29

Лабораторная работа № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СВАРОЧНОГО АППАРАТА АДЗ-50

Цель работы: Ознакомиться с физическими основами электродугового нагрева. Исследовать характеристики сварочного аппарата АДЗ-50

Программа работы

1. Получить общие сведения о физических явлениях, происходящих при электродуговом нагреве;

2. Ознакомиться с конструкцией и принципом работы сварочного аппарата АДЗ-50;

3. Экспериментально определить внешние характеристики сварочного аппарата АДЗ-50;

4. Построить ВАХ электрической дуги и графики зависимостей коэффициента мощности и к.п.д. от тока нагрузки cos = f(I),  = f(I);

Общие сведения

Физические основы образования электрической дуги.

Электрическая дуга представляет собой устойчивый самостоятельный электрический разряд в газах или парах металлов, между твердыми или жидкими, например, ртутными электродами, характеризующийся большой плотностью тока и высокой температурой канала разряда.

Электрический разряд в газе – это электрический ток, проходящий через газовую среду, благодаря наличию в ней свободных электронов, а также ионов обоих знаков, способных перемещаться под действием разности потенциалов между электродами.

Для возбуждения электрической дуги, необходимо ионизировать воздушный (газовый) промежуток между электродами. В момент первоначального касания электродов в месте замыкания происходит выделение большого количества тепловой энергии, которое приводит к расплавлению металла в месте контакта. При отводе электродов за счет термоэлектронной ионизации газа возникает электрическая дуга, представляющая собой сильно ионизированную смесь газов и паров материала анода и катода.

После возбуждения дуги устойчивость ее горения поддерживается за счет совокупного воздействия ионизации соударением, фотоионизации, термоэлектронной и автоэлектронной эмиссии. При термоэлектронной эмиссии происходит "испарение" свободных электронов с поверхности металла благодаря высокой температуре. Чем выше температура металла, тем больше число свободных электронов приобретают энергию, достаточную для преодоления "потенциального барьера" в поверхностном слое металла и выхода из металла.

При автоэлектронной эмиссии извлечение электронов из металла производится при помощи внешнего электрического поля, которое несколько понижает "потенциальный барьер" электронов у поверхности металла и облегчает их выход из металла.

Напряженность электрического поля в основном столбе дуги находится в пределах 1500…5000 В/м. Температура в канале дуги достигает 6000…12000 К, а концентрация ионов – 10²⁴ 1/м³, т.е. столб дуги представляет собой плазму с очень высокой удельной электрической проводимостью.

Ионизация газовой среды характеризуется степенью ионизации - отношением зараженных частиц в данном объеме к первоначальному числу частиц. Степень ионизации зависит от потенциала ионизации – отношения работы W (Дж), которую необходимо затратить для удаления одного электрона из атома вещества к заряду q (Кл) одного электрона, В

. (1)

Наименьшим потенциалом ионизации обладает калий, натрий, барий, литий, алюминий и т.д. Пары этих элементов, находясь в дуговом промежутке, обеспечивают легкость возбуждения и устойчивое горение дуги. Поэтому вещества, содержащие эти элементы, вводят в зону дуги в виде электродных покрытий и флюсов.

Горение дуги сопровождается следующими эффектами, обуславливающими области ее применения:

• большим выделением теплоты на электродах. На этом основана электродуговая сварка и плавка металлов в электродных печах;

• высокоинтенсивным инфракрасным излучением. Это свойство используется в электродуговых печах косвенного нагрева;

• мощным потоком видимого излучения. Это свойство дуги используется в электродуговых осветительных приборах (прожекторах);

• интенсивным ультрафиолетовым излучением. Как генератор ультрафиолетовых лучей электрическая дуга не используется вследствие низкого энергетического к.п.д.

В сельском хозяйстве электродуговой нагрев используется в электросварочных установках.

Важную роль при изучении свойств сварочной дуги и определении требований к источникам питания для дуговой сварки играет статическая вольтамперная характеристика (ВАХ) дуги, представляющая собой зависимость падения напряжения на дуге от силы тока U_d = f(I). Аналитически ВАХ дуги выражается формулой Айтрона

, (2)

где a – сумма катодного и анодного напряжений, В; b – удельное падение напряжения в столбе дуги отнесенное к 1 мм длины дуги, В/мм; L_d – длин дуги, мм; с- мощность, затрачиваемая на вырывание электронов из катодного пятна, Вт/А; d – мощность, затрачиваемая на прохождение электронного потока через промежуток дуги длиной 1 мм, Вт/мм; I – ток дуги, А.

