Работа №13 Технологический процесс ручной дуговой сварки (плавящимся электродом с обмазкой)

13.1 Цель работы:

1. Практическое ознакомление с источниками питания сварочной дуги постоянного и переменного тока и построение внешней вольт-амперной характеристики источника.

2. Ознакомление с марками электродов для ручной дуговой сварки и определение важнейших технологических показателей плавления электрода.

13.2 Теоретическое обоснование работы

Ручная дуговая сварка является наиболее распространенным и широко применяемым в промышленности видом сварочных процессов. Электрическая дуга представляет собой устойчивый электрический разряд в газовой среде или в среде паров между твердыми или жидкими электродами при большой плотности тока и характеризующейся высокой температурой.

Для устойчивого горения дуги необходима ионизация среды дугового промежутка, вызывающаяся появлением электронов. Основные причины их образования следующие:

1. Термоэлектронная эмиссия катода, возникающая при достаточном его нагревании.

2. Автоэлектродная эмиссия, при которой энергия, необходимая для выхода электронов из катода, сообщается силовым электрическим полем, т.е. приложенным к электродам напряжением.

3. Фотоэлектронная эмиссия и т.д.

Сварочная дуга характеризуется рядом параметров - напряжением (5-55 В), силой тока I(10-1000А), длиной lд (0,3-13 мм). Зависимость =f(I) называется статической вольт -амперной характеристикой дуги (рис.13.1). Ее вид и положение в системе координат зависят от диаметра электрода, длины дуги, среды, в которой происходит дуговой разряд и т.д. Зависимость напряжения на дуге от ее длины можно приближенно выразить формулой, которую предложил К. К. Хренов:

, (1)

где а - суммарное падение напряжения в катодной и анодной областях дуги, b – средняя напряженность электрического поля столба дуги, - длина дуги, обычно:

а=10 12В;

b=2 2.5 в/мм. (2)

Сварочная дуга и источник ее питания образуют взаимосвязан­ную энергетическую систему с общими параметрами ( и I), свойства и характеристики которой определяют устойчивость процесса горения дуги, а следовательно, и качество сварки. Источники питания сварочной дуги характеризуются внешней вольт-амперной характеристикой (рис.3.1). Для обеспечения устойчивого горения дуги каждому способу сварки должен быть назначен источник питания с соответствующей внешней характеристикой. Для ручной дуговой сварки необходима крутопадающая внешняя характеристика источника питания, обеспечивающая устойчивое горение дуги в точке А (рис.13.1) при и и ограничивающая величину тока короткого замыкания , Кроме того, при такой характеристике изменение длины дуги почти на отражается на величине сварочного тока. Для возбуждения автоэлектронной эмиссии и зажигания дуги требуется значительно большое напряжение, чем рабочее. Однако техника безопасности ограничивает предельные значения напряжения холостого хода ( ), поэтому при ручной дуговой сварке зажигают дугу касанием изделия электродом. Ток короткого замыкания ( ), вследствие высокого сопротивления в месте контакта электрода с изделием, разогревает торец электро­да и обеспечивает термоэлектронную эмиссию. Величину приходится ограничивать для обеспечения безаварийной работы всей сварочной цепи, т.е. коэффициент добротности D источника питания должен быть в пределах:

.

Источники питания, как и сама дуга, могут быть переменного (трансформаторы) и постоянного (выпрямители) тока. Причем дуга постоянного тока может быть прямей (- на электроде и + на изделии) и обратной (+ на электроде) полярности. Принцип действия сварочного трансформатора ясен из рис.13.2,а. Трансформатор Тр понижает напряжение сети , так как . Изменением числа витков в первичной обмотке ( ) изменяем напряжением холостого хода ( см.рис.13.1) и тем самым ступенчато регулируем силу тока.

Рис, 13.1. Статические вольт-амперные характеристики дуги (1-3) и внешние

вольт-амперные характеристики источников питания (4-6): характеристики

I и 2: , : характеристики 1 и 3: = const; ;

4 - жесткая характеристика; 5 - полого па­дающая характеристика;

6 - круто падающие характеристики; I - ручная дуговая сварка покрытым

электродом; II - сварка под слоем флюса; III - cварка в среде защитных

газов

Плавная регулировка силы тока, а также падающая характеристика источника питания обеспечиваются дросселем (Др). С увеличением зазора в сердечнике дросселя увеличивается его индуктивное сопротивление, а следовательно, уменьшается ток самоиндукции в обмотке дросселя, который имеет напряжение, обратное основному току, и тем самым увеличивается и сварочный ток .

