Методичка. Исследование стабильности горения сварочной дуги переменного тока. Лабораторная работа 1

0

Лабораторная работа № 1

исследование СТАБИЛЬНОСТИ ГОРения СВАРОЧНОЙ ДУГИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

1.1. Цель работы

1.1.1. Закрепить теоретические знания, полученные на лекциях.

1.1.2. Получить навыки использования лабораторного оборудования и контрольно-измерительных приборов.

3. Получить навыки по планированию, организации и проведению исследований и обработке экспериментальных данных на ЭВТ.

4. Изучить способы стабилизации сварочной дуги.

5. Исследовать влияние ионизирующих компонентов, применяемых в электродных покрытиях, на устойчивость сварочной дуги.

1.2.Применяемое оборудование: сварочные трансформаторы, электрододержатель, приспособление для закрепления электрода (рис.1.1), осциллограф С1-17, источник импульсного тока, масштабная линейка и секундомер.

Рис.1.1. Схема приспособления для исследования lкр сварочной дуги

1.3. Основы теории сварочной дуги

Сварочной дугой называется мощный электрический разряд в ионизированной, токопроводящей газовой среде между электродом и свариваемым металлом (рис. 1.2).

Потребляемая дугой электрическая энергия преобразуется в световую и тепловую. Поэтому сварочная дуга является концентрированным источником света и тепловой энергии, используемой для расплавления электрода и свариваемого металла.

Основными элементами сварочной дуги постоянного тока являются: катодное пятно, анодное пятно, столб дуги.

Катодное пятно является важным элементом сварочной дуги, так как из нагретой торцевой поверхности электрода происходит эмиссия электронов. Температура и площадь катодного пятна зависят от силы сварочного тока. С повышением силы сварочного тока площадь катодного пятна увеличивается, а температура достигает 2500 К и более. На катодном пятне наряду с выделением тепла происходит расходование энергии на эмиссию электронов.

Анодное пятно образуется на поверхности свариваемого металла. На анодное пятно падает поток электронов, при падении электроны выделяют свою кинетическую энергию. Вследствие этого площадь и температура анодного пятна больше, чем катодного. Обычно температура анодного пятна больше 3000 К.

Область между катодным и анодным пятнами называется столбом дуги. Выделение энергии в столбе дуги пропорционально силе тока и падению напряжения:

(1.1)

В зависимости от величины сварочного тока температура столба дуги может достигнуть максимального значения 7500 К.

Процесс отрыва электронов с поверхности катода начинается, если им сообщить достаточно высокую скорость движения внутри металла.

Минимальная работа, которую необходимо совершить для вывода электрона в вакуум из металла, находящегося при Т = 0К, называется работой выхода (табл. 1.1).

Работа выхода электрона из металла определяется по формуле:

, эB, (1.2)

где e - заряд электрона (e= 1,6·10^-19 Кл); U_вых - контактная разность потенциалов, В.

Таблица 1.1 Работа выхода электрона

Обозначение элементов	К	Nа	Са	Аl	Fе
Работа выхода электрона, эВ	2,02	2,12	3,14	3,95	4.79

Энергию, достаточную для эмиссии, электронам можно сообщить, нагревая металл до высокой температуры. Процесс испускания электронов нагретой поверхностью металла называется термоэлектронной эмиссией. При высокой температуре металла повышается тепловая скорость электронов. Эмиссия электронов из металла происходит при условии W>A_i.

Плотность тока термоэлектронной эмиссии

, А/см² , (1.З)

где A_i - работа выхода электрона, Дж; k - постоянная Больцмана (1,38·10^-38 Дж/K).

При сварке металлическим электродом коэффициент В = (60...70) А/см².

Эмиссия электронов происходит также при воздействии на поверхность электрода электромагнитных излучений. Этот процесс называется фотоэмиссией и возможен при условии:

(1.4)

где ν - частота электромагнитных колебаний, 1/с, h - постоянная Планка (h=6,623 10^-34 Дж.с).

Эмиссия электронов возможна при бомбардировке поверхности катода положительно заряженными ионами. В процессе сварки часть положительно заряженных ионов достигает торцевой поверхности электрода с запасом энергии, достаточным для выбивания электронов.

Электроны, оторвавшиеся от электрода, ускоряются электрическим полем и по столбу дуги перемещаются к аноду.

В дуговом промежутке, при высокой температуре, часть капель электродного металла и покрытия испаряется, образуется газовая среда сложного химического состава. В обычном состоянии газы не проводят электрический ток. Газовая среда становится электропроводной и обеспечивает стабильное горение дуги, когда между электродом и свариваемым металлом содержится достаточное количество заряженных частиц - ионов и электронов (приблизительно 10 заряженных частиц на 1 см³).

