Задание студенту

1. Ознакомиться с основными положениями.

2. Рассмотреть и зарисовать макроструктуру сварного шва из малоуглеродистой стали Св.08 и основного металла в зоне сварки, показать в зоне наплавленного металла направление первичных кристаллов.

3. Замерить твердость сварного соединения по зонам: наплавленный металл, з. т. в. и основной металл.

Показать на рисунке макроструктуры сварного соединения точки, в которых измерялась твердость. Между твердостью, определяемой методами вдавливания, и пределом прочности низкоуглеродистых сталей существует количественная зависимость:

• при твердости 120...175 НВ _в ˜ 0,34 НВ;

• при твердости 175...450 НВ _в ˜ 0,35 НВ;

Выполнить расчеты по результатам измерений твердости и сделать выводы.

4. Рассмотреть под микроскопом и зарисовать микроструктуру по зонам в однопроходном сварном шве малоуглеродистой стали.

5. Дать характеристику макро- и микроструктуры качественного сварного соединения.

6. Ответить на контрольные вопросы.

Содержание письменного отчета

1. Записать основные положения данной работы.

2. Нарисовать макроструктуру сварного соединения.

3. Записать результаты измерения твердости по зонам сварного соединения и результаты расчетов _в.

4. Зарисовать микроструктуру зон сварного соединения с указанием распределения температуры по его сечению.

5. Сделать выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Какие методы металлографического анализа применяются для изучения структуры сварных соединений? Укажите их назначение.

2. Какие характерные зоны выделяются в сварных соединениях?

3. Какими методами измеряют твердость отдельных зон и участков сварных соединений?

4. Опишите строение сварного шва и околошовной зоны. Какие структурные превращения протекают в з. т. в. при сварке низкоуглеродистых сталей?

5. Какая существует связь между структурой, свойствами и качеством сварных соединений?

Литература

1. Дриц М. Е., Москалев М. А. ТКМ и материаловедение. М.: ВШ, 1990, с. 307-309.

2. Китаев А. М., Китаев Я. А. Дуговая сварка. М.: Машиностроение, 1983, с. 34-45.

3. Кондратьев Е. Т. ТКМ и материаловедение. М.: Колос, 1992, с. 284-286.

Лабораторная работа № 13

Снятие внешних характеристик сварочного трансформатора тд-300

Цель работы: ознакомиться с требованиями к источникам питания для электродуговой сварки; изучить принцип работы сварочного трансформатора и метод регулирования сварочного тока. Ознакомиться с вольт-амперной статической характеристикой дуги; снять внешние характеристики сварочного трансформатора, определить режим наибольшей устойчивости сварочной дуги и оптимальные параметры сварки.

Оснащение рабочего места

1. Плакаты со схемами сварочных трансформаторов.

2. Трансформатор-стенд.

3. Трансформатор ТД-300.

4. Жидкостный реостат.

5. Измерительные приборы: вольтметр, амперметр.

6. Штанга для короткого замыкания.

7. Резиновые коврики, перчатки.

Основные положения

Техническая характеристика сварного трансформатора ТД-300 (Т - трансформатор; Д – дуговой) «300» - максимальный из номинальных сварочный ток I_св.mах = 300 А (из номинальных, т.е. рекомендованных величин тока при продолжительности сварки ПР=60%). Таким образом, рекомендуются номинальные (рабочие) сварочные токи I_св ≤ 300 А.

ПР – повторно-кратковременный режим (отношение продолжительности рабочего периода (собственно сварки) к продолжительности цикла сварки. Продолжительность цикла сварки равна сумме времени сварки рабочего периода и холостого хода, когда оборудование подключено к сети, но сварка не ведётся.

ТД-300 служит для питания одного сварочного поста при ручной дуговой сварке, резке и наплавке металлов переменным током промышленной частоты (50 Гц).

Толщина свариваемых кромок - от 3 до 14 мм и более. Сварка производится электродами диаметром от 3 до 8 мм.

