Изучение дуги постоянного тока

с неплавящимся электродом

Цель работы

Ознакомление со строением дугового разряда постоянного тока, опреде­ление коэффициентов уравнения дуги, построение вольтамперных характери­стик (ВАХ), изучение влияния полярности дуги на стабильность ее горения и стойкость неплавящегося электрода.

Теоретическое введение

Дуга – устойчивый электрический разряд в сильно ионизированной смеси газов и паров металлов, отличающийся высокой температурой и высокой плот­ностью тока. Дуговой разряд находит широкое применение в сварочном произ­водстве благодаря простоте оборудования и высокой стабильности и управляе­мости процесса.

В дуговом разряде выделяются три области: анодная протяженностью ℓ_a, катодная ℓ_k и столб дуги ℓ_c (рис. 3.1).

U_a U_c U_k

 

ℓ_k катодная область

столб дуги

ℓ_c анодная область

 

 

Рис.3.1. Схема дугового разряда

В анодной и катодной области наблюдаются значительные падения на­пряжения, вызванные концентрацией заряженных частиц. На поверхности ано­да и катода образуются соответствующие пятна дуги, характеризуемые ярким свечением вследствие высокой концентрации энергии. Они являются основа­ниями столба дуги.

Общая длина дуги

ℓ_д = ℓ_а + ℓ_k +ℓ_c. (3.1)

Но т.к. ℓ_а @ 10^-2 мм, а ℓ_k @ 10^-4 мм, т.е. ничтожно малы по сравнению с длиной столба дуги, то практически ℓ_д =ℓ_с.

Общее напряжение на дуге равно сумме падений напряжений соответст­вующих областей

U_д = U_a + U_k + U_c. (3.2)

U_д линейно зависит от ℓ_д:

Uд = а + bℓ_д, (3.3)

где а = U_a + U_k, зависит от материала электродов и атмосферы дуги;

b – градиент потенциала в столбе дуги, зависит от материала электродов и атмосферы дуги.

Для определения коэффициентов а и b уравнения (3.3) на основании дан­ных эксперимента рассчитывается линейное уравнение регрессии U_д(ℓ_д).

При сварке неплавящимся электродом (уголь, вольфрам) конструкционных металлов и сплавов (стали, алюминий, титан и т.д.) дуга горит между электродами с резко различающимися теплофизическими свойствами, что обуславливает различие в температуре их нагрева, которая не превышает температуру их кипения. Температура нагрева катода является важнейшим фактором, влияющим на плотность тока термоэлектронной эмиссии и, следовательно, устойчивость дугового разряда. Согласно уравнению Ричардсона - Дешмена плотность тока термоэлектронной эмиссии j_Т равна

(3.4)

где А – эмиссионная постоянная, равная 120 А/см²·^оК

φ – работа выхода электрона из эмиттера;

Т– абсолютная температура;

k – постоянная Больцмана, равная 1,38·10^-23 Дж/^оК

Полярность подключения (положение катода и анода на неплавящемся электроде и изделии), определяющая теплофизические условия на катодном пятне, прямо влияет на устойчивость дугового разряда и скорость эрозии неплавящегося электрода. За показатель устойчивости дуги в работе принята разрывная длина дуги, а степени стойкости угольного электрода – изменение твердости наплавленного металла за счет насыщения его углеродом угольного электрода.

Оборудование и материалы

1. Сварочный выпрямитель с амперметром постоянного тока.

2. Вольтметр постоянного тока.

3. Штатив с механизмом вертикального перемещения электрода.

6. Угольные и стальные пластины.

7. Угольные электроды.

Порядок выполнения работы

1. Собрать лабораторную установку в соответствии со схемой на рис.3.2 (прямая полярность подключения).

 

 

Рис. 3.2. Схема экспериментальной установки

1 – штатив, 2 – угольный электрод; 3 – подъемный механизм; 4 – сварочный выпрямитель ВД-306; 5 – изделие; А – амперметр постоянного тока; V – вольтметр постоянного тока

2. Закрепить угольный электрод в подъемный механизм и установить расстояние между нижним торцом электрода и угольной пластиной 2 мм. Возбудить дуговой раз­ряд путем закорачивания дугового промежутка вспомогательным угольным электродом и измерить напряжение на дуге. Результат измерения занести в таблицу 3.