Активная ионизация газов в дуговом промежутке обеспечивается при введении в состав электродного покрытия элементов с низким потенциалом ионизации (табл. 1.2).

Таблица 1.2 Потенциал ионизации различных элементов

Обозначения элементов	К	Nа	Са	Fе	С	Н	0	N
Потенциал ионизации, В	4,30	5,11	6,11	7,83	11,23	13,50	13,60	14, 50

Величина потенциала ионизации элементов зависит от величины заряда ядра, радиуса атома и других факторов.

В газовом промежутке между катодом и анодом наблюдаются: ионизация соударением, термическая ионизация, фотоионизация и ионизация электрическим полем.

Ионизация соударением происходит при столкновении быстро перемещающегося электрона с малоподвижной газовой молекулой. При этом из газовой молекулы "выбиваются" электроны. Для "выбивания" электрона из газовой молекулы затрачивается энергия ионизации эВ.

Кинетическая энергия электрона, зависящая от скорости его движения, должна быть не меньше работы ионизации газовой молекулы:

(1.5)

При малой массе электрона его скорость, необходимая для ионизации атома, должна быть достаточно большой:

(1.6)

При неупругом соударении электрона с атомом газа образуется отрицательно заряженный ион, который в электрическом поле перемещается в направлении анода.

Фотоионизация заключается в воздействии на нейтральные частицы электромагнитной энергии дугового разряда. Ионизация газовых молекул возможна при условии, если квант действия электромагнитной энергии не меньше работы ионизации:

, (1.7)

(1.8.)

где с - скорость электромагнитной волны в вакууме (для света 3 10^-8, м/с); λ- длина волны, нм.

При высокой температуре газовой среды в дуговом промежутке увеличивается количество быстро двигающихся атомов и молекул и поэтому наблюдается термическая ионизация. В результате теплового соударения нейтральных частиц появляются заряженные ионы. Полная термическая ионизация среды возможна при очень высокой температуре.

При максимальной температуре дуги 7500 К происходит лишь частичная термическая ионизация газов в дуговом промежутке.

Эмиссированные с катода электроны, пройдя путь, равный длине свободного пробега, соударяются с нейтральными частицами и в результате может произойти их ионизация. В области катодного падения напряжения длина свободного пробега электронов равна 6,92 10^-7 см.

Одновременно с процессом ионизации в электрическом поле происходит рекомбинация заряженных частиц. Между процессами образования и уничтожения заряженных частиц устанавливается состояние равновесия.

Формы и размеры столба дуги зависят от силы тока, состава и давления газа, материала и диаметра электрода.

Положительно заряженные частицы, перемещаясь к катоду, образуют область катодного падения напряжения. Частицы с отрицательным зарядом в зоне анода образуют область анодного падения напряжения.

Рис. 1.3. Характеристики сварочной дуги переменного тока: U_ист -напряжение сварочного тока; U_д - напряжение дуги; I_д- ток дуга; U_зд – напряжение зажигания дуга

По ряду причин сварочная дуга может гореть нестабильно. Более нестабильно горит сварочная дуга переменного тока при использовании сварочного трансформатора с активным сопротивлением. В этом случае сварочная дуга питается током синусоидального напряжения (рис. 1.3). В каждый полупериод сварочная дуга затухает и вновь зажигается через промежуток времени t_у+t_з. Затухание наблюдается, когда напряжение источника тока (трансформатора )U_ист достигает напряжения зажигания дуги U_зд. После зажигания дуги через сварочную цепь проходит ток I_д.

В момент времени t_з напряжение источника будет равно

(1.9)

где U_ист - напряжение источника тока, В; U_зд - напряжение зажигания дуги, В; U_m - амплитудное (максимальное) значение напряжения источника тока, В; ω - угловая частота тока (), 1/c. В период горения сварочной дуги напряжение дуги остается постоянным.

Для большей устойчивости горения сварочной дуги переменного тока напряжение зажигания должно быть не более

U_зд = (1,5...2,5) U_д (1.10)

Для обеспечения этого требования напряжение холостого хода источника сварочного тока должно отвечать требованию

(1.11)

На величину напряжения зажигания дуги большое влияние оказывает эффективный потенциал ионизации газовой среды в дуговом промежутке. При активной ионизации газовой среды понижается напряжение зажигания дуги, и она горят более устойчиво.

Для повышения стабильности горения сварочной дуга в состав покрытия металлических электродов или в состав флюсов для автоматической сварки вводят материалы, содержащие элементы с низким потенциалом ионизации.

Ионизирующие действия материалов электродных покрытий оценивают по обрывной (критической) длине сварочной дуги.

