Задание

1. Получить образцы, провести поверхностный визуальный анализ на предмет наличия/отсутствия на поверхности изделия термической обработки, окислов.

2. Ознакомится с устройством и работой приборов для измерения твердости.

3. Произвести измерения твердости образцов из различных материалов.

4. Полученные результаты занести в протоколы испытаний.

5. Перевести значения твердости по Роквеллу в значения твердости по Бринеллю.

6. По полученным значениям твердости определить предел прочности.

7. По марочнику определить марку материала.

8. Составить отчет о проделанной работе.

Содержание отчета:

1. Цель работы.

2. Перечень основного оборудования.

3. Объяснение принципа измерения твердости материалов вдавливанием стального шарика и алмазного наконечника.

4. Протоколы испытаний I.I и I.2.

5. Выводы.

Контрольные вопросы

1. Какова размерность единиц по Роквеллу?

2. Назовите оптимальный диапазон измерения твердости на твердомере Бринелля.

3. Каковы требования к образцу для измерения твердости?

4. Расскажите о порядке измерения твердости по методу Бринелля (Роквелла).

5. Какую шкалу следует использовать при измерении твердости закаленного инструмента?

6. Почему нельзя измерять на прессе Бринелля твердость закаленной стали?

7. Как измерить твердость алюминиевого сплава при толщине образца более 10 мм?

8. Какие шкалы твердости имеются на приборе Роквелла?

9. Определите предел прочности стали, если ее твердость HRC25.

10. Определите прочность стали, если ее твердость HRB95.

11. Определите предел прочности стали при НВ262.

12. Твердость инструмента HRA86, определите его твердость по шкале HRC.

13. Твердость материала составляет НВ269, переведите данное значение в числа твердости по шкале Роквелла.

Приложение Протокол 1.1 Измерение твердости по методу Бринелля

Материал испытываемого образца	Диаметр отпечатка d, мм	Нагрузка Р, Н	Время испытания, с	Число твердости НВ (по таблице)	Предел прочности в, МПа

Протокол 1.2

Измерение твердости по методу Роквелла

Материал испытываемого образца	Тип наконечника	Нагрузка Р, Н	Число твердости по Роквеллу	Число твердости по Бринеллю	Предел прочности в, МПа

Лабораторная работа № 2 устройство и работа электрических источников питания сварочной дуги

Ц е л ь р а б о т ы: ознакомиться с конструкцией и принципом работы источников питания сварочной дуги и научиться определять внешнюю вольт-амперную характеристику сварочного выпрямителя.

Краткие сведения об источниках питания сварочной дуги

Источником теплоты, необходимой для расплавления металла соединяемых деталей и металла электрода при сварке плавлением является электрическая дуга. Условия, при которых происходит зажигание дуги, отличаются от условий устойчивого ее горения. Так, для устойчивого горения дуги при ручной дуговой сварке достаточно напряжения 25-30 В, а для зажигания дуги требуется более высокое напряжение, обычно 50-80 В. Зависимость между током в дуге и напряжением на дуге выражается статической вольт-амперной характеристикой дуги (рис.5.1 , кривая 1). При изменении длины дуги l меняется и напряжение, требующееся для ее устойчивого горения. Из рис. 5.1 видно, что увеличение длины дуги (с l до l₁) приводит к увеличению напряжения и наоборот, с уменьшением длины дуги (с l до l₂) напряжение снижается, то есть с изменением длины дуги происходит смещение ее статической вольт-амперной характеристики, что в конечном счете сказывается на качестве сварного шва.

С технологической точки зрения для питания дуги требуется различная сила тока, которая зависит от толщины изделия. Но для обеспечения качественного соединения расчетная сила тока для данной толщины изделия на протяжении всего процесса должна поддерживаться постоянной.

Таким образом, источник сварочного тока и сварочная дуга представляют собой единую энергетическую систему, поэтому источник тока должен обеспечивать надежное зажигание дуги и устойчивое ее горение в процессе сварки. С учетом этих требований источники питания дуги как переменного тока, так и постоянного тока должны удовлетворять следующим условиям.

1. Напряжение холостого хода (U_хх), то есть напряжение на выходных клеммах источника тока при разомкнутой сварочной цепи должно находиться в пределах 50-80 В (верхний предел ограничен нормами техники безопасности).

2. Источник тока должен обеспечивать работу в условиях короткого замыкания (I_к.з.), при этом I_к.з. не должен превышать двукратную величину рабочего тока.

3. При проведении сварки изделий различной толщины источник питания должен обеспечить регулирование силы тока в широком диапазоне, определяемом его паспортными данными.

Данным требованиям, например, при ручной дуговой сварке удовлетворяют источники сварочного тока с падающей внешней вольт-амперной характеристикой (рис. 5.1, кривая 2). Возможные отклонения в ходе сварки положения электрода в пространстве и связанное с этим изменение длины дуги приводят к смещению статической вольт-амперной характеристики дуги и к изменению режима сварки - напряжения и силы сварочного тока. При этом, чем круче внешняя характеристика источника тока, тем меньше будут колебания величины тока при изменении длины дуги, то есть более стабильным будет процесс сварки.

