4. Работа 1. Ручная дуговая сварка плавлением открытой дугой

4. 1 Цель работы

Изучить свойства электрической сварочной дуги, ознакомиться с основными видами электрической сварки открытой дугой. Изучить оборудование для сварки постоянным и переменным током. Исследо­вать внешние характеристики источников сварочного тока. Ознако­миться с процессом ручной дуговой сварки и выполнить практичес­кую работу по сварке.

4.2. Основы теории электрической дуговой сварки.

Тепловая энергия сварочной дуги

Основным источником тепла при электрической дуговой сварке плавлением является электрический дуговой разряд.

Электрическая дуговая сварка может производиться плавящимся (металлическим) и неплавящимся (угольным, вольфрамовым) электро­дами. Металлический электрод служит проводником электрического тока (рис. 4.1,а) и одновременно выполняет роль присадочного ма­териала. Неплавящийся электрод служит лишь проводником сварочного тока (рис. 4.1, б), присадочная проволока вводится в зону свароч­ной дуги.

Рис. 4.1. Схемы Сварки:

а - плавящимся электродом; б - неплавящимся электродом.

Электрической сварочной дугой называется длительный мощный электрический разряд в сильно ионизированной смеси газов и паров металлов между электродом и свариваемым металлом. Электрическая сварочная дуга является концентрированным источником тепловой и световой энергии.

Ионизация дугового промежутка происходит во время зажигания дуги и непрерывно поддерживается в процессе её горения. Процесс зажигания дуги включает три этапа: короткое замыкание электрода на заготовку, отвод электрода на расстояние 3-6 мм и возникно­вение устойчивого дугового разряда. Короткое замыкание (рис.4.2,а) выполняется для разогрева торца электрода 1 и заготовки 2 в зоне контакта с электродом. После отвода электрода (рис.4.2,б) с его разогретого торца (катод) под действием электрического поля начи­нается термоэлектронная эмиссия электронов 3. Столкновение быстродвижущихся по направлению к аноду электронов с молекулами газов и паров металла приводит к их ионизации 4. По мере разогрева столба дуги и повышения кинетической энергии атомов и молекул происходит дополнительная ионизация за счет их соударения. В результате дуговой промежуток становится электропроводным, и через него начинается разряд электричества. Процесс зажигания дуги заканчи­вается возникновением устойчивого дугового разряда (рис. 4.2, в).

Рис. 4.2. Схема процесса зажигания дуги

Температура столба дуги 6 зависит от материала электрода и состава газов в дуге, а температура катодного 5 и анодного 7 пя­тен приближается к температуре кипения металла электродов. Эти температуры для дуги покрытого стального электрода составляют соответственно ~ 6000 и ~ 3000° К. При этом в анодной области дуги, как правило, выделяется значительно больше тепловой энергии, чем в катодной.

Электрическая сварочная дуга переменного тока промышленной частоты (f = 50 Гц) горит неустойчиво. Она возбуждается и гаснет 100 раз в секунду.

Устойчивость горения сварочной дуги переменного тока зависит от интенсивности повторного зажигания дуги в каждом полупериоде. Интенсивность повторного зажигания дуги определяется степенью ионизации газов в дуговом промежутке. При недостаточной степени ионизации газовой среды повторное возбуждение дуги происходит при повышенном напряжении, называемом напряжением зажигания дуги. Из диаграммы (рис. 4.3) видно, что напряжение зажигания дуги U3 вы­ше напряжения её длительного горения Ug. Следовательно, для боль­шей устойчивости сварочной дуги переменного тока необходимо пони­зить напряжение зажигания дуги путем повышения степени ионизации газовой среды в дуговом промежутке. Наиболее эффективно повышение стабильности горения дуги путем нанесения на металлические стержни электродов покрытий, содержащих элементы с низким потенциалом ионизации.

Рис. 4.3. Кривые тока J_g , напряжения дуги U_g и источника U_u в сварочной цепи перемен­ного тока

Полная тепловая мощность дуги, Дк/с :

(4.1)

где - сварочный ток, А; - напряжение дуги, В.

Ввиду того, что часть тепловой энергии сварочной дуги не используется для плавления металла детали, определяют эффективную тепловую мощность - количество тепла, введенное дугой в свариваемый металл в единицу времени

(4.2)

где η - КПД сварочной дуги.

КПД сварочной дуги зависит от условий сварки: при сварке открытой дугой η=0,5÷0,6; при сварке электродами с тонкими покрытиями η = 0,6 4÷0,7; при сварке электродами с толстыми покрытиями η = 0,7÷0,8. При сварке под слоем флюса энергия дуги используется более эффективно - η = 0,8÷0,9,5.

В процессе сварки электроды нагреваются двумя источниками: тепловой энергией сварочной дуги и теплом, выделяющимся при про­текании сварочного тока по вылету электрода".

При горении сварочной дуги тепло в электрод вводится через катодное пятно нагрева. Установлено, что тепловая энергия свароч­ной дуги нагревает электрод с торца по длине не более 10 мм.

Рис. - 4. Вылет электрода:

а- - при ручной сварке;

б - при автоматической сварке под слоем флюса

Тепловая энергия, выделяемая по закону Джоуля-Ленца, нагре­вает электрод по длине вылета (рис. 4.4) и способствует ускорению плавления электрода. Количество тепловой энергии (Дж), выделяемое на вылете электрода, зависит от плотности сварочного тока, длины вылета и удельного сопротивления металлического стержня электрода:

, (4.3)

где l_в - длина вылета, м; F - площадь сечения электрода, м²; t - продолжительность протекания сварочного тока, ρ - удельное сопротивление, Ом·м.

Из уравнения (4.3) следует, что количество тепла, выделяемое в электроде в единицу времени, будет тем больше, чем больше плот­ность тока, удельное сопротивление и вылет электрода. Это при руч­ной сварке приводит, к значительному повышению температуры электро­да, что ограничивает величину тока, применяемую при этом способе сварки. Установлено, что нормальное качество шва будет обеспечено, если температура огарка в момент окончания расплавления электрода не будет превышать 600 - 700° С.

Производительность электрической сварки определяется количеством наплавленного металла в единицу времени (г/ч) и зависит от сварочного тока и коэффициента наплавки.

, (4.4)

где k_H - коэффициент наплавки, г/(А·ч).

Коэффициент наплавки k_H характеризует количество наплавлен­ного металла электрода на поверхность детали под действием тока в 1 А за единицу времени.

Величина коэффициента наплавки зависит от многих факторов: силы сварочного тока, марки электрода, положения сварочного шва в пространстве и др.