Сапожков С.Б., Зернин Е.А., Сабиров И.Р. Теория сварочных процессов. Лабораторный практикум

Подождите немного. Документ загружается.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ЮРГИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИСТИТУТ

___________________________________________________________________________________________

Сапожков С.Б, Зернин Е.А., Сабиров И.Р.

ТЕОРИЯ СВАРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ.

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Учебное пособие

Издательство

Юргинского технологического института (филиала)

Томского политехнического университета

Юрга 2007

ББК 34.64

УДК 621.791.01

C 19

Сапожков С.Б.

С 19 Теория сварочных процессов. Лабораторный практикум: учеб-

ное пособие / С.Б. Сапожков, Е.А. Зернин, И.Р. Сабиров – Юр-

га: Изд-во Юргинского технологического института (филиала)

Томского политехнического университета, 2007. – 96 с.

В пособии рассмотрены основные разделы дисциплины «Теория

сварочных процессов». Приведены лабораторные работы по: источникам

энергии при сварке плавлением, тепловым процессам при сварке, физико-

химическим и металлургическим процессам при сварке, термодеформа-

ционным процессам и превращениям в металлах при сварке. Данное

учебное пособие предназначено для студентов специальности «Оборудо-

вание и технология сварочного производства».

УДК 621.791.01

Рекомендовано к печати Учебно-методическим советом

Юргинского технологического института

Томского политехнического университета

Рецензенты

Директор АП ССР-2ГАЦ-3АП «Юргинский»

Кузбасского центра сварки,

почетный работник высшего профессионального

образования Российской Федерации, доцент

Ю.М. Бубенщиков

Доцент кафедры сварочного производства ЮТИ ТПУ,

кандидат технических наук

А.Г. Крампит

Томского политехнического университета, 2007

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

РАЗДЕЛ 1. ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ ПРИ СВАРКЕ

ПЛАВЛЕНИЕМ

1.1. Исследование дугового разряда между угольными

электродами

1.2. Статическая вольт-амперная характеристика дуги

с неплавящимся электродом

1.3. Исследование влияния внешнего магнитного поля

на сварочную дугу

РАЗДЕЛ 2. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ

2.1. Нагрев и расплавление электрода

2.2. Исследование процесса распространения тепла

при автоматической сварке пластин

2.3. Влияние ограниченности размеров тел на процесс

распространения теплоты

2.4. Проплавление основного металла при наплавке

валиков

2.5. Тепловые процессы в контакте наконечник – сва-

рочная проволока

2.6. Температурные поля в зоне контакта капель рас-

плавленного металла с поверхностью свариваемого изде-

лия

РАЗДЕЛ 3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И МЕТАЛЛУРГИ-

ЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ

3.1. Исследование ионизирующего действия компо-

нентов электродных покрытий

3.2. Исследование металлургических процессов при

сварке в атмосфере защитных газов

3.3. Исследование влияния защитных покрытий на

процесс сварки в углекислом газе

РАЗДЕЛ 4. ТЕРМОДЕФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ И

ПРЕВРАЩЕНИЯ В МЕТАЛЛАХ ПРИ СВАРКЕ

4.1. Распределение внутренних напряжений в стыко-

вых сварных соединениях

4.2. Теоретические методы определения свариваемости

Требования к уровню достоверности результатов измерений

Структура отчета по лабораторной работе и правила его

оформления

ПРИЛОЖЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Теория сварочных процессов является базовой дисципли-

ной при подготовке студентов высших технических учебных

заведений специальности «Оборудование и технология сва-

рочного производства» и охватывает широкий круг процессов,

происходящих при сварке металлов.

По данной дисциплине известны работы отечественных

авторов, которые были учтены при написании данного учебно-

го пособия. К ним, прежде всего, относятся работы Н.Н. Рыка-

лина, В.В. Фролова, В.А. Винокурова, В.Н. Волченко, В.М. Са-

галевича, М.Х. Шошорова, И.И. Макарова, В.А. Парахина,

И.А. Арутюновой, Н.Н. Прохорова, В.М. Ямпольского, В.И.

Ермолаева, Э.Л. Макарова, А.Г. Григорьянца, В.С. Гаврилюка,

А.М. Попкова, К.В. Багрянского, З.А. Добротиной, К.К. Хре-

нова, Г.Л. Петрова, А.С. Тумарева, А.А. Алова, В.В. Уточкина,

Н.В. Королева, Б.Т. Кошкарева, Б.Ф. Якушина и др.

На современном этапе основными разделами дисциплины

«Теория сварочных процессов» являются: источники энергии

при сварке; тепловые процессы при сварке; физико-

химический и металлургический процессы при сварке; термо-

деформационные процессы и превращения при сварке.

Лабораторные работы в процессе подготовки студентов

специальности «Оборудование и технология сварочного про-

изводства» играют значительную роль. Самостоятельное вы-

полнение лабораторных работ способствует более полному ус-

воению теоретического материала, выводит на более высокий

уровень инженерно-техническое мышление.

Большую помощь в подготовке учебного пособия оказали

сотрудники кафедры сварочного производства ЮТИ ТПУ.

Данное учебное пособие направленно на закрепление

знаний по дисциплине «Теория сварочных процессов» студен-

тами специальности «Оборудование и технология сварочного

производства».

РАЗДЕЛ 1. ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ ПРИ СВАРКЕ

ПЛАВЛЕНИЕМ

1.1. ИССЛЕДОВАНИЕ ДУГОВОГО РАЗРЯДА МЕЖДУ

УГОЛЬНЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ

1. Цель работы:

1. Изучить строение и свойства мощного дугового разря-

да.