Источники сварочного тока должны обеспечить устойчивое горение дуги, стабильность режимов сварки, безопасность обслуживания установок.

Внешняя характеристика источников сварочного тока представляет собой зависимость рабочего напряжения от тока нагрузки U_и = f (I).

Дуга и источник питания образуют энергетическую систему, которая будет находиться в устойчивом равновесии, если случайные изменения силы тока будут с течением времени уменьшаться, возвращая систему в исходное состояние.

Условие устойчивости в статическом режиме сводится к тому, чтобы разность производных напряжений дуги и источника питания по току в рабочей точке, называемая коэффициентом устойчивости, была положительной

. (3)

Условие (3) выполняется, если при падающей характеристике дуги внешняя характеристика источника будет более падающей.

Электрическую дугу классифицируют по роду среды, в которой происходит дуговой разряд (открытая, горящая под флюсом, в среде защитных газов); роду тока (постоянного, переменного, трехфазного); полярности (прямой и обратной – для дуги постоянного тока). Устойчивость дуги переменного тока снижается из-за угасания ее при каждом переходе через нуль. Поэтому горение дуги является прерывистым и неустойчивым. Чтобы повысить устойчивость, необходимо более высокое напряжение питания, чем для дуги постоянного тока. Устойчивость дуги возрастает при включении индуктивности в сварочную цепь.

Напряжение зажигания дуги постоянного тока составляет 30…40 В, а переменного – 50…55 В. Напряжение холостого хода источника должно быть больше напряжения зажигания на 10…50 В.

Длиной дуги называют расстояние между концом электрода и поверхностью ванны расплавленного металла на свариваемой детали.

«Короткой» называют дугу длиной 2…4 мм.

«Нормальной – 4…6 мм.

«Длинной» – более 6 мм.

Наилучший режим сварки обеспечивается при короткой дуге. При длинной дуге электросварочный процесс протекает неравномерно, дуга горит неустойчиво, увеличивается угар и разбрызгивание металла .

На нагревание и плавление металла расходуется в среднем только 60…70% тепла дуги. Остальная часть тепла теряется в окружающую среду с излучением и конвекцией парами и нагретыми газами.

Потери тепла при ручной сварке составляют, примерно, 25%, из которых 20% приходится на излучение и конвекцию паров и газов, а остальные 5% на угар и разбрызгивание свариваемого металла.

Выделяемая электрической дугой теплота концентрируется на очень небольшом пространстве, что дает сосредоточенный местный нагрев детали в зоне дуги. Остальная масса свариваемой детали подвергается незначительному нагреву.

Теплом сварочной дуги металл электрода и свариваемых кромок детали расплавляется и составляет общую массу расплавленного металла, которая, застывая, образует сварной шов.

Описание лабораторной установки

Лабораторная работа построена на базе сварочного аппарата АДЗ-50.

С помощью аппарата можно производить ручную электродуговую сварку в бытовых условиях тонколистовой стали переменным током. Аппарат должен работать в закрытых помещениях на высоте не более 1000 м над уровнем моря при температуре окружающего воздуха от +5^о до +40^оС и относительной влажности не более 80%, замеренной при температуре +20^о С. При отсутствии атмосферных осадков можно работать и на открытом воздухе.

В корпусе аппарата АДЗ-50 размещены силовой трансформатор, выпрямительный элемент и конденсаторная батарея. Выводы на контактный зажим и электродержатель находятся снизу. На торцевой передней стенке находится переключатель сварочного тока, на задней – переключатель напряжения и тока зарядки. Аппарат включается в сеть переменного тока напряжением 220 В. потребляемый из сети ток при номинальной нагрузке во время сварки не более 15 А. Аппарат допускает сварку током 30…50 А при напряжении на дуге, примерно 22 В и позволяет производить сварку листового металла толщиной до 2 мм. Вторичное напряжение сварочной цепи не более 65 В. Потребляемая мощность при номинальной нагрузке не более 2,1 кВт. КПД не менее 52,5%.