3. Изменяя с помощью подъемного механизма длину дуги от первоначального до 8 мм, повторить измерения напряжения на дуге через каждые 2 мм с занесением результатов в таблицу 3.

4. По полученным точкам c помощью пакета программ Microsoft Excel построить график линейного уравнения регрессии U_д = f(ℓ_д). рассчитать коэффициенты а и b уравнения (5) и записать их значения в таблицу 2.

5. Повторить опыты по пп. 2-4 для стальной пластины.

Таблица 3.1

Результаты расчета коэффициентов уравнения регрессии (3.3)

Материал	lд, мм	Uд, В	Коэффициент
катод	анод	а	b
Уголь	Уголь
Уголь	Сталь

 

6. Рассчитать по уравнению (6) плотность тока термоэлектронной эмиссии для железного и угольного катодов. Температуру Т принять равной температуре кипения материала катода (для железа Т= 3150 ^оК, для угольного электрода Т = 5000 ^оК). Для угольного катода φ = 6,88·10^-19 Дж, для железного – φ = 6,976·10^-19 Дж. Результаты расчета занести в таблицу 4.

7. При прямой полярности подключения установить зазор 3 мм между угольным электродом и стальной пластиной. Возбудить дуговой разряд, измерить силу тока дуги и занести результаты измерения в таблицу 4.

8. С помощью подъемного механизма увеличивать длину дуги до ее разрыва. Зафиксировать напряжение на дуге в момент разрыва U_p и измерить разрывную длину дуги ℓ_p. Опыт повторить 3 раза. Занести результаты измерений в таблицу 3.2.

 

Таблица 3.2

Влияние полярности на устойчивость дугового разряда

№ опыта	Катод	Анод	jT, A / мм^2	Iд , А	Up, B	ℓр, мм
№ замера	Среднее
	Угольный электрод	Стальная пластина
	Стальная пластина	Угольный электрод

 

9. Повторить опыты по пп. 7-8 для обратной полярности.

10. Сделать выводы о влиянии полярности дуги с неплавящимся электродом на ее стабильность.

11. Собрать схему прямой полярности для угольного электрода и угольной пластины. Установить зазор между электродом и пластиной 2 мм. Настроить источник питания на минимальный ток дуги. Возбудить дугу и измерить ее напряжение и ток. Результаты измерений занести в таблицу 3.3.

 

Таблица 3.3

Данные для построения ВАХ дуги

Ток дуги, А
Напряжение, В

 

12. Последовательно увеличивая силу тока, повторить опыт по п. 11. 4 раза.

13. Построить график вольтамперной характеристики (ВАХ) дуги и выделить характерные участки.

14. Возбудить дугу прямой полярности между угольным электродом и зачищенной до блеска пластиной из стали Ст.3. Время горения дуги – 5 с. После полного остывания образца на воздухе измерить твердость проплавленного участка. Результаты опыта занести в таблицу 3.4.

15. Повторить опыт по п.14 для обратной полярности

16. Сделать выводы о влиянии полярности на стойкость угольного электрода.

Таблица 3.4

Влияние полярности на стойкость электрода

Полярность	Твердость металла в зоне проплавления, HRC
№ замера	Средняя твердость
Прямая
Обратная

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Описание методики проведения работы.

3. Схема установки.

4. Заполненные таблицы 3–6.

5. Графики функции U_д = f (ℓ_д) и ВАХ дуги.

6. Выводы.

3.6. Контрольные вопросы

1. Укажите основные преимущества дугового разряда.

2. Из каких областей состоит дуговой разряд?

3. Укажите физический смысл и размерность коэффициентов а и b в уравнении U_д = f (ℓ_д).

4. Какие факторы определяют плотность тока термоэлектронной эмиссии?

