Додаткова_література / TZPlab-

Міністерство освіти і науки України

Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя

Кафедра технології і обладнання зварювального виробництва

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до лабораторних робіт

з дисципліни „Теорія зварювальних процесів”

для студентів усіх форм навчання освітньо-кваліфікаційного рівня бакалавр напряму підготовки 6.0923 "Зварювання"

Методичні вказівки розроблено відповідно до навчальної програми дисципліни „Теорія зварювальних процесів” та навчальних планів підготовки фахівців освітньо-кваліфікаційного рівня бакалавр напряму підготовки 6.0923 "Зварювання"

Розглянуто і схвалено на засіданні кафедри "Технології і обладнання зварювального виробництва", протокол №1 від 29.08.2008 р.

2

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1

ТЕМА: "Дослідження стабільності електрозварювальної дуги"

1. МЕТА РОБОТИ 1.1. Дослідити вплив різних речовин на стабільність горіння

електрозварювальної дуги.

1.2. Дослідити іонізуючі здатність різних електродних покрить.

1.3. Дослідити вплив параметрів режиму зварювання на стабільність горіння електрозварювальної дуги.

2. ПРИЛАДИ ТА ОБЛАДНАННЯ 1.1. Зварювальні пости

1.2. Електродні стержні діаметром 2, 3, 4, 5, 6мм 1.3. Електроди з різними типами покрить 1.4. Набір хімічних речовин 1.5. Штативи 1.6. Сталеві зачищені пластинки

1.7. Слюсарний інструмент (набір)

3. КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ Електрична зварювальна дуга являє собою дуже потужний стаціонарний

розряд в газах. Виникнення і стійке існування електричного дугового розряду між електродами обумовлено іонізацією газу, що знаходиться в міжелектродному проміжку, тобто появою в ньому заряджених часточок – електронів та іонів. При збудженні та горінні електричної зварювальної дуги заряджені часточки в ній появляються як за рахунок електронів з катода, так і за рахунок іонізації атомів речовини, що знаходиться в міжелектродному проміжку в газуватому стані.

Основними видами емісії при зварюванні є термоелектронна та автоелектронна. Певну роль відіграє і фотоемісія, а також емісія електронів за рахунок бомбардування катода позитивно зарядженими іонами.

Здатність до іонізації різних речовин характеризується потенціалом іонізації Ui – мінімальною енергією, яку необхідно прикласти до нейтрального атома для відривання від нього одного або декількох електронів (для зварювальних дуг характерна одноразова іонізація з виходом з атома одного електрона).

Потенціал іонізації залежить від будови атома. Він є періодичною функцією атомного номера елемента, понижуючись із зменшенням номера групи і збільшенням номера періоду таблиці Менделєєва.

Значення перших потенціалів іонізації деяких елементів наведені в таблиці.

3

Таблиця 1.1 – Перші потенціали іонізації

K	Na	Ba	Ca	Mn	Fe	H	O	N	F	He	Ar
4,33	5,11	5,19	6,10	7,4	7,83	13,53	13,56	14,5	18,6	21,5	24,5

Енергія, необхідна для іонізації, може надаватись нейтральним атомам чи молекулам різними способами. В зварювальній дузі іонізація переважно відбувається при зіткненні електронів з атомами, а також при зіткненні останніх між собою.

Електричне поле дуги надає імітованим з катода електронам кінетичну енергію, яка внаслідок великої рухливості електронів витрачається на два види зіткнень – пружні та непружні. При пружному – зіштовхування електрода з атомом чи молекулою відбувається збільшення кінетичної енергії останніх без зміни потенціальної. В результаті підвищується температура газу. При непружних зіткненнях енергія витрачається або на збудження, або на іонізацію нейтральних часточок. При збудженні відбувається порушення принципу енергетичного мінімуму електронної оболонки атома внаслідок переходу його електрона на більш високий енергетичний рівень, що приводить до зростання потенціальної енергії атомної системи.

При іонізації атома його орбітальному електрону надається енергія, більша за найвищий рівень (енергетичний), внаслідок чого електрон перестає належати атому.

Умову іонізації при непружному зіткненні електрона з атомом можна записати таким чином:

mv2

2

≥e U i ,

(2.1)

тобто кінетична енергія електрона повинна бути не меншою за роботу іонізації.

При непружних зіткненнях нейтральних атомів з електронами або між собою, що має місце при високих температурах та густині газу, також відбувається іонізація, яку прийнято називати термічною. Умова термічної іонізації:

32 KT ≥e U i ,

(2.2)

Слід зауважити, що кількість непружних зіткнень в стовпі значно менша, ніж пружних. Це зумовлено його відносно низькою температурою, а значить, і порівняно малою кількістю електронів, що мають енергію, достатню для іонізації.