Максимальный рабочий сварочный ток	300 А
Пределы регулирования сварочного тока:
при диапазоне малых токов	60-160 А
при диапазоне больших токов	160-385 А
Номинальное первичное напряжение	380 В
Первичный ток	53,5 А
Вторичное напряжение (холостого хода):
при диапазоне малых токов	78 В
при диапазоне больших токов	60 В
Условное номинальное рабочее напряжение под нагрузкой
(при длине дуги 5 мм)	32 В
Потребляемая мощность	20,5 кВт

Сварочные трансформаторы просты по устройству и в эксплуатации, имеют более высокий КПД, чем генераторы постоянного тока, способны работать непосредственно от силовой сети переменного тока.

Основные требования к сварочным трансформаторам:

1) наличие падающей внешней характеристики;

2) обеспечение постоянных по величине тока и напряжения.

Внешней характеристикой любой электрической машины называется зависимость напряжения от силы тока на ее зажимах. Различают жесткие, падающие и возрастающие внешние характеристики (рис. 1).

При работе на жестких характеристиках по мере увеличения нагрузки во внешней цепи напряжение не изменяется (осветительная, силовая цепь). Во время коротких замыканий в такой сети сила тока достигает больших величин, что ведет к перегоранию предохранителей или загоранию проводов.

Возрастающие характеристики применяются при автоматической сварке. При ручной дуговой сварке используются аппараты только с падающими характеристиками, так как только они способны ограничить токи короткого замыкания, весьма часто возникающие в процессе сварки. Режим короткого замыкания имеет место в момент возбуждения дуги сварщиком путем касания электродом изделия, через каплю металла, накоротко замыкающую дуговой промежуток и т.д., то есть является равноправным с рабочим режимом.

Если бы у сварочных аппаратов не было падающих характеристик, то обмотки трансформаторов воспламенялись бы в случае отказа предохранителей.

Сварочные трансформаторы являются понижающими и так же, как обычные основаны на принципе магнитной индукции. Однако они отличаются от обычных трансформаторов тем, что для получения падающих характеристик в их вторичную, то есть сварочную цепь, включена катушка индуктивности - так называемый дроссель. Дроссель вырабатывает ЭДС самоиндукции, направленную противоположно наводимой ЭДС индукции со стороны первичной обмотки и взаимодействует с нею алгебраически. Чем больше ток в сварочной цепи, тем больше противо-ЭДС и тем меньше суммарное напряжение. При максимально возможном токе - токе короткого замыкания - суммарное напряжение равно нулю, а на оси «I» отсекается отрезок величины тока короткого замыкания I_кз.

При обрыве сварочной дуги противо - ЭДС становится равной нулю, и таким образом, в отсутствие тока в цепи напряжением снова станет равным ЭДС индукции, то есть напряжение холостого хода U_xx (отрезок на оси «U» - рис. 1).

Рисунок 1 - Внешние характеристики: 1 – жесткая; 2 – возрастающая; 3 – падающая

Для регулирования потока самоиндукции магнитопровод в дросселях делают разъемным с регулируемым воздушным зазором. Изменяя величину воздушного зазора, можно получить бесчисленное множество внешних характеристик трансформатора и столько же величин сварочного тока I_св, т.е. можно регулировать (менять или задавать) величину I_св.

Однако ТД-300 относится к группе трансформаторов с повышенным рассеянием магнитного потока, роль дросселя в которых выполняют подвижные катушки вторичной обмотки. При сближении первичной и вторичной обмоток достигается уменьшение индуктивности рассеяния, что приводит к уменьшению суммарного напряжения (противо-ЭДС рассеялось немного, и ее вычитание из основной ЭДС дает малое суммарное напряжение) и увеличению сварочного тока. Увеличением же расстояния между обмотками достигается увеличение рассеяния и уменьшение сварочного или настроечного тока. Поэтому такие трансформаторы называют трансформаторами с повышенным магнитным рассеянием. Таким образом, эти трансформаторы способны выработать бесчисленное множество внешних характеристик (рис. 2) и столько же величин сварочных токов.

Рисунок 2 - Внешние характеристики сварочного трансформатора для ручной дуговой сварки (а – крутопадающая; б – пологопадающая)

Упрощенная схема трансформатора с повышенным рассеянием магнитного потока представлена на рис. 3.

Рисунок 3 - Упрощенная схема сварочного трансформатора с повышенным рассеянием магнитного потока

Сварочный трансформатор состоит из следующих основных узлов: магнитопровода (1); первичной обмотки (2); вторичной обмотки (3).

