- 17 -

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:

Q_п = 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 (Q_эфф) называется полезно используемая при сварке теплота, которая рассчитывается по формуле:

Q_эфф = η∙ 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:

Q’_п = I∙U, Вт (2.3)

где I – сила сварочного тока (А); U – напряжение сварочной дуги (В).

Эффективная тепловая мощность рассчитывается по формуле:

Q­’_эфф = η∙I∙U, Вт (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, Омм; 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 (600C). 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/(мольК); 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.