Полупроводниковые (селеновые или германиевые) выпрямители как источники сварочного тока находят все более широкое применение. Как видно из схемы на рис. 13.2, б, они состоят из понижающего Тр и вентилей, соединенных по трехфазной мостовой схеме (В). Регулировку сварочного тока в цепи осуществляют переключением обмоток трансформатора и схемы включения вентилей, а также включе­нием в цепь балластного реостата (РБ), чем и достигается падающая характеристика.

Рис. 13.2. Схемы источников питания сварочного тока: а – трансформатор,

б – выпрямитель.

Ручная дуговая сварка осуществляется с помощью электродов, представляющих собой металлический стержень длиной от 225 до 450 мм и диаметром от 1,5 до 6 мм, на который нанесена специальная обмазка (покрытие). Обмазка предназначена для создания ионизированного дугового промежутка (т.е. стабилизации дуги), для защиты дуги и жидкого металла сварочной ванны от атмосферы воздуха, для раскисления легирования металла шва, а также для улучшения формирования шва. Указанные требования обеспечивающей подбором компонентов в обмазке, которая должна содержать следую­щие вещества:

1. Стабилизирующие горение дуги (соли щелочных металлов).

2. Шлакообразущие (марганцевая руда, мрамор, полевой и пла­виковый шпат и т.д.).

3. Газообразующие (крахмал, целлюлоза, мрамор, доломит).

4. Раскисляющие (ферро-марганец, -силиций, -титан).

5. Легирующие (марганец, никель).

6. Связующие (жидкое стекло).

Большое значение состава и качества обмазки для процесса дуговой сварки можно показать на примере стабилизации дуги. При зажигании и горении дуги для отрыва электронов от атомов надо совершить работу, величину которой можно оценить эффективным потенциалом ионизации, зависимым от потенциала ионизации химических эле­ментов и их концентрации в дуговом промежутке. Введение в состав электродных покрытий элементов с низким потенциалом ионизации (например, солей К, Ма, Со, Li и т.д.) облегчает зажигание и стабилизирует горение дуги. Об ионизирующих свойствах электродной обмазки судят по длине естественного обрыва дуги . Обмазанный электрод закрепляется вертикально в специальной стойке-штативе, перпендикулярно к лежащей у основания стойки пластине. Небольшой зазор между торцем электрода и пластиной после подачи на них напряжения от источника питания замыкается угольным стержнем. Возбудившаяся дуга плавит электрод, тем самым увеличивается длина дуги до ее естественного затухания. Расстояние между торцем электрода и наплавленным металлом на пластине и будет длиной естественного обрыва дуги.

Толщина обмазки на электродах может быть весьма различной и характеризуется «коэффициентом веса покрытия»:

(4)

где - вес покрытой части металлического стержня,

(5)

- вес покрытия; г;

;(6)

- вес электрода, г; - вес всего стержня, г;

(7)

- удельный вес металла стержня, г/см3 (для стали 7,6 г/см); - длина всего металлического стержня электрода, см; - длина покрытой обмазкой части металлического стержня электрода, см;

- диаметр металлического стержня электрода, см. Коэффициент веса покрытия ( ) колеблется для качественных электродов от 10 до 50%.

Интенсивность расплавления металла электрода под действием сварочной дуги характеризуется коэффициентом расплавления ( р), который определяется количеством электродного металла, расплавляемого в единицу времени (ч) и отнесенного к единице силы тока (А), т.е.

Г/А·ч;(8)

где - вес расплавленного металла, г; I - сила сварочного тока, А; t- время сварки, ч;

(9)

, - длины электрода до и после сварки (стержень и огарок),см. Перенос металла с электрода на изделие в процессе дуговой сварки сопровождается потерями металла электрода за счет разбрыз­гивания, окисления, испарения к т.д. Интенсивность наплавления металла электрода на изделие определяется коэффициентом наплавки ( н),

Аналогично

Г/А*ч;(10)

где - вес наплавленного металла, г;

(11)

Здесь , - вес образцов (детали, пластины) до и после наплавки, г.

Потери металла характеризуются коэффициентом потерь

(12)

Потери металла зависят от плотности тока, напряжения на дуге, пространственного положения электрода при сварке, типа обмазки и т.д. Если обмазка содержит металл (в виде порошка), то ; может получить отрицательное значение (т.е. ). Для наиболее распространенных типов качественных электродов значения коэффициентов колеблются в пределах: = 3 25%, = 7 12 г/А-ч, = 6 - 10 г/А-ч.