Сварочная цепь 5 включает в себя вторичную обмотку, электрододержатель 4 и сварочный столик 6.

Через верхнее ярмо трансформатора пропущен ходовой винт 7, опирающийся на подпятник 8. Ходовой винт ввинчивается в ходовую гайку 9, вмонтированную в траверсу подвижной вторичной обмотки. При вращении ходового винта, осуществляемом с помощью рукоятки 10, находящейся сверху трансформатора, перемещается вторичная обмотка, и тем самым изменяется расстояние между обмотками (регулируется величина сварочного тока).

На рис. 3 показано параллельное соединение парных катушек в первичной и вторичной обмотках. При такой схеме подключения получают диапазон больших настроечных токов (160-365 А).

Если катушки соединить между собой (попарно) последовательно, то получится диапазон малых настроечных токов (60…160 А), который с успехом можно использовать при сварке тонких листов и т. п.

Диапазоны тока (на последовательное или параллельное соединение катушек) обеспечиваются переключателем барабанного типа, рукоятка которого выведена на крышку трансформатора (на рис. 3 не указана).

Проведение эксперимента

Источник питания и сварочная дуга представляют собой единую энергетическую систему. Это означает равенство токов и напряжения на дуге и зажимах трансформатора. Однако характер проводимости в этих участках единой цепи различен, поскольку дуга является проводником второго рода (с ионной проводимостью), а трансформатор - первого рода (с электронной проводимостью).

Важным различием их является то, что при повышении температуры проводника второго рода его проводимость увеличивается, а первого рода - снижается.

В электрических цепях наиболее сильное влияние на повышение температуры в в проводниках оказывает сила тока. Согласно закону Джоуля – Ленца, (калорий)

Q=0,24I²×Rt, (1)

где Q - количество тепла;

0,24 - тепловой эквивалент;

I- сила сварочного тока, А;

R - сопротивление, Ом;

t - время, с.

Квадратичная зависимость между током и тепловыделением показывает, что даже небольшие изменения силы сварочного тока могут вызвать резкие колебания скорости оплавления электрода, привести к неровностям наплавки и нарушению расчетного сечения сварного шва, т.е. к браку.

Сварочная дуга также имеет свою внешнюю характеристику, которую называют статической вольт-амперной характеристикой. Статической она называется потому, что справедлива только для одной ее длины. Если изменить длину дуги, то получится новая вольтамперная характеристика. Таким образом, и дуга может иметь бесчисленное множество характеристик (рис. 4).

Напряжение на дуге

U_д=a_ка+blg, (2)

где a_ка - сумма напряжений в катодной и анодной областях (a_ка=10 В);

b - падение напряжения в столбе дуги (b = 2 В/1 мм дуги);

lg - длина дуги, мм, lg = 2...5...8.

На рис. 4 видно, что при ручной дуговой сварке, характеризующейся применением токов в диапазоне 80...1000 А, напряжение не зависит от силы тока. Однако оно сильно зависит от длины дуги (по вертикали, т. е. от ее сопротивления).

Рабочие режимы сварки при данной длине дуги и данном настроечном токе определяют путем наложения вольт-амперной характеристики дуги на внешнюю характеристику источника питания и нахождения точек их пересечения (рис. 5, точки 1 и 2).

Предположим, что при одном и том же настроечном токе трансформатора, которому соответствует внешняя характеристика на рис. 5, длина дуги изменяется на 5 мм, что соответствует изменению напряжения дуги на 10 В. Поскольку сварка на режимах точек 1 и 1` никогда не ведется из-за слишком малых токов и неустойчивого состояния дуг, необходимо определить какое изменение тока в сварочной цепи получится при уменьшении длины дуги на 5 мм при переходе от режима точки 2 (I<sub>2</sub>; U<sub>2</sub>) к режиму точки 2` (I₂`; U<sub>2</sub><sup>`</sup>). Разность DI и составит искомую величину разбаланса тока в сварочной цепи.

Рисунок 4 - Статическая вольт-амперная характеристика сварочной дуги (l – длина дуги; l₁> l₂> l₃)