В аппарате установлен выпрямитель для зарядки аккумуляторов с напряжением зарядки 6, 12 В.

Принципиальная схема лабораторной установки приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема лабораторной установки

Питание на силовой трансформатор TV1 подается через автоматический выключатель QF1. Напряжение питающей сети, величина тока и мощность, потребляемая из сети, контролируются соответственно вольтметром PV1, амперметром PA1 и ваттметром PW1, включенным через трансформатор тока TA1. Напряжение и ток сварочной цепи контролируются вольтметром PV2, подключенным через выпрямительный мост VD5…VD8 и амперметром PA2. Предельная величина сварочного тока устанавливается переключателем ступеней сварки SA1: 1 ступень соответствует току 50 А, 2 ступень – 40 А, 3 ступень – 30 А. Переключатель SA2 служит для выбора величины напряжения и тока зарядки (в лабораторной работе не используется). Выходные цепи сварочного трансформатора подключены к электрододержателю A1 и проволочным сопротивлениям R1, R2.

Порядок выполнения работы

Для построения внешней характеристики, а также определения ряда электрических параметров аппарата проводят опыт холостого хода (х.х.), опыт короткого замыкания (к.з.) и замеряют некоторые электрические параметры при различных нагрузках.

Ввиду того, что сварочные работы в лаборатории ведут к загрязнению вредными для человека газами, возгораниям неогнестойких предметов в помещении, рекомендуется возбуждать дугу лишь на короткое время (только для наглядности). Внешние характеристики аппарата снимают с помощью имитирующих электрическую дугу сопротивлений R1, R2 (рисунок 1). При положении электрода в точке 1 показания приборов соответствуют опыту короткого замыкания, точки 2 и 3 соответствуют короткой и длиной дуге.

ВНИМАНИЕ! Аппарат на коротком замыкании держать включенным не более 15…20 с. В процессе работы нельзя допускать перегрузки аппарата, придерживаясь режимов относительной продолжительности работы ПР. Величина ПР представляет собой отношение рабочего периода (собственно сварка) к длительности полного цикла работы (сварка + пауза) в процентах (таблица 1). Цикл работы принять равным 3 мин.

При работе необходимо пользоваться щитком сварщика, на руки надевают рукавицы.

Таблица 1

Ступень регулирования	I	II	III
Сварочный ток, А	50	40	30
ПР, %	20	30	33
Допустимое время сварки, мин	1	1,5	3

Опыт холостого хода проводят при разомкнутой вторичной цепи трансформатора. Измеряют первичное напряжение U₀ = U₁, ток холостого хода I₀ = I₁ и мощность P₀ = P₁, а также вторичное напряжение U₂. Измерения проводят трехкратно для трех ступеней сварочного тока.

Опыт холостого хода позволяет определить крайнюю точку внешней характеристики при I₂ = 0. С допустимой точностью можно принять что U₂ равно э.д.с. вторичной цепи E₂, т.к. ток во вторичной обмотке равен нулю и на нем нет падения напряжения.

Мощность холостого хода характеризует электрическую энергию, расходуемую в самом трансформаторе, т.е. мощность холостого хода P₀ практически равна магнитным потерям в сердечнике трансформатора.

По данным опыта холостого хода находят коэффициент трансформации

. (4)

Коэффициент мощности холостого хода трансформатора определяют по выражению

. (5)

Результаты измерений и расчетов заносят в таблицу 2.

Таблица 2 – Опыт холостого хода

Ступени	U1, В	I1, А	P1, Вт	U2, В	cos	k
1 ступень (50 А)	225	2	0	46	0	4,9
2 ступень (40 А)	225	2	0	50	0	4,5
3 ступень (30 А)	225	2	0	51	0	4,4
среднее	225	2	0	49	0	4,6

Опыт короткого замыкания проводят при замкнутых накоротко электроде и детали (точка 1). Измеряют первичное напряжение U_к = U₁, первичный ток I_к = I₁, ток короткого замыкания I_к = I₂ и мощность P_к = P₁. Измерения проводят трехкратно для каждой из трех ступеней сварочного тока.

Опыт короткого замыкания позволяет определить другую крайнюю точку внешней характеристики при I_к = I₂ и U₂ = 0, а также коэффициент мощности короткого замыкания по формуле, аналогичной (5). Результаты измерений и расчетов заносят в таблицу 3.

