ЛАБОРАТОРНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 1
Определение коэффициентов расплавления, наплавки, потерь на угар и
Разбрызгивание, оценка производительности сварки
Цель работы
Изучить влияние рода и силы тока, марки электродов на коэффициенты расплавления и наплавки, потерь на угар и разбрызгивание, определить производительность при ручной наплавке.
Общие положения
На производительность процесса электродуговой сварки влияют следующие факторы: 1 - сварочный ток; 2 - коэффициент расплавления αр; 3 - коэффициент наплавки αн, который обычно меньше αр, так как не весь расплавленный электродный металл переходит в шов: часть его выгорает, часть разбрызгивается.
Потери металла на угар и разбрызгивание, а также значения коэффициентов расплавления и наплавки зависят от величины сварочного тока. Увеличение тока приводит к повышению температуры дуги, т.е. к интенсивности расплавления электрода и ускорению протекания химических реакций. Следовательно, с увеличением тока αн и αр увеличиваются, но на разные значения, так как увеличение температуры дуги приводит к увеличению количества образующихся газов и повышению их давления в капле, а значит, к повышению потерь на угар и разбрызгивание.
На значения αн и αр, на потери от угара и разбрызгивания влияют количество тех или иных примесей в электродном металле и электродном покрытии, а также температура стержня электрода. В начальный момент сварки скорость плавления электродного металла небольшая, но по мере разогрева, электрода Джоулевым теплом, при прохождении по нему тока, скорость его плавления увеличивается в два раза, т.е. на 100 и более % при значительных плотностях тока. При этом увеличиваются αн и αр. Качество наплавки или шва будет обеспечено, если скорость плавления электрода вначале сварки будет отличаться от скорости в конце не более чем на 30%. Джоулево тепло определяется уравнением:
(1.1)
Покрытие электродов существенно влияет на коэффициенты расплавления, наплавки и на коэффициент потерь, который равен:
Ψ =(1.2)
Коэффициент расплавления толстопокрытых электродов значительно уменьшается по сравнению с коэффициентом голых и тонкопокрытых электродов за счёт того, что некоторое количестве теплоты дуги расходуется на плавление, испарение и разложение покрытия, но прямой зависимости αр от толщины покрытия нет.
Коэффициент потерь ψ толстопокрытых электродов уменьшается по сравнению с коэффициентом голых электродов за счёт того, что материалы покрытий при испарении дают дополнительное количество газа, который увлекает за собой в шов пары металла и мелкие капли. Коэффициент наплавки αн электродов с толстым покрытием обычно меньше коэффициента плавления, за исключением тех случаев, когда в покрытие входит большое количество металлических составляющих.
На αн и αр оказывают влияние полярность тока, тип соединения, положение шва в пространстве и т.д. Установлено, что род тока существенно их не изменяет. Исследования показали, что αн и αр, будут иметь разные значения (при прочих равных условиях) при сварке электродами различных марок.
Масса расплавленного металла определяется по формуле:
(1.3)
Необходимые материалы
1.3.1. Пластины из низкоуглеродистой и нержавеющей стали.
1.3.2. Электроды с тонким покрытием типа Э-38 (d=4 мм).
1.3.3. Электроды с толстым покрытием марок ОК-46 типа Э-46, УОНИ-13/55 типа Э-50А, марок АНО-4С типа Э-46 или другой марки (d=4мм).
1.3.4. Электроды, имеющие стержни из нержавеющей стали, например элек-
троды марки ЭА-395.
1.3.5. Электроды с добавками железного порошка в покрытие, марки ОЗС-6.
Оборудование, приспособления, инструмент
1.4.1. Сварочный пост постоянного и переменного тока с электроизмеритель-
ными приборами.
1.4.2. Весы лабораторные ВЛТЭ-5000.
1.4.3. Секундомер.
1.4.4. Штангенциркуль, микрометр.
1.4.5. Линейка.
1.4.6. Бачок для охлаждения проб.
Порядок выполнения работы
Определить коэффициенты плавления, наплавки и потерь на угар и разбрызгивание при наплавке валиков электродами разных марок, при постоянном токе.
1. Зачистить пластину.
2. Взвесить пластину с точностью до 1г.
3. Замаркировать концы электродов условными обозначениями.
4. Определить массу металлического стержня электрода по формуле:
(1.4)
где
d - диаметр стержня;
γ - плотность;
l - длина электрода.
Для какой-либо марки электродов с толстым покрытием определить коэффициент массы покрытия (%) путём взвешивания с погрешностью до 0.1 г, рассчитывая по формуле 1.5.
(1.5)
5. Подобрать на вспомогательной пластине действительную силу сварочного тока, например 160A, немаркированным электродом. При переходе к наплавке электродами другой марки, установленная по амперметру сила тока будет произвольно меняться, поэтому необходимо в процессе наплавки отмечать действительную силу тока по амперметру, которую затем и использовать при расчётах.
6. При установленной силе сварочного тока наплавить на пластину валик электродом типа Э-38, оставляя огарки длиной не более 40 мм. Зафиксировать точное время горения дуги и силу тока.
7. Подсчитать массу огарка по формуле (1.4).
8. Охладить пробу с наплавленным валиком, удалить шлак и брызги.
9. Взвесить пробу с наплавленным валиком.