Атоми чи молекули можуть іонізуватись не тільки при зіткненні, але і шляхом поглинання квантів випромінювання. Умові цієї, так званої

фотоіонізації можна записати так:
hν ≥e U i ,	(2.3)

тобто енергія кванта випромінювання повинна бути не меншою за роботу іонізації.

4

В електричній зварювальній дузі одночасно з іонізацією безперервно протікає процес деіонізації. Це, в першу чергу, рекомбінація заряджених частинок в нейтральній по схемі електрон-іон, іон-іон. Крім того, можливий захват електронів нейтральними атомами. Ці процеси, як правило зворотні. Але при наявності в дуговому проміжку елементів з великою спорідненістю до електронів утворюються від'ємні іони, які взаємодіють з додатними іонами металів з утворенням нейтральних молекул, що приводить до деіонізації дугового проміжку. До таких елементів, в першу чергу, відносяться галогени.

Зварювальна дуга порівняно рідко існує в чистих газах. Частіше всього вона горить в суміші газів, що містять пари металів, електродів та флюсів, гази атмосфери або захисні гази, пари води та ін. Природно, що компоненти суміші з більш низьким потенціалом іонізації іонізуються в значній мірі і навпаки. В результаті така суміш поводить себе як деякий газ з потенціалом іонізації Uеф, який залежить від потенціалів іонізації його компонентів Uі та від їхньої концентрації Сі.

		T	K 1	2			5800
U еф	= −		ln ∑C1			−		U i	,	(2.4)
		5800			exp		T
			1

З рівняння витікає, що при однаковій концентрації всіх компонентів газу найбільший вплив на ефективний потенціал іонізації має компонент з найнижчим потенціалом іонізації, причому з пониженням температури цей вплив ще більше зростає.

4. МЕТА ТА ПОРЯДОК ПРОВЕДЕННЯ РОБОТИ Стабільність горіння дугового розряду характеризується постійністю його

параметрів в часі. Її досить ефективно можна оцінювати по, так званій, розривній довжині дуги. Для визначення довжини дуги стальний електродний стержень закріплюється нерухомо в штативі таким чином, щоб віддаль між ретельно зачищеною стальною пластинкою і торцем електрода становила 2мм. На електрод і пластинку подається електрична напруга і збуджується між ними дуговий розряд закороченням зазору вугільним стержнем. Після закінчення горіння дуги віддаль між оплавленим кінцем електрода і пластиною називається розривною довжиною дуги. Чим більша розривна довжина дуги, тим вища стабільність дуги.

4.1.При дослідженні впливу різних речовин на стабільність горіння дуги потрібно по вищеописаній методиці визначити розривну довжину дуги при знаходженні в міжелектродному проміжку досліджуваних речовин, які попередньо наносяться на кінець електрода або шляхом його занурення в розплав речовини, або засипанням кінця електрода та міжелектродного проміжку досліджуваною речовиною. Для кожної речовини або хімічного елемента дослід повторюється не менше трьох разів і визначається середнє значення розривної дуги для досліджуваного елемента або речовини.

4.2.Для одного хімічного з'єднання, яке стабілізує дугу, провести експеримент при постійному діаметрі електрода, але зі зміною величини

5

зварювального струму. Для кожного обраного значення зварювального струму експеримент провести не менше трьох разів, знаходячи середнє значення розривної довжини дуги.

4.3.Після цього змінюючи діаметр електрода, залишаючи постійний струм та хімічне з'єднання, і провести експеримент згідно з описаною методикою.

Для кожного діаметра електрода дослідження провести не менше трьох разів з визначенням середнього значення розривної довжини дуги.

4.4.Дослідження іонізуючої здатності покрить різних типів електродів проводиться аналогічно вказаному вище при постійних значеннях струму та діаметра по три рази для кожного типу електрода. При вимірюванні розривної довжини дуги наплавлений шар звільнити від шлаку.

5. ЗМІСТ ЗВІТУ В звіті лабораторної роботи потрібно зазначити мету роботи, коротко

описати методику та порядок її виконання, навести одержані результати і їх аналіз та висновки по роботі. Звіт повинен бути оформлений у відповідності з правилами ЕСКД ДСТУ 3008-95.

6. КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ 6.1.Електрична зварювальна дуга та умови її існування. 6.2.Що таке потенціал іонізації?