2. Исследовать влияние на дуговой разряд рода и поляр-

ности тока, магнитных полей и ферромагнитных масс.

2. Оборудование, приборы и материалы

1. Сварочный пост постоянного и переменного тока.

2. Штатив для укрепления угольного электрода.

3. Проекционная линза.

4. Полупрозрачный экран.

5. Стальной брус.

6. Угольные электроды.

7. Угольная пластина.

3. Краткая характеристика объекта исследования

Дуговая сварка плавлением основана на использовании

тепла электрической дуги, которая представляет собой дли-

тельный электрический разряд в среде газа, выделяющий при

этом значительное количество энергии. Сварочная дуга обра-

зуется между электродом и изделием или между двумя элек-

тродами, имеющими разность потенциалов.

В самостоятельном разряде, начиная с токов выше не-

скольких микроампер, наблюдается неравномерное распреде-

ление электрического поля в межэлектродном пространстве,

состоящем из трех зон (рис. 1.1): катодной 1, анодной 2 и стол-

ба дуги 3. На электродах часто наблюдаются пятна – анодное А

и катодное К.

Катодная зона – начинается с раскаленного торца элек-

трода, на котором расположено катодное

пятно, отсюда вылетает поток свободных

электронов. Плотность тока на катодном

пятне достигает 60–70 А/мм

, к катоду

устремляются потоки положительных ио-

нов, которые его бомбардируют и отдают

свою энергию, нагревая до 2500–3000

С.

Анодная зона – расположена у торца положительного

электрода, на котором выделяется неболь-

шой участок, называемый анодным пятном.

К анодному пятну устремляются и отдают

свою энергию потоки электронов, накаляя

его до 2500–4000

С.

Столб дуги – расположен между катодной и анодной зо-

нами. Состоит из раскаленных и ионизиро-

ванных частиц, температура в этой зоне

достигает 6000–7000

С в зависимости от

плотности сварочного тока.

В газовом промежутке между двумя электродами заря-

женные частицы могут возникнуть во всех трех зонах, но глав-

ным образом они появляются в результате процессов эмиссии

на катоде и объемной ионизации в столбе дуги.

Рис. 1.1. Области дугового разряда: 1 – катодная; 2 – анодная; 3 – столб

дуги

При питании дуги постоянным током наибольшее коли-

чество теплоты выделяется в зоне анода, т.к. анод подвергается

более мощной бомбардировке заряженными частицами. Разная

температура и количество теплоты, выделяющиеся в катодной

и анодной зонах, используется при решении технологических

задач. При сварке деталей, требующих большого подвода теп-

лоты для нагрева кромок, применяют прямую полярность, т.е.

«плюс» на детали, «минус» на электроде. При сварке тонко-

стенных деталей применяют сварку на обратной полярности:

«минус» на детали, «плюс» на электроде.

Наиболее удобным объектом для изучения свойств сва-

рочной дуги является электрическая дуга между угольными

электродами. Отсутствие плавления материала электрода обес-

печивает высокую термоэлектронную эмиссию на катоде, а

также интенсивное испарение на аноде, что облегчает выявле-

ние строения дуги и ее формы. Высокая устойчивость уголь-

ной дуги и стабильность ее формы позволяет изучить ее пове-

дение в условиях воздействия отдельных технологических

возмущений.

Известно, что прохождение электрического тока по эле-

ментам сварочной цепи, в том числе по свариваемому изде-

лию, создает собственное круговое магнитное поле, напряжен-

ность которого зависит от силы сварочного тока.

Столб сварочной дуги является гибким проводником

электрического тока, который под воздействием магнитного

поля может выталкиваться с мест, где магнитные силовые ли-

нии более сгущены, в направлении, где они менее сгущены.

В нормальных условиях магнитное поле тока оказывает

равномерное симметричное воздействие на столб дуги и дуга

не откланяется. Однако зачастую результирующее магнитное

поле вокруг дуги вызывает отклонение столба от нормального

положения, что затрудняет процесс сварки. Такое явление на-

зывают магнитным дутьем.

Рис. 1.2. Влияние места подвода тока, ферромагнитных масс и угла

наклона электрода на отклонение дуги

На величину магнитного дутья большое влияние оказыва-

ет собственное магнитное поле тока, внешние магнитные поля,

положение токоподвода, наличие ферромагнитных масс

(рис. 1.2), конфигурация изделия, тип соединения и наличие в

них зазоров.

Уменьшение магнитного дутья в основном достигается:

1) изменением места токоподвода;

2) размещением дополнительных ферромагнитных

масс;

3) применением поперечного магнитного поля;

4) изменением наклона электрода;

5) применением дуги переменного тока.

4. Методика выполнения лабораторной работы

Опыт 1.

Между угольным электродом и угольной пластиной с по-

мощью вспомогательного электрода возбудить электрическую

дугу. При помощи щита с линзой спроектировать полупро-

зрачный экран. Зарисовать дугу и определить максимальную

длину до ее разрыва, а также диаметр катодного пятна. Длину

дуги измерить, отмечая на экране расстояние между активны-

ми пятнами в момент обрыва дуги. Масштаб дуги определить

по диаметру электрода.

Опыт провести:

а) на постоянном токе прямой полярности;

б) на постоянном токе обратной полярности;

в) на переменном токе.

Результаты опыта свести в таблицу: проанализировать

полученные данные.

Опыт 2.

Определить влияние токоподвода на магнитное дутье.

Для этого первоначально возбудить угольную дугу в середине

стальной пластины, а затем по ее краям. При этом спроектиро-

вать дугу на полупрозрачный экран и зарисовать.

Опыт провести:

а) на постоянном токе прямой полярности;

б) на постоянном токе обратной полярности;

в) на переменном токе.