Нашими исследованиями установлено, что потенциалы ионизации элементов, используемых для покрытия стальных электродов, являются не единственным параметром, влияющим на стабильность горения дуги. Например, потенциал ионизации калия (Uион.=4,334 В) меньше потенциала ионизации натрия (Uион. = 5,138 В) в соединении Na₂CO₃. Однако критическая длина дуги больше при использовании в качестве обмазки электрода Na₂CO₃ (lкр(Na₂CO₃))=16,8 мм, (lкр(K₂CO₃))=11,8 мм. Это можно объяснить тем, что кроме потенциала ионизации элемента на критическую длину дуги влияет масса компонента. Чем больше масса иона, тем меньше средняя скорость движения заряженной частицы. Следовательно, больше вероятность рекомбинации заряженных частиц.

Скорость движения заряженных частиц при заданной величине кинетической энергии обратно пропорциональна массе ионов:

(1.12)

Приведенный коэффициент ионизации Х_i компонента будет равен

(1.13)

где Х_i - приведенный коэффициент ионизации i -го компонента; m_i-- атомная масса i -го ионизирующего элемента электродного покрытия; m_H- атомная масса протона.

В табл. 1.3. показаны значения приведенных коэффициентов ионизации и их влияние на величину критической длины дуги.

Таблица 1.3. Зависимости критической длины дуги от приведенного коэффициента ионизации

Обозначение элемента	Масса химического элемента	Потенциал ионизации, В	Приведенный коэффициент ионизации, эВ	Критическая длина дуги, мм
К	40	4,339	27,1	11,8
Nа	23	5,138	24,7	16,8

Исследования показали, что с увеличением значения Хi уменьшается критическая длина дуги.

1.4. Порядок выполнения работы

1.4.1. Исследовать напряжение источника сварочного тока и сварочной дуги переменного тока

Для исследования синусоидальной характеристики напряжения источника переменного тока подключить сварочный трансформатор к двухлучевому осциллографу С1-17 (рис. 1.4). Включить трансформатор и осциллограф в сеть переменного тока и изучить по схеме на электронно-лучевой лампе осциллографа характеристику напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

Для исследования характеристики напряжения сварочной дуги переменного тока к осциллографу С1-17 и в электрическую сеть подключить второй сварочный трансформатор (рис. 1.5). Подключить трансформатор к сварочной цепи и возбудить сварочную дугу. Изучить на электронно-лучевой лампе характеристики напряжений на вторичной обмотке трансформатора и сварочной дуги.

1.4.2. Исследовать эффективность стабилизации сварочной дуги различными компонентами, входящими а состав электродного покрытия.

О

Рис. 1.4. Схема подключения сварочного трансформатора к осциллографу для исследования характеристики напряжения во вторичной обмотке (сварочной цепи) трансформатора: I - осциллограф; 2 - сварочный трансформатор; 3 - электрический щиток

чистить электродный стержень наждачной бумагой до блеска, погрузить в водный раствор исследуемого вещества и просушить. Для исследования используются мел СaCO₃, поташ К₂CO₃, кальцинированная сода Na₂CO₃ и углекислый магний MgCO₃, .

Очистить проволочной щеткой пластину и положить на стол приспособления (см. рис.1.1.) Установить электрод в электрододержатель; последний закрепить в приспособлении. Отрегулировать, пользуясь шаблоном, зазор между торцом электрода и пластиной, равный 2 мм. Включить сварочный ток [I=(45 ÷ 50) dэл, А.] и зажечь дугу, замкнув промежуток между деталью и электродом угольным стержнем.

После естественного обрыва дуги выключить ток и замерить с точностью до ± 0,1 мм длину максимального дугового промежутка. Опыты повторить 6 раз для каждого из указанных компонентов. Величину тока при этом не изменяют. Эксперимент каждый раз проводят на новом месте опытного образца. Для этого положение электрода изменяют. Результаты замеров максимальной длины дуги вносят в журнал лабораторных работ.

1.5. Обработать экспериментальные данные

З

Рис. 1.5. Схема подключения сварочных трансформаторов к осциллографу и в сварочную цепь для исследования характеристики напряжения сварочной дуги

ависимость критической длины электрической сварочной дуги от приведенного коэффициента ионизации описывается математической моделью

(1.10)

где А,В и п - коэффициенты математической модели.

1.6. Контрольные вопросы

1. Условия горения электрической сварочной дуги.

2. Процесс эмиссии электронов.

3. Процесс ионизации газов в дуговом промежутке.

4. Характеристика источника сварочного тока и дуги переменного тока.

5. Способы стабилизации сварочной дуги переменного тока.

6. Требования к элементам, вводимым в состав электродного покрытия, для стабилизации дуги. Влияние элементов, использованных для покрытия электродов на стабильность горения сварочной дуги.