Таблица 3 – Опыт короткого замыкания

№	U1, В	1 ступень (50 А)					2 ступень (40 А)					3 ступень (30 А)
		I1, А	P1, Вт	U2, В	I2, А	cos	I1, А	P1, Вт	U2, В	I2, А	cos	I1, А	P1, Вт	U2, В	I2, А	cos
1	225	15	1,7	6	0,5	75	11,8	1	4	0,4	55	7,8	0,5	4	0,3	40
2	225	15	1,8	7	0,5	74	12	1	4	0,4	55	8	0,5	4	0,3	40
3	225	14,5	2	7	0,6	75	11,8	1	4	0,4	55	7,5	0,5	4	0,3	40
ср.	225	14,8	1,8	6,7	0,53	74,7	1	1	4	0,4	55	7,8	0,5	4	0,3	40

Для определения остальных точек внешней характеристики проводят измерения U₁, I₁, P₁, U₂, I₂ при положении электрода в точке 2 - короткая дуга, и в точке 3 – длинная дуга. Результаты измерений заносят в таблицу 4.

Таблица 4 – Внешняя характеристика сварочного аппарата

№	U1, В			1 ступень (50 А)											2 ступень (40 А)									3 ступень (30 А)
				I1, А		P1, Вт			U2, В		I2, А	P2, Вт	cos		I1, А	P1, Вт	U2, В	I2, А	P2, Вт		cos			I1, А		P1, Вт			U2, В			I2, А		P2, Вт			cos		
Короткая дуга (т. 2)
1	225		9		1,9			32		0,63		1,2	0,9	42	8,5	1,6	30	0,56	0,9		0,8		40		6			1,2		24			0,58		0,7		0,9	32
2	225		9		1,9			31		0,58		1,1	0,9	40	8	1,6	28	0,63	1		0,9		40		6			1,2		25			0,58		0,7		0,9	30
3	225		8,9		1,9			32		0,63		1,2	0,9	40	8	1,6	30	0,63	1		0,9		40		6			1,1		24			0,55		0,6		0,8	32
ср.	225		8,97		1,9			31,7		0,61		1,17	0,9	40,7	8,2	1,6	29,3	0,6	0,97		0,87		40		6			1,17		24,3			0,57		0,67		0,87	31,3
Длинная дуга (т. 3)
1		225		7		1,3	35				0,69	0,9	0,9	30	6,5	1,1	36	0,73	0,8	0,8			28		5,5		1				32		0,6	0,6		0,8		25
2		225		7		13	0,62				0,8	0,9	0,9	25	6,5	1,1	37	0,73	0,8	0,8			27		5		0,9				34		0,7	0,7		0,8		25
3		225		7		1,3	36				0,69	0,9	0,9	30	6,5	1,1	37	0,64	0,7	0,8			25		5		0,9				33		0,7	0,7		0,8		26
ср.		225		7		1,3	36				0,67	0,87	0,9	28,3	6,5	1,1	36,7	0,7	0,77	0,8			26,7		5,2		0,93				33		0,67	0,67		0,8		25,3

Используя данные опыта холостого хода, опыта короткого замыкания и результатов измерения параметров в промежуточных точках 2 и 3 строят внешние характеристики U₂ = f (I₂) для различных ступеней регулирования сварочного тока.

По результатам экспериментов определяют к.п.д. трансформатора

, (6)

где P₂ = U₂I₂cos - мощность во вторичной обмотке трансформатора.

По формуле Айтрона строят ВАХ дуги U_d = f(I₂), совмещенный с внешней характеристикой трансформатора. В случае стальных электродов характеристика дуги описывается уравнением

. (7)

Длина дуги, при известном диаметре электрода d_э, рассчитывается по формуле

. (8)

Рабочий ток трансформатора Iр находят как абсциссу точки пересечения внешней характеристики трансформатора и ВАХ дуги. Определяют кратность тока короткого замыкания по выражению

. (9)

В аппаратах ручной сварки ток короткого замыкания должен незначительно превышает рабочий ток - 1,1 < k_I < 2. При большом токе I_к сильно разбрызгивается металл, при слишком малом I_к затрудняется зажигание дуги.