Лабораторная работа  № 3

НАГРЕВ И РАСПЛАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДОВ.

Цель работы - ознакомление с расчетными и экспериментальными методами изучения нагрева электрода сварочным током и дугой, а также его плавления; исследование влияния химического состава стержня электродов и режимов сварки на нагрев и плавление электродов.

Исходные данные: Ток сварки 160 А, Uxx=103 B, d электродов 4 мм, марки электродов Е-В 121, Е308-16.

Теоретические  сведения.

Вопросы производительности сварки плавящимися электродами непосредственно связаны с процессами нагрева электрода сварочным током и его плавления: более интенсивный нагрев электродной проволоки сварочным током и дугой увеличивает производительность процесса. В то же время чрезмерный перегрев обмазки при протекании сварочного тока завышенного значения по электродному стержню в процессе сварки качественным электродом может привести не только к снижению механических свойств шва, но даже к разрушению электродного покрытия и к получению дефектного сварного соединения.

Электрод нагревается двумя источниками теплоты - джоулевым теплом, выделяющимся по всей длине электрода от токоподводящего контакта до торца, где горит дуга, и теплом, выделяющимся в дуговом промежутке и на торце электрода и вводимым в электрод через его рабочий конец. В данной работе изучается процесс нагрева электрода протекающим сварочным током.

Работа проводится в два этапа: на первом этапе изучается процесс нагрева электрода при коротком замыкании, на втором - влияние параметров режима сварки на кинетику процесса плавления отдельных участков электродов.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Количество тепла, вводимого дугой в электрод в единицу времени, определяется по формуле:

q =  зм*I*U  Дж/с

где зм = 0,15 - 0,3 - эффективный к. п.д. процесса нагрева электрода в режиме короткого замыкания.

Производительность расплавления определяется по формуле:

gp=щ*F*p‚  г/с

где p - плотность, г/см3;

F - площадь поперечного сечения стержня электрода, см2;

щ - средняя скорость расплавления, см/с.

Коэффициент расплавления электродов определяется по формуле:

бр=  *3600  г/(час *А)

Коэффициент неравномерности скорости расплавления электродов равен отношению скорости плавления электрода в конце щмах к скорости плавления в начале щ1:

Кн=.

Обычно при стабильном и нормальном протекании процесса сварки  Кн = 1,3- 1,4.

Температура в процессе нагрева электродов сварочным током  описывается выражением:

,

где щ0=j2()0  - начальная скорость нагрева;

  - начальный коэффициент температуроотдачи для электродного стержня;

Т1,Т0 - температура стержня и окружающего воздуха соответственно, °С

  pr - удельное электрическое сопротивление, Ом*см.

Точность определения температуры по уравнению зависит от выбранных значений постоянных коэффициентов, определяемых опытным путем. Для электродов с покрытием величина сг является средней теплоемкостью для стержня и покрытия, Р - периметр поперечного сечения электрода, причем P =р*dэ, где dэ - наружный диаметр электрода, а F=, где d1 - диаметр стержня электрода. Для упрощения вычислений можно использовать номограмму, приведенную на рис1,  где принято условное обозначение

n=

Tnp=m*d1*j^2+T0;

где Tnp - предельная температура, наступающая при бесконечно длительном протекании данного тока по электроду, °С.

Численные значение постоянных коэффициентов при расчете процессов нагрева электродов следует выбирать по табл. 3.

Порядок выполнения работы

1. в середине электрода заданной преподавателем марки укрепить термопару (рис. 2,а).

Плотность тока - j, A/мм2. Диаметры электрода и стержня определяется в мм.

2. Экспериментально изучить процесс нагрева электрода, накоротко замкнутого на сварочный стол, при двух значениях сварочного тока.

3. По показаниям милливольтметра и секундомере построить кривые нагрева электрода сварочным током для различных плотностей тока и марок электродов в координатах Т = f ( t) (рис.2‚б).

4. Используя номограмму (рис.1)‚ произвести расчет процесса нагрева электрода током для тех же условий и данные нанести на тот же график.