Значение рабочего тока и напряжения определяется точкой пересечения статической характеристики дуги и внешней вольт-амперной характеристики источника тока (точка А на рис. 5.1).

Учитывая указанные условия становится ясным, почему недопустимо использовать для сварки обычные (силовые) источники тока, в этом случае при загорании дуги ток короткого замыкания возрастает неограниченно (кривая 3 на рис. 5.1), что неизбежно приведет к выходу из строя токопроводов или самих источников тока.

Следует иметь в виду, что при сварке на переменном токе электрическая дуга периодически гаснет (100 раз в секунду при частоте 50 Гц). Чтобы устранить явление угасания дуги в этом случае в электрическую цепь дополнительно включают индуктивное сопротивление - дроссель, представляющий собой катушку на стальном сердечнике, что позволяет получить сдвиг фаз на синусоидальной кривой тока и обеспечить требуемое напряжение для зажигания дуги в момент перехода кривой тока через нуль (рис. 5.2).

Таким образом, устойчивое горение электрической дуги при ручной дуговой сварке возможно лишь при падающей внешней характеристике источника тока и наличии в цепи индуктивного сопротивления. На практике источники тока с падающей характеристикой широко применяются при ручной дуговой сварке штучными электродами, механизированной и автоматической дуговой сварке под флюсом, в среде защитных газов. Они обеспечивают легкость зажигания дуги, устойчивость ее горения, ограничивают ток короткого замыкания значениями, безопасными для токоподводящих кабелей и самих источников тока.

При сварке на переменном токе источником питания сварочной дуги являются сварочные трансформаторы, при сварке на постоянном токе - сварочные выпрямители и генераторы.

СВАРОЧНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ. Сварочные трансформаторы преобразуют переменное сетевое напряжение в пониженное, необходимое для сварки. Это наиболее простые и дешевые источники тока.

Падающая внешняя характеристика в трансформаторах создается путем введения индуктивного сопротивления во вторичную цепь, для этого применяют следующие варианты. Включение дроссельной катушки, отделенной от трансформатора (трансформаторы типа СТЭ), либо конструктивно объединенной в одно целое с трансформатором (трансформаторы типа СТН). Имеются трансформаторы, в которых индуктивное сопротивление создается с помощью магнитных шунтов (трансформаторы типа СТШ), либо путем изменения расстояния между первичной и вторичной обмотками трансформатора (тип ТД).

Схема сварочного трансформатора ТД-500 приведена на рис. 5.3. Трансформатор имеет по две пары обмоток, одна из которых (первичная) включается в сеть, а к зажимам другой (вторичной) присоединяется провод - один к электродержателю, другой - к свариваемому изделию. Внешняя характеристика трансформатора - падающая, изменение расстояния между катушками позволяет изменять величину тока с учетом толщины свариваемых изделий.

Устройство трансформатора ТД-500 показано на рис. 5.4, а в таблице 5.1 приведены его технические данные.

Трансформатор имеет два диапазона сварочных токов: большие токи - при параллельных соединениях двух катушек первичной и двух катушек вторичной обмоток, и малые токи - при последовательных их соединениях.

Таблица 5.1

Технические характеристики сварочного трансформатора ТД-500

Потребляе- мая мощность N, кВА	Напряжение, В		Пределы регулирования сварочного тока Iсв,А	Номиналь- ное напря-жение Uсв, В	КПД %	Масса кг
	первич-ное	вторич-ное
32,0	220-380	60-76	85-560	30	87	180

Для сварочных работ в монтажных условиях применяют переносные аппараты также с подвижными катушками обмоток типов ТД-102 и ТД-306 (соответственно номинальный сварочный ток 175 и 300 А).

СВАРОЧНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ. Сварочными выпрямителями называют электрические аппараты, преобразующие переменный ток трехфазной сети в постоянный при помощи полупроводниковых приборов - диодов и тиристоров. Диод обладает свойством односторонней проводимости положительного тока и задержки отрицательного тока. Аналогично диоду работает тиристор, который имеет управляющий электрод для подачи сигнала тиристору при открывании и пропуске тока. Управляемые диоды называют также полупроводниковыми вентилями, которые могут быть селеновыми или кремниевыми.

Сварочные выпрямители повышают стабильность горения дуги, уменьшают разбрызгивание металла при сварке и улучшают качество сварного шва по сравнению со сваркой на переменном токе.

В практике часто используют трехфазную мостовую схему выпрямления с использованием трехфазных трансформаторов (рис. 5.5). Структурная схема выпрямителя представлена на рис. 5.6, такая схема применяется для однопостовых выпрямителей с падающей характеристикой типов ВД-201, ВД-306, ВД-401 на токи 200, 315 и 400 А, которые благодаря простоте конструкции, надежности и легкости обслуживания широко применяются при производстве сварочных работ.