6.3.Від чого залежить потенціал іонізації різних хімічних елементів? 6.4.Пружна та непружна взаємодія вільних електронів з атомами та

молекулами в стовпі дуги. 6.5.Види іонізації в стовпі дуги. 6.6.Процеси іонізації в стовпі дуги. 6.7.Як визначається ступінь іонізації? 6.8.Ефективний потенціал іонізації.

6.9.Фактори, що впливають на ефективний потенціал іонізації.

6.10.Стабільність горіння дуги та методика її визначення.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №2

ТЕМА: Визначення ефективної потужності і ефективного к.к.д.

зварювальних джерел нагріву

1МЕТА РОБОТИ

1.4.Дослідити вплив виду електродів на ефективну потужність та ефективний к.к.д. зварювальної дуги.

1.5.Дослідити вплив способів та режимів зварювання на ефективний к.к.д. зварювальної дуги.

6

2 МАТЕРІАЛИ ТА ОБЛАДНАННЯ
2.1. Калориметр	– 3 шт.
2.2. Термометр з ціною поділки 0,1-0,2 град	– 3 шт.
2.3. Набір електродів	– 3 шт.
2.4. Пластини для наплавлення розміром 150х80х10 мм	– 27 шт.
2.5. Прилади для автоматичного записування струму та напруги	– 3 шт.
2.6. Терези з набором рівноваг	– 1 шт.
3 КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ РОБОТИ
При зварюванні не вся енергія , що виділяється при	горінні дуги,

вводиться в деталь. Частина її витрачається у навколишнє середовище за рахунок конвекції, радіації та розбризкування металу. Кількість теплоти, що вводиться в основний метал за одиницю часу, називається ефективною тепловою потужністю зварювального джерела нагріву.

Відношення ефективної потужності до всієї потужності, що витрачається на зварювання, називається ефективним к.к.д джерела нагріву.

Ефективна потужність зварювальних джерел звичайно визначається калориметричним способом.

	Вираз для підрахунку ефективної теплової потужності дуги можна
одержати з рівняння теплового балансу:
QU = qU t2 =QK +QЗР +QП +QТ ,		(2.1)
де	t2 – час горіння дуги, с;
QK	– теплота, що передається від зразка калориметру, Дж;
QU	– теплота, введена у зразок, Дж;
QЗР	– теплота, що визначає різницю ентальпій зразка до експерименту і після

охолодження у калориметрі, Дж;

QТ – теплота, яка віддається зразком у навколишнє середовище внаслідок поверхневої тепловіддачі під час зварювання та перенесення зразкакалориметр, Дж;

QП – теплота, що губиться на пароутворення при зануренні зразка у калориметр, Дж.

Складові теплового балансу можна визначити за допомогою таких рівнянь:

QK = mВ CВ (T ′ −T 0)+ mK CK (T ′ −T 0),

(2.2)

де mВ , mK – відповідно маса води у калориметрі та маса внутрішніх металевих

частин калориметра, г;

CВ , CK – відповідно питома вагова теплоємність води та металу внутрішніх частин калориметра, Дж/град;

7

T0 , T ′ – відповідно температура води до і після експерименту, °С.

QЗР	= mЗР CЗР (T ′ −T П),	(2.3)
де	mЗР – маса зразка після наплавлення;

CЗР – питома вагова теплоємність зразка;

T П	– температура зразка перед експериментом.
QП	= mП 2600 ,	(2.4)
де	mП – маса води, що випарувалась;

2600 – питома теплота пароутворення з врахуванням нагріву води від 15 до

100°С, Дж/г.

У зв'язку з складністю експериментального визначення mП можна знайти

QП в залежності від ІЗВ		з табл. 1.
Таблиця 1- Залежність ІЗВ від QП
ІЗВ , А	100	200	400	600	1000
QП , Дж	1600	2400	3200	4000	4800

Втрати теплоти у навколишнє середовище внаслідок поверхневої віддачі можна визначити за такою спрощеною формулою:

Q

=

α qU t

2

,

(2.5)

c γ δ

Т

де

α – коефіцієнт повної поверхневої тепловіддачі зразка, значення якого

можна прийняти рівним 40 Дж/м2, с х град;

cγ

– об'ємна теплоємність металу зразка, яка для маловуглецевої сталі

дорівнює 5,4 х 106 Дж/м3 град;

δ – товщина зразка, м;

q

– ефективна теплова потужність джерела нагріву, Дж/с;

U

t – час горіння дуги, с.