5. Изучить процесс плавления на электродах, где равные по длине участки (50 мм) отмечены с помощью скруток из медной проволоки (рис.3) .

6. Установить характер неравномерности плавления по длине электрода, определив значения  щ‚бр, Кн.

Указания к работе

Перед укреплением термопары в середине электрода в опытах по изучению процесса их нагрева сварочным током с одной стороны отбить обмазку и наждачной шкуркой зачистить поверхность оголенного стержня. Термопару укрепить либо зачеканкой в предварительно засверленном отверстии, либо приваркой (конденсаторной сваркой). Для надежного фиксирования термопары ее необходимо присоединить проволокой малого диаметра к электроду на расстоянии около 40 мм от места приварки.

Температуру электрода следует фиксировать с помощью хромель-алюмелевых термопар через каждые 5 секунд по шкале милливольтметра. Отсчеты производить до момента достижения установившегося теплообмена, когда температура стержня электрода перестает расти. Максимальная длительность измерений - не более 5 минут с момента начала нагрева. Значение температуры в градусах равно произведению показания милливольтметра в мВ на постоянный коэффициент, равный 26,4.

Расчет значений температуры при нагреве электродов сварочным током производить через каждые 30 сек.

В опытах по изучению процесса расплавления электрода по секундомеру следует фиксировать время расплавления каждого участка. Полученные данные следует усреднить, и по средним значениям вычислить щ и  бр. Опыты по определению скорости плавления и бр, а также исследования процесса нагрева электрода сварочным током производить на одинаковых режимах.

Результаты экспериментов.

  таблица к 1 опыту при кз электрода в стол, электрод Е-В121, I=160, d=4 мм

Таблица 4. Нагрев электрода  Е-В121 , накоротко замкнутого на сварочный стол

№

Сила тока, I

Напряжение, U

Напряжение короткого замыкания, Uкз

Температура электрода, єС

каждые 5 с

1

160

30

4

17

2

160

30

4,1

20

3

160

30

4,1

60

4

160

30

4,2

75

5

160

30

4,3

82

6

160

30

4,4

110

7

160

30

4,5

121

8

160

30

4,6

144

9

160

30

4,8

167

10

160

30

5

182

11

160

30

5,1

200

12

160

30

5,2

225

13

160

30

5,3

247

14

160

30

5,5

271

15

160

30

5,6

302

16

160

30

5,7

332

17

160

30

5,8

370

18

160

30

6

401

19

160

30

6,2

435

20

160

30

6,4

474

21

160

30

6,5

514

22

160

30

6,6

549

23

160

30

6,7

604

24

160

30

6,8

642

25

160

30

7,0

687

26

160

30

7,3

730

27

160

30

7,4

771

28

160

30

7,5

827

29

160

30

7,6

840

30

160

30

7,8

944

31

160

30

7,9

1014

32

160

30

8,0

1074

33

160

30

8,1

1121

34

160

30

8,3

1161

35

160

30

8,5

1211

Расчет к таблице 4, Е-В121, m=2,5 (mm3*єC)/A2, d1=4 mm, D1=200 єC, A=2,4*10-2.

Находим Тпр, n.  по формулам

Tпp=m*d1*j^2+T0 ;  n=,  j=

j=4*160/(3,14*16)=12,7 А/мм2

Тпр=2,5*4*12,72+20=1640 єC

=1640/200=8,2

n=

Умножаем n на время t=30, 60, 90, 120, 150, 180 и по номограмме находим отношение Tt/D1, из которого находим Tt и наносим на график кривой нагрева электрода током

n=0,02208*30=0,6624 n=0,02208*60=1,32 n=0,02208*90=1,98 n=0,02208*120=2,65 n=0,02208*150=3,31 n=0,02208*180=3,97
Tt=0*200=0 єC Tt=1,8*200=360 єC Tt=3,3*200=660 єC Tt=4,5*200=900 єC Tt=5,5*200=1100 єC Tt=6,6*200=1320 єC

