Учебные пособия по сварке / физ. и эл св дуги. Источ. пит. дуг. свар
..docФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Петербургский государственный университет путей сообщения
Императора Александра I»
(ФГБОУ ВО ПГУПС)
Кафедра «Технология металлов»
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №
Физические и электрические свойства сварочной дуги.
Источники питания электродуговой сварки. Снятие и построение внешних характеристик
по дисциплине
«Материаловедение и технология конструкционных материалов»
Выполнил
Группа
Проверил
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2018
ФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СВАРОЧНОЙ ДУГИ
Цель работы: ознакомиться с условиями возникновения, строения, свойствами и условиями устойчивого горения электрической сварочной дуги.
Задача работы: получение практических навыков по зажиганию, поддержанию устойчивого горения сварочной дуги при ручной дуговой сварке плавящимися и неплавящимися электродами на постоянном и переменном токе.
1.Краткие общие и теоретические сведения
Электрическая сварочная дуга используется в качестве концентрированного источника тепла при ручной, полуавтоматической и автоматической сварке.
Сварочная дуга – это мощный, стабильный разряд электричества в сильно ионизированной атмосфере газов и паров металлов, характеризующийся высокой плотностью тока, высокой температурой и ослепительным световым излучением.
В обычных условиях газы являются изоляторами и не проводят ток. Чтобы ток пошёл через газ, последний должен содержать достаточное количество электронов и ионов. Ионизация газа между электродом и деталью достигается путём эмиссии электронов с поверхности катода. Эмиссия электронов может быть:
а) термоэлектронной, когда электроны отрываются от раскалённого катода;
б) автоэлектронной под действием электрического поля;
в) фотоэлектронной под действием световых лучей на поверхность катодного пятна; г) от ударов положительных ионов о поверхность катода.
Строение сварочной дуги при ручной дуговой сварке штучным покрытым электродом
Электрод и свариваемая деталь подключены к источнику питания дуги Для зажигания дуги нужно прикоснуться оголённым торцом электрода к очищенной детали, замыкая сварочную цепь, и сразу отвести электрод на расстояние от 1 до 5мм. Мгновенно разогревается торец электрода и точка касания на детали, происходит термо и автоэлектронная эмиссия. Сгорают частицы электродного покрытия, выделяются газы. молекулы газов и паров металлов соударяются с электронами, при этом образуются новые электроны и ионы.
При сварке расстояние между электродом и деталью называется длиной дуги, она гаснет при расстоянии более 10мм (рис.1).
Рис 1. Схема сварочной дуги на постоянном токе с прямой полярностью включения электрода
Наиболее устойчиво и производительно горит короткая дуга при надавливании на электрод, причём зазор между ним и деталью обеспечивается за счёт козырька, образующегося при расплавлении и сгорании электродного покрытия. При сварке угольным и вольфрамовым электродами такой козырёк отсутствует, а электроды постепенно обгорают.
Классификация сварочных дуг
-
По применяемым электродам – плавящимся (а) и неплавящимся (б):
-
По степени сжатия дуги – сжатая (а) и свободная (б):
-
По полярности подключения электрода на постоянном токе: прямая полярность (а) и обратная (б):
-
Угол наклона электрода влияет на глубину провара металла.
-
По длине дуги ld различают: короткая дуга ld=2…4мм; средняя дуга ld= 4…6мм: длинная дуга ld>6мм
Статическая вольтамперная характеристика дуги
Участок I: увеличение тока приводит к резкому падению напряжения из-за увеличения площади столба дуги, характеристика падающая и неустойчивая. Применяется при р.д.с. малых толщин.
Участок II:увеличение столба дуги пропорционально изменению тока, характеристика дуги жёсткая, дуга применяется при р.д.с., автоматической сварке под флюсом и др.
Участок III: при токах более 800, А характеристика дуги возрастающая, т.к. плотность тока растёт без увеличения катодного пятна, дуга применяется при сварке в среде защитных газов.
Для зажигания дуги в воздухе между стальными электродами достаточно напряжения 45…50, В, между угольными 55…65, В.После зажигания дуги напряжение падает до 18…28, В для стальных и 30…40, В для угольных.
Длина дуги зависит от диаметра электрода dэ и при р.д.с. обычно
ld=(0,6…0,8)dэ.
Тепловая мощность сварочной дуги приближённо считается равной тепловому эквиваленту её электрической мощности:
Q=0,24 k Ud Id, кал/с,
где 0,24 – коэффициент перевода электрических величин в тепловые, кал/Вт;
k.-.коэффициент снижения мощности дуги на переменном токе (0,7 -.0,97);
Ud - падение напряжения на дуге, В; Id - сварочный ток, А.