10. Определить коэффициенты расплавления и наплавки по следующим формулам:
αр = mр·3600/Iсв·t (1.6)
mр = qст– qог(1.7)
αн = mн·3600/Iсв·t (1.8)
Рассчитать коэффициент потерь на угар и разбрызгивание по формуле (1.2).
11. Определить теоретическую производительность, кг/ч,
G = αн ·Iсв/1000 (1.9)
12. По ранее указанным методикам проделать п.п. 3…11 электродами марок УОНИ-13/45, ЦТ-15 и порошковым на постоянном токе обратной полярности, а электродом марки АНО-4 на переменном токе.
Для одной марки электродов опыт повторить три раза в одинаковых условиях и вычислить среднее значение определяемых данных.
Данные всех измерений и результаты расчётов занести в таблицу 1.1.
Таблица 1.1
РЕЗУЛЬТАТЫ ОПЫТОВ
| Результаты замеров | Результаты расчетов | ||||||||||
| Марка электрода | Масса металлического стержня, г | Режим сварки | Масса, г | Коэффициент | Производительность, кг/ч | ||||||
| До наплавки | После наплавки | Род тока, полярность | Сила тока, А | Время горения дуги, с | Расплавленного металла | Наплавленного металла | Расплавления, гА/ч | Наплавки, гА/ч | Потерь, % | ||
Содержание отчёта
1.6.1. Методика постановки опытов, краткие теоретические сведения, примеры расчётов.
1.6.2. Таблица замеров и результатов расчётов.
1.6.3. Выводы и объяснения полученных результатов.
1.7. Контрольные вопросы
1.7.1. От каких факторов зависит производительность электрической сварки плавящимся электродом?
1.7.2. Что характеризует коэффициенты расплавления, наплавки, потерь, их единицы измерения и значение для основных марок электродов?
1.7.3. Почему коэффициент плавления в начале и конце плавления электрода разный?
1.7.4. Как влияет плотность тока на размер потерь при ручной дуговой сварке?
1.7.5. В каких случаях коэффициент наплавки может оказаться больше коэффициента плавления?
1.7.6. Почему αн у электродов ЭА-395/9 больше, чем у УОНИ-13/45?
ЛАБОРАТОРНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 2
Доля основного металла в металле шва и погонная энергия
Цель работы
Изучить влияние параметров режима ручной дуговой сварки, погонной энергии на долю основного металла шва и его размеры.
Общие положения
Независимо от типа и способа выполнения шов состоит из определенной доли основного и электродного металлов. Рассмотрим вопрос о влиянии режима ручной дуговой сварки на долю основного и электродного металлов в металле шва и на его размеры. Режим ручной дуговой сварки - это сила сварочного тока, напряжение на дуге, диаметр электрода, скорость перемещения дуги, угол наклона электрода и т.д. Сила сварочного тока (А) может быть определена по следующей формуле:
Iсв= k · dэл (3.1)
где
k - коэффициент, принимаемый для электродов диаметром 3…4 мм равным 30…45 А/мм2;
dэл - диаметр стержня электрода, мм.
Увеличение силы сварочного тока приводит к увеличению эффективной тепловой мощности дуги Qэф, вследствие чего увеличиваются глубина проплавления, выпуклость, ширина валика и скорость плавления электрода. В результате этого доля основного металла в металле шва повышается. Для определения доли основного металла в металле шва (а в данном случае наплавленного валика) требуется знать площадь сечения наплавленного валика Fн (мм2), рассчитываемую по формуле:
Fн=0,75·e·g (3.2)
и площадь сечения проплавленного металла, которая с некоторой погрешностью может быть определена по формуле:
Fпр=0,75·e·h (3.3)
где
е- ширина шва;
h- глубина провара;
g- высота усиления.
Доля участия основного металла в металле шва определяется по формуле:
γо= Fпр / (Fпр+Fн) (3.4)
Повышение напряжения на дуге приводит к снижению глубины провара h (при увеличении длины дуги сварочный ток снизится), так как увеличиваются потери тепла на лучеиспускание, угар и разбрызгивание. Вследствие увеличения длины дуги увеличивается площадь нагрева изделия, т.е. увеличивается ширина валика е и, следовательно, увеличивается его выпуклость g, так как на величину коэффициентов αр и αн, напряжение влияет незначительно. Доля основного металла в металле при ручной электродуговой сварке с увеличением напряжения практически не меняется. Увеличение диаметра электрода (при одной и той же силе сварочного тока) приводит к уменьшению плотности сварочного тока, температуры дуги, что влечёт за собой уменьшение глубины провара и доли основного металла в металле шва, а также незначительное увеличение ширины валика.
Погонная энергия - это отношение эффективной тепловой мощности дуги, расходуемой на нагрев изделия к скорости перемещения дуги [Дж/см], и определяет количество теплоты, введенное электрической дугой в 1 см длины однопроходного шва или валика, т.е.:
(3.5)
где
η- эффективный КПД нагрева дугой;
Vсв - скорость сварки;
F - площадь сечения шва или валика, мм2.
Следовательно, увеличение энергии приводит к увеличению площади сечения шва, т.е. изменению доли основного металла в металле шва и форме валика. Скорость перемещения дуги при однопроходной сварке равна скорости сварки.
2.3. Необходимые материалы:
2.3.1. Пластины из низкоуглеродистой стали (100x100x10 мм).
2.3.2. Электроды типа Э-46 с кислым, основным, рутиловым или другим (по указанию преподавателя) покрытием.