Таблица 5. Нагрев электрода  Е308-16, накоротко замкнутого  на сварочный стол

№

Сила тока, I

Напряжение, U

Напряжение короткого замыкания, Uкз

Температура электрода, єС

каждые 5 с

1

160

30

6

37

2

160

30

6,2

141

3

160

30

6,5

210

4

160

30

6,7

301

5

160

30

6,8

398

6

160

30

6,9

471

7

160

30

7,0

538

8

160

30

7,1

603

9

160

30

7,2

676

10

160

30

7,3

725

11

160

30

7,4

774

12

160

30

7,5

817

13

160

30

7,6

856

14

160

30

7,7

888

15

160

30

7,8

925

16

160

30

7,9

956

17

160

30

8

977

18

160

30

8

986

19

160

30

8,1

1016


Расчет к таблице 5, Е308-16 , m=2,5 (mm3*єC)/A2, d1=4 mm, D1=130 єC, A=2,4*10-2.

Находим Тпр, n.  по формулам :

Tпp=m*d1*j^2+T0 ;  n=,  j=

j=4*160/(3,14*16)=12,7 А/мм2

Тпр=2,5*4*12,72+20=1640 єC

=1640/130=12,6

n=

Умножаем n на время t=40,50, 60,70, 80, 90, и по номограмме находим отношение Tt/D1, из которого находим Tt и наносим на график кривой нагрева электрода током

n=0,03264*40=1,3 n=0,03264*50=1,6 n=0,03264*60=1,96 n=0,03264*70=2,28 n=0,03264*80=2,6 n=0,03264*90=2,93
Tt=2,4*200= 480єC  700 Tt=2,8*200=560  єC Tt=4*200= 800 єC Tt=4,5*200= 900єC Tt=5,5*200= 1100єC Tt=6.3 *200= 1260єC

Таблица 6. Неравномерность процесса расплавления электрода Е-В-121

№

1 опыт, t, с

2 опыт, t, с

tср, с

1

12,9

12,4

12,65

2

12,8

12,3

12,55

3

11,8

11,3

11,55

4

11,7

12,1

11,9

5

11,5

12

11,75

Таблица 7. Неравномерность процесса расплавления электрода Е308-16

№

1 опыт, t, с

2 опыт t, с

tср, с

1

11,8

11,7

11,75

2

10,5

10,6

10,55

3

10

10,3

10,15

4

9,3

9,1

9,2

5

8,1

8,2

8,15

Расчет к таблице 6,  расплавление электрода Е-В-121, расчет щ‚бр, Кн этих параметров ведется по формулам Кн=,  бр=  *3600 , gp=щ*F*p г/с ‚  щ=l/t,  мм/c.  p=7,8 г/см3

F==3,14*16/4=12,56 мм3

Кн==4,33/3,95=1,1

№

L, мм

t, с

щ, мм/c

gp г/с

бр г/(час*А)

1

50

12,65

3,952569

0,387225

8,712569

2

50

12,55

3,984064

0,390311

8,781992

3

50

11,55

4,329004

0,424104

9,542338

4

50

11,9

4,201681

0,41163

9,261681

5

50

11,75

4,255319

0,416885

9,379915

Расчет к таблице 7,  расплавление электрода Е308-16, расчет щ‚бр, Кн этих параметров ведется по формулам Кн=,  бр=  *3600  gp=щ*F*p г/с ‚  щ=l/t,  мм/c.  p=7,8 г/см3

F==3,14*16/4=12,56 мм3

Кн==6,13/4,25=1,44

№

L, мм

t, с

щ, мм/c

gp  г/с

бр  г/(час*А)

1

50

11,75

4,255319

0,416885

9,379915

2

50

10,55

4,739336

0,464303

10,44682

3

50

10,15

4,926108

0,482601

10,85852

4

50

9,2

5,434783

0,532435

11,97978

5

50

8,15

6,134969

0,601031

13,52319

Вывод

Зная по каким механизмам происходит нагрев и расплавление электродов, можно выбрать оптимальную длину и плотность тока при наибольшей производительности в процессе сварки. Будет получатся качественный сварной шов, а электродное покрытие не разрушится из-за воздействия высоких температур в процессе нагрева электрода дугой и проходящим током.