2. Оборудование и приборы
-сварочный пост переменного тока с трансформатором ТД-500, амперметр, вольтметр, заготовки металла;
-сварочный пост постоянного тока, выпрямитель ВД-301, амперметр, вольтметр заготовки металла;
-инвертор Магма-350, вольфрамовые электроды, баллон с аргоном, редуктор, манометры;
-инвертор на 160А, угольные электроды.
3. Порядок выполнения практической части работы
Ступенчатой регулировкой на трансформаторе ТД-500 устанавливается диапазон токов от 0 до 250А. Производится сварка электродами для переменного тока длинной, средней и короткой дугой с измерением силы тока и напряжения дуги при разных расстояниях между первичной и вторичной обмотками трансформатора – минимальном, среднем и максимальном.
Электроды для постоянного тока не образуют дугу при питании от трансформатора, а электроды для переменного тока при работе с выпрямителем дают устойчивое горение дуги.
Производится сварка неплавящимся вольфрамовым электродом в среде аргона. Регулируется сила тока и все параметры нарастания и спада импульсов тока и давление газа в соответствии с инструкцией по работе с неплавящимися электродами. Включается сварочная и дежурная (осветительная) дуга.
Производится сварка с питанием от инвертора неплавящимся угольным цилиндрическим электродом диаметром 5мм с разной длиной дуги и при различных значениях силы тока.
Выводы:
-
Детали перед сваркой тщательно очищаются от всех загрязнений в том числе и от шлаков предыдущих сварок и обезжириваются, шлаки не проводят ток, дуга на них не горит.
-
При имеющемся в данной работе сварочном оборудовании дуга для штучного покрытого, вольфрамового и угольного электродов зажигается только касанием электрода о деталь, т.к. осцилляторы для бесконтактного зажигания дуги отсутствуют.
-
Электроды для переменного тока дают устойчивую дугу и на постоянном токе, а электроды для постоянного тока на переменном токе не держат дугу.
-
Дуга от вольфрамового и угольного электродов зажигается значительно легче, чем от штучного покрытого и имеет больше длину. В этом случае необходима подача защитного газа, а при сварке деталей существенной толщины и присадочного прутка.
-
Для получения самой короткой длины дуги от штучного покрытого электрода нужно уверенно прижимать его к детали, при этом электрод опирается на козырёк покрытия без короткого замыкания.
5. На постоянном токе дуга более устойчива, чем на переменном, однако проявляется магнитное дутьё –отклонение дуги в сторону ферромагнитных масс а также из-за влияния магнитных полей при несимметричном подводе тока.
6. Предотвращает магнитное дутьё сварка короткой дугой и сварка с использованием трансформаторов или инверторов.
7. При сварке на прямой полярности дуга устойчивее, а сварку на обратной полярности применяют для уменьшения выделения тепла на свариваемом изделии.
8. Дуга прямого действия применяется при сварке штучным покрытым плавящимся электродом, неплавящимся электродом в защитных газах, плавящимся проволочным электродом в защитных газах или под флюсом.
9. Дуга косвенного действия и комбинированная применяются при специальных видах сварки и наплавки.
10. Сила сварочного тока выбирается по формуле: Id=k dэ, где k=25 30А/мм для dэ=1 2мм; k=30 45А/мм для dэ=3 4мм; k=45 60А/мм для dэ=5 6мм.
Источники питания электродуговой сварки. Снятие и построение внешних характеристик
Цель работы: ознакомиться со схемами и конструкциями источников питания дуговой сварки.
Задачи работы:
-
Изучить имеющиеся в лаборатории источники питания дуговой сварки.
-
Снять и построить внешние характеристики источников питания, произвести сварку
Краткие общие и теоретические сведения об источниках питания электродуговой сварки
Источником тепла в электродуговой сварке является электрическая дуга, для её поддержания нужны специальные источники питания.
Техника безопасности:
-
И.П. подключаются к сети ~380В (~220В маломощные),поэтому корпуса И.П. должны быть надежно заземлены, а высоковольтные провода надежно изолированы.
Требования к И.П.:
-
Напряжение холостого хода UXX ≤80В.
-
Ток короткого замыкания IКЗ <Imax расчетного.
-
Плавная регулировка сварочного тока IСВ (в мощных источниках дополнительно и ступенчатая).
-
Внешняя характеристика одного из 4х-типо: 1 - крутопадающая; 2 - пологопадающая; 3 - жесткая; 4 - возрастающая (рис. 2)
Рис.2
-
И.П. переменного тока - трансформаторы. Напр. ТД-500; ТД-300
Рис.3. Упрощённая схема сварочного трансформатора
Регулировка силы тока (IСВ):
-
Ступенчатая - путем переключения количества витков W1 и W2;
-
Плавная - путем изменения расстояния между W1 и W2..
