
- •Лабораторная работа №1 Исследование стабильности горения сварочной дуги переменного тока
- •1.1. Задачи работы, стоящие перед студентами
- •1.2. Применяемое оборудование, контрольно- измерительные приборы и материалы
- •1.3. Основы теории сварочной дуги
- •Механизм образования и рекомбинации заряженных частиц
- •Основные механизмы образования заряженных частиц:
- •Особенности горения электрической дуги переменного тока
- •Способы стабилизации горения сварочной дуги переменного тока
- •1.4. Порядок проведения экспериментальных исследований
- •Результаты исследования легкоионизирующихся компонентов на
- •Построение математической модели
- •Порядок расчета математической модели на компьютере
- •38.7 27.0 24.7 37.5 7.0 8.0 9.0
- •2.2. Применяемое оборудование, контрольно- измерительные приборы и материалы
- •2.3. Основы теории тепловых процессов сварочной дуги и массопереноса металла через дуговой промежуток, основные параметры электродуговой сварки
- •Процесс массопереноса расплавленного металла через межэлектродный промежуток
- •Основные параметры электродуговой сварки
- •2.4. Порядок проведения экспериментальных исследований
- •2.5. Построение математической модели
- •Порядок расчета математической модели на компьютере Порядок расчета математической модели на компьютере
- •Исходные данные
38.7 27.0 24.7 37.5 7.0 8.0 9.0
9.0 7.0 8.0 13.0 14.0 13.0 12.0
13.0 12.0 18.0 17.0 19.0 18.0 17.0
18.0 9.0 8.0 9.0 8.0 8.0 10.0
PACЧET ДИCПEPCИИ BOCПPOИЗBOДИMOCTИ
ПOCTPOEHИE MATEMATИЧECKOЙ MOДEЛИ
A= .438466E+02 P= .0 B= .423472E-01
X(I) YM1(I) YT(I)
38.70 .848528E+01 .851528E+01
27.00 .118272E+02 .139757E+02
24.70 .176603E+02 .154055E+02
37.50 .926764E+01 .895918E+01
ПPOBEPKA AДEKBATHOCTИ MATEMATИЧECKOЙ MOДEЛИ
MATEMATИЧECKAЯ MOДEЛЬ AДEKBATHA
Рис.1.7. Листинг расчета математической модели на компьютере
Математическая модель зависимости критического расстояния между электродами имеет вид: Lкр = 59,1819 exp( -0,0524249x)
Рис.1.8. Зависимость критического расстояния lкр от приведенного потенциала ионизации х
Лабораторная работа по сварке №2
Исследование влияния силы сварочного тока на значения коэффициентов наплавки и расплавления
2.1. Задачи работы, стоящие перед студентами
2.1.1. Закрепить теоретические знания, полученные на лекциях.
2.1.2. Получить навыки по постановке задачи и проведения иссле-дований.
2.1.3. Ознакомиться с лабораторным оборудованием и контрольно-измерительными устройствами.
2.1.4. Провести исследования экспериментальные исследования влияния силы сварочного тока на значения коэффициентов наплавки и расплавления
2.1.5. Построить математическую модель и обработать результаты экспериментальных исследований на персональных компьютерах.
2.2. Применяемое оборудование, контрольно- измерительные приборы и материалы
При проведении лабораторной работы в распоряжении студентов:
сварочный трансформатор, электрододержатель, электронные весы, штангенциркуль, металлические пластинки.
2.3. Основы теории тепловых процессов сварочной дуги и массопереноса металла через дуговой промежуток, основные параметры электродуговой сварки
Сварочная дуга является мощным концентрированным источником тепловой энергии. Электрическая энергия, потребляемая сварочной дугой, преобразуется в тепловую энергию, которая локально вводится в место соединения заготовок.
Полная тепловая энергия, выделяемая при горении электрической сварочной дуги, может быть рассчитана по формуле:
Qп = I∙U∙t, Дж (2.1 )
где I – сила сварочного тока (А); U – напряжение сварочной дуги (В); t – время сварки (с).
Однако не вся тепловая энергия, выделяющаяся при горении сварочной дуги, расходуется на нагрев и расплавление основного металла и электрода; часть тепловой энергии рассеивается в окружающей среде и расходуется на плавление покрытия электрода.