Виходячи з рівнянь 2.5 і 2.1, одержуємо вираз для знаходження

ефективної теплової потужності

q

=

Q

K

+Q

+Q

П

;

(2.6)

ЗР

α

U

t 1−

t

cγ δ

Ефективний к.к.д. джерела нагріву визначається за формулою

η

=

qU

100% ,

(2.7)

U

q

де q – загальна потужність зварювальної дуги, Вт.

8

q = ІЗВ U g ,	(2.8)
де ІЗВ , U g	– відповідно зварювальний струм в А та напруга в В.

4 МЕТА ТА ПОРЯДОК ПРОВЕДЕННЯ РОБОТИ Дослідження проводяться на зразках з маловуглецевої сталі. Наплавлення

валиків здійснюють по осьовій лінії вздовж більшої сторони зразків, які встановлюють на підтримуючі гачки калорифера. Зразу після закінчення наплавлення зразок потрібно скинути в калориметр з водою шляхом повертання гачків на 90°С. Для рівномірного нагріву всієї маси води її потрібно перемішувати з допомогою гвинтової мішалки.

Температуру води у калориметрі до і після скидання в нього пластини та перемішування води потрібно вимірювати з допомогою з чутливого термометра.

В процесі наплавлення необхідно вимірювати та записувати середні значення струму, напруги на дузі та час наплавлення. На кожному з досліджуваних режимів потрібно робити не менше трьох дослідів. Одержані та

обчислені результати експерименту потрібно заносити у табл. 2.

Таблиця 2 – Експериментальні результати

№

m

K

m

В

m

ЗП

T ′

T

0

T

П

t

І

ЗВ

U

g

Q

K

Q

П

Q

Q

ЗР

q

q

η

U

Т

U

1

2

3

Експеримент здійснювати при зварюванні електродами з якісною та крейдяною обмазками, а також вугільним. Для електродів з якісно. Обмазкою дослідити вплив величини зварювального струму на дузі на значення ефективної теплової потужності та ефективного к.к.д. нагріву пластини дугою.

5 ВИМОГИ ДО ЗВІТУ В звіті лабораторної роботи потрібно зазначити мету роботи, коротко

описати методику та порядок її виконання, навести одержані результати і їх аналіз та висновки по роботі. Звіт повинен бути оформлений у відповідності з правилами ЕСКД ДСТУ 3008-95.

6КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

6.11.Що таке ефективна теплова потужність?

6.12.Що таке ефективний к.к.д. джерела нагріву при зварюванні?

6.13.Охарактеризуйте можливі причини втрат при дуговому зварюванні.

6.14.Яким способом визначають ефективну теплову потужність та ефективний к.к.д. нагріву деталі дугою?

9

6.15.Охарактеризуйте статті теплового балансу при калориметричному способі визначення ефективної потужності та ефективного к.к.д. дуги.

6.16.Проаналізуйте фактори, що впливають на точність експериментального визначення к.к.д. дуги калориметричним способом.

6.17.Яких правил техніки безпеки потрібно дотримуватись при виконанні лабораторної роботи?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №3

ТЕМА: "Дослідження процесу поширення теплоти при

однопрохідному зварюванні встик тонкої пластини"

1.МЕТА РОБОТИ

1.1.Засвоїти методику теоретичного розрахунку, експериментального знаходження термічних циклів основного металу, що нагрівається під час зварювання.

1.2.Дослідити вплив параметрів дугового зварювання на характер термічних циклів при однопрохідному зварюванні тонкої пластини.

1.3.Порівняти розрахункове та експериментальне визначення термічних циклів.

2.ПРИЛАДИ ТА ОБЛАДНАННЯ

2.1.Установка для зварювання

2.2.Термопари хромель-алюмелеві

2.3.Прилад для автоматичного запису температури

2.4.Електровимірювальні прилади (вольтметр, амперметр)

2.5.Секундомір

2.6.Вимірювальний інструмент (металева лінійка, штангенциркуль)

2.7.Пластини з маловуглецевої сталі 400х200х2 мм.

3.КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

При дуговому зварюванні пластин встик за один прохід можна вважати, що температура по товщині пластини є однаковою. В цьому разі зварювальна дуга – це рухоме розподілене по товщині джерело теплоти. При дії рухомих джерел нагріву температурні поля зручно розраховувати в рухомій системі координат, що переміщується разом із джерелом нагріву.

Рівняння граничного усталеного температурного поля, тобто такого, яке практично не змінюється в часі, для процесу розповсюдження теплоти від лінійного джерела постійної потужності, що рухається з постійною швидкістю в тонкій пластині, в рухомій системі координат має такий вигляд (рис. 2.1.):

10