Крутопадающий тип внешней характеристики обеспечивается за счет удлиненного магнитопровода и неплотного прилегания к нему обмоток, что создает рассеяние магнитного потока в пространстве. При коротком замыкании электрода на деталь напряжение падает практически до нуля а сила тока не превышает максимально допустимого значения.
-
И.П. Постоянного тока. Это выпрямители, например: ВД-301; ВД-302; ВДУ-1251 и др.; преобразователи, напр.: ПД-502 и др. и инверторы.
Рис. 5.Упрощённая схема сварочного выпрямителя
где: W1 и W2-первичная и вторичная обмотки понижающего трансформатора, он может быть 3-х фазным на ~380, В и двухфазным на ~220, В.
ПП - полупроводниковый выпрямитель также 3-х фазный или 2-х фазный.
Регулировка сварочного тока IСВ:
- ступенчатая - путем переключения обмоток W1 и W2
(Δ ) - треугольником или (Y) - звездой;
-плавная-. путем изменения расстояния между W1 и W2.
Рис. 7. Типы внешних характеристик
Внешняя характеристика задается силовым трансформатором (W1 и W2 ).
Сила сварочного тока выбирается в зависимости от толщины деталей (ICB~S).
Рис. 8. Условия устойчивого горения электрической дуги
Сварочные преобразователи и агрегаты
Рис.9.Упрощённые схемы сварочного преобразователя и агрегата
Преобразователь состоит из генератора и электродвигателя с общим валом для ротора и якоря.
Три обмотки возбуждения:
-
Намагничивания (Wн);
-
Подмагничивания (Wп);
-
Размагничивания (Wр).
Сила сварочного тока (Iсв) регулируется ступенчато при подключении обмотки Wр и плавно переменным сопротивлением R.
Внешняя характеристика (рис. 15) сварочного преобразователя может быть: крутопадающей, пологопадающей, жёсткой, возрастающей (при увеличении числа витков Wп).
Рис. 10. Типы внешних характеристик преобразователя
Рис. 11. Блок - схема сварочного агрегата
Сварочный агрегат состоит из генератора с самовозбуждением и двигателя внутреннего сгорания. Агрегат применяют для ручной дуговой сварки в полевых условиях.
Сварочные инверторы
Регулировка силы сварочного тока (Iсв):
-
ступенчатая – путём выбора способа сварки и его внешней характеристики;
-
плавная – путём поворота соответствующей рукоятки, что сопровождается цифровой индексацией силы тока.
Рис. 12. Упрощённая схема сварочного инвертора
Масса и габариты инверторов примерно в 5-8 раз меньше чем у традиционных низкочастотных источников.
Технологические преимущества инверторов:
-
Сварка короткой дугой;
-
Минимальное разбрызгивание металла;
-
Минимальный перегрев изделия;
-
Сварка плохо сваривающихся сталей;
-
Высокий КПД, высокое быстродействие, cosφ=1;
-
Минимальное потребление энергии на холостом ходу;
-
Точная регулировка сварочного тока с цифровой индикацией;
-
«Форсаж дуги»
-
Напряжение питания от ~140 до ~240, В.
Оборудование и приборы
Сварочный пост переменного тока и ТД-500, амперметр, вольтметр, электроды для переменного тока; сварочный выпрямитель ВД-301; сварочный преобразователь ПД-502; сварочный инвертор ФЕБ-350; маломощные источники питания до 160А.
Порядок выполнения работы
Изучить конструкцию и принцип действия источников питания дуговой сварки, снять и построить внешние характеристики ТД-500.Сделать выводы по работе.
Рис. 13 Внешняя характеристика ТД-500
На рисунке представлены полученные экспериментально внешние характеристики ТД-500 при разных расстояниях между обмотками: Iкз1=180, А; Iкз2=200, А; Iкз3=220, А; Uхх=56, В.
Выводы:
-
Трансформатор ТД-500 имеет крутопадающий тип внешней вольтамперной характеристики;
2) Количество таких внешних характеристик неограниченно, так как зазор можно плавно менять на бесконечно малую величину.
-
Iкз3 =220, А, так как сила тока была ступенчатым способом отрегулирована на минимальные токи.
-
Минимальный ток Iсв достижим на длинной дуге при максимальном расстоянии между обмотками.
-
Максимальный ток Iсв достижим на короткой дуге при минимальном расстоянии между обмотками.
-
В лабораторной работе были рассмотрены способы электродуговой сварки и сварочное оборудование, а также источники питания дуговой сварки. и произведена оценка сварочного шва, выполненного преподавателем. Сварочный шов высокого качества равномерный по высоте, ширине и глубине провара.
-
Инверторный источник питания имеет семейство вольтамперных характеристик, пригодных для всех способов дуговой сварки.
-
маломощные источники питания имеют только плавную регулировку силы тока.