Основные элементы выпрямителя:

- силовой трансформатор 1 для понижения сетевого напряжения до требуемого при сварке;

- блок тиристоров (вентилей) 2 для выпрямления переменного тока;

- дроссель (индуктивное сопротивление) 3 для уменьшения пульсации выпрямленного тока дуги 4.

Изменение диапазонов токов в выпрямителях обеспечивается переключением первичных, а также вторичных обмоток трансформаторов с "треугольника" на "звезду". Плавное регулирование в пределах диапазонов осуществляется путем перемещения катушек вторичной обмотки ходовым винтом. Выпрямительный мост состоит из шести кремниевых вентилей В200. Вентиляция для охлаждения вентилей - воздушная, принудительная.

Технические данные выпрямителя ВД-306 представлены в табл. 5.2.

Таблица 5.2

Технические характеристики выпрямителя ВД-306

Номинальный сварочный ток Iсв, А	Пределы регулирования тока, А	Напряже-ние холостого хода Uхх,В	Рабочее напряже-ние Uсв, В	Потребляемая мо-щность N, кВА	КПД, %	Масса, кг
315	45-315	70	22-32	21	70	164

Порядок выполнения работы

1. Изучить устройство и принцип работы сварочного трансформатора ТД-500 и выпрямителя ВД-306.

2. Снять внешнюю характеристику выпрямителя ВД-306, выполнив следующие операции:

а) подключить параллельно выпрямителю балластные реостаты по схеме согласно рис. 5.7. Балластный реостат предназначен изменять величину электросопротивления в сварочной цепи и регулировать режим сварки, в данном случае изменение сопротивления имитирует изменение длины дуги;

б) переключатель диапазонов тока установить в положение "малые токи";

в) регулировочной рукояткой раздвинуть катушки в крайнее положение;

г) включить выпрямитель в сеть и снять показания вольтметра на холостом ходу;

д) произвести поочередное включение сопротивлений балластного реостата в порядке согласно протокола 1, записав при этом показания вольтметра и амперметра;

е) работы по поз. г) и д) повторить при других положениях катушек трансформатора.

3. По результатам измерений (протокол 1) построить внешнюю характеристику выпрямителя ВД-306 для четырех положений катушек трансформатора в координатах напряжение-сила тока.

4. Сделать выводы.

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Краткое описание устройства сварочного трансформатора и выпрямителя с зарисовкой их электрических схем.

3. Определение понятий: статическая вольт-амперная характеристика дуги и внешняя характеристика источника тока.

4. Результаты измерений опыта (протокол 1).

5. График внешней характеристики выпрямителя ВД-306 для четырех положений катушек трансформатора.

6. Выводы.

Техника безопасности при выполнении лабораторной работы

В целях избежания несчастных случаев и травматизма при выполнении работы необходимо соблюдать следующие правила техники безопасности.

1. Включать и выключать рубильники питания установки и балластного реостата только по указанию учебного мастера.

2. Все подготовительные операции производить только при выключенном выпрямителе.

3. Не касаться во время работы токоведущих частей установки.

Протокол 1

Результаты измерения электрических параметров

сварочного выпрямителя ВД-306

№ звена	Положение катушек трансформатора	Положение рубильника реостата	Напря-жение	Ток, А
1	1 (максимально раздвинуты)	Холостой ход 1 4 2-5 2-4-5 1-2-3-4-5
2	3	Холостой ход 1 4 2-5 2-4-5 1-2-3-4-5
3	6	Холостой ход 1 4 2-5 2-4-5 1-2-3-4-5
4	9 (максимально сдвинуты)	Холостой ход 1 4 2-5 2-4-5 1-2-3-4-5

Контрольные вопросы

1. Что называется статической вольт-амперной характеристикой сварочной дуги?

2. Что называется внешней вольт-амперной характеристикой источника питания дуги?

3. Какая разница между силовым и сварочным трансформатором?

4. Какая внешняя характеристика должна быть у источника тока при ручной дуговой сварке?

5. Нарисуйте электрическую схему сварочного трансформатора.

6. Поясните назначение дросселя в электрической цепи при сварке на переменном токе.

7. Поясните назначение дросселя в электрической цепи при сварке на постоянном токе.

8. Почему диоды и тиристоры называют вентилями?

9. Расскажите о преимуществах сварки металлов на постоянном токе.

10. Какие источники питания применяются при сварке на постоянном токе и переменном токе?

11. Объясните устройство и принцип действия сварочного трансформатора типа ТД-500.

12. Расскажите об устройстве и принципе действия сварочного выпрямителя типа ВД-306.

13. Объясните назначение балластного реостата в сварочной цепи.

14. Объясните связь между характером полученных в лабораторной работе кривых и толщиной свариваемых деталей.