5. Как влияет полярность дуги с неплавящимся электродом на ее стабильность?

6. Как влияет полярность дуги с неплавящимся электродом на стойкость материала электрода к эрозии?

7. Методика проведения работы.

8. Чем объясняется возрастание твердости зоны проплавления при обратной полярности?

Лабораторная работа № 4

ИЗУЧЕНИЕ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

ДУГИ И СВАРОЧНОГО КОНТУРА

Цель работы

Ознакомление с методикой анализа магнитных полей дуги и сварочного контура и оценки воздействия собственных и внешних магнитных полей на дуговой разряд.

Теоретическое введение

Столб дуги представляет собой эластичный проводник тока, способный перемещаться под действием сил магнитного давления, пропорционального на­пряженности магнитного поля. Рассмотрим распределение магнитных полей сварочного контура «проводник тока - электрод - столб дуги - изделие - про­водник тока» (рис.8). Семейство силовых линий напряженности магнитного поля проводника тока представляет собой концентрические окружности. Направление вектора Н определяется по правилу буравчика.

Из рис. 4.1 следует, что внутри сварочного контура (слева от электрода) наблюдается концентрация магнитных силовых линий. Столб дуги будет от­клоняться в сторону меньшего магнитного давления (меньшей напряженности магнитного поля), т.е. вправо.

 

I

 

I

 

 

I

 

Рис. 4.1. Схема магнитного дутья

Явление отклонения столба дуги под действием магнитного, поля свароч­ного контура называется магнитным дутьем. Магнитное дутье вызывает блуждание пятна дуги на изделии при сварке постоянным током и ухудшает каче­ство формирования сварного соединения. Для подавления магнитного дутья применяются симметричный токоподвод, максимальное приближение места токоподвода к зоне сварки и сварка на переменном токе.

Частным случаем магнитного дутья является явление притяжения столба дуги к ферромагнитной массе. Вследствие высокой магнитной проницаемости плотность силовых линий напряженности магнитного поля в ферромагнитной массе уменьшается, магнитное давление падает и столб дуги притягивается.

Рассмотрим взаимодействие двух дуг постоянного тока (рис.4.2).

 

а) б)

_ _ + _

 

I₁ I₂ I₁ I₂

 

 

Рис.4.2. Схема взаимодействия двух дуг постоянного, тока

а - дуги од­ной полярности, б - разнополярные дуги

 

Из рис.4.2 следует, что между однополярными дугами имеет место вычитание (рис.4.2а), а между разнополярными (рис.4.2б) – сложение магнитных полей. Дуги отклоняются в сторону меньшего магнитного давления, т.е. однополярные дуги притягиваются, а разнополярные – отталкиваются.

При наложении внешних магнитных полей появляется возможность управлять движением столба дуги, что широко используется в сварочном про­изводстве. В качество примера рассмотрим схему взаимодействия магнитных полей подковообразного магнита и сварочной дуги (рис.4.3)

 

 

Рис. 4.3. Схема магнитных полей дуги и постоянного магнита

На виде сверху силовые линии Н_м постоянного магнита направлены от северного полюса к южному. Силовые линии дуги представляют собой концен­трические окружности. Направление вектора Н_д определяется по правилу бу­равчика.

Из рис. 10 следует, что слева от электрода Н=Н_м + Н_д, а справа – Н = Н_м – Н_д. Справа от электрода находится область пониженного магнитного давле­ния и дуга отклоняется вправо.

 

Оборудование и материалы

1. Два источника питания постоянного тока.

2. Штатив для закрепления электрода.

3. Электрододержатель для ручной дуговой сварки.

4. Угольные пластины и электроды.

5. Стальной уголок 50x50x1000 мм.

6. Массивное стальное тело (~20кг).

7. Подковообразный магнит.

Порядок выполнения работы

1. Подготовить пост ручной дуговой сварки постоянным током. Присое­динить кабель обратного провода к одному из концов стального уголка. Возбу­дить угольную дугу на противоположном конце уголка. Наблюдать