исследование формирования шва
и определить его размеры.
5.
ОБОРУДОВАНИЕ, ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
5.1. Сварочный автомат для сварки под
флюсом.
5.2. Сварочный полуавтомат и автомат для
сварки в защитных газах.
5.3. Образцы для наплавки швов.
5.4. Сварочный флюс АН-348.
5.5. Защитный газ в баллонах.
5.6.Газовая аппаратура.
5.7. Измерительный инструмент.
5.8. Средства индивидуальной защиты
(защитные маски и др.).
6. ХОД
РАБОТЫ
6.1. Изучить основные физические процессы
дугового разряда как источника высокотемпературного нагрева металла.
6.2. Изучить состав и основные узлы
сварочных автоматов и полуавтоматов для сварки под флюсом и в защитных газах.
6.3. Ознакомиться с порядком подготовки
оборудования для сварки на полуавтоматах и автоматах для дуговой сварки.
6.4. Ознакомиться с источником питания для
сварки и его электрическими характеристиками.
6.5. Подготовить сварочный автомат для
проведения процесса сварки.
6.6. Осуществить процесс наплавки валика на
образец.
6.7. Наблюдать за процессом горения дуги и
переносом металла с электродной проволоки в сварочную ванну.
6.8. Исследовать формирование шва и
определить его геометрические размеры.
7.
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
7.1. Опишите сущность электрического
дугового разряда.
7.2. Дуга как технологический инструмент.
7.3. Разновидности процесса дуговой сварки.
7.4. Основные конструктивные узлы сварочных
установок.
7.5. Указать типы заданных сварных
соединений.
7.6. Приведите выбранные режимы сварки.
7.7. Результаты исследования сварного
соединения.
7.8. Выводы.
ПРАВИЛО ТЕХНИКИ
БЕЗОПАСНОСТИ
ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ РАБОТЫ
При выполнении работы студент использует действующие
электротехнические установки и приборы, поэтому необходимо соблюдать меры
предосторожности от возможного поражения электрическим током и ожогов металлом,
нагретым до высоких температур. Наиболее часто поражение током происходит либо
при прикосновении к неизолированным частям электрооборудования, находящимся под
напряжением, либо в результате отсутствия заземляющих устройств.
1. Все студенты обязаны соблюдать следующие
правила безопасности:
2. Перед началом работы проверить надежность
заземления корпусов оборудования и источников питания.
3. При включении оборудования не
прикасаться к его корпусу и клеммам, а также к клеммам измерительных приборов.
4. После сварки запрещается брать образец
голыми руками.
5. При дуговой сварке необходимо
пользоваться средствами защиты от излучения сварочной дуги.
6. При выполнении работ необходимо
использовать спецодежду.