Эффективной тепловой энергией (Qэфф) называется полезно используемая при сварке теплота, которая рассчитывается по формуле:
Qэфф = I∙U∙t, Дж (2.2)
где I – сила сварочного тока, А; U – напряжение сварочной дуги ,В; t – время сварки, с.
Полная тепловая мощность рассчитывается по формуле:
Qп = I∙U, Вт (2.3)
где I – сила сварочного тока (А); U – напряжение сварочной дуги (В).
Эффективная тепловая мощность рассчитывается по формуле:
Qэфф = η∙I∙U, Вт ,Дж/с (2.4)
где η – коэффициент полезного использования тепловой энергии сварочной дуги; I – сила сварочного тока (А); U - напряжение сварочной дуги, В.
Величина зависит от способа сварки, материала электрода, состава покрытия и других факторов. При сварке открытой дугой электродами с толстым покрытием =0,70…0,75, при автоматической сварке под слоем флюса =0,85…0,90.
Электроды или сварочная проволока при различных способах дуговой сварки плавлением нагреваются от двух источников тепловой энергии: эффективной тепловой энергии сварочной дуги и тепловой энергии, которая выделяется при протекании тока по вылету электрода. Тепло, выделяемое на вылете электрода, рассчитывается по закону Джоуля–Ленца, которое рассчитывается по формуле 14
, (2.5)
где - удельное сопротивление металла, Омм; lвыл – длина вылета не более 0,42…0,43 м; F – площадь сечения сварочной проволоки, м2.
При соблюдении оптимальных режимов сварки сварочная прово-
лока по длине вылета нагревается до 870 К (600C). 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 отслаивается от поверхности электрода. Поэтому при ручной дуговой сварке величину тока ограничивают.
Температура в столбе электрической дуги по разным источникам колеблется от 5000 К - 7000 К, температура на катоде - 3000 К, на аноде - 3300 К. При таких температурах скорости химических реакций и реакций диссоциации различных газов, веществ велики.
Высокие температуры в реакционной зоне обуславливают высокие скорости протекания химических реакций; температурная зависимость констант скоростей химических реакций определяется законом Аррениуса
K(T) = Ko exp ( - Ea/RT), (2.6)
где Ko - предэкспоненциальный множитель или множитель Аррениуса; Ea – энергия активации химических реакций, Дж/моль; R – газовая постоянная, R=8.314 Дж/(мольК); T – температура в реакционной зоне горения электрической дуги.
В реакционной зоне сварочной дуги имеют место диссоциация газов и веществ покрытий электродов.
Температура в дуговом промежутке равна Т= 5000 …7000 К, на электродных пятнах соответственно - 3000…3500 К. При этих температурах двухатомные газы полностью диссоциированы. На рис.1 приведена температурная зависимость степени диссоциации.
При температурах Т ~6000 - 7000 К кислород и водород практически полностью диссоциированы, степень диссоциации азота намного меньше. Атомарные кислород, водород, азот активно взаимодействуют в химических реакциях и активно растворяются в металле. В состав покрытий и флюсов входит плавиковый шпат CaF2, который диссоциирует по реакции
CaF2 = CaF + F.
При температуре Т= 3000 С степень диссоциации = 0,92. F - атомарный фтор ухудшает стабильность горения дуги вследствие высокого сродства к электрону, но связывает водород, образуя фтористый водород, который не растворяется в металле, тем самым играет очень важную роль в металлургических процессах, протекающих в электрической дуге.
Основным источником водорода в дуговом промежутке является влага, которая может содержаться в электродных материалах.
2Н2О = 2Н2 + О2
В состав покрытий и флюсов входят карбонаты, например, мел, мраморная крошка, которые диссоциируют по реакциям
CaCO3 = CaO + CO2
В дуговом промежутке происходит также диссоциация углекислого газа по реакции
2СО2 = 2CO + O2
При температурах Т ~6000 - 7000 К кислород и водород практически полностью диссоциированы, степень диссоциации азота намного меньше.
О2=2О; Н2 =2Н; N2=2N
Атомарные кислород, водород, азот активно взаимодействуют в химических реакциях и активно растворяются в металле.
Газовая среда дугового промежутка может существенно влиять на поверхностное натяжение и соответственно поверхностную энергию жидкого металла и тем самым влиять на массоперенос жидкого металла через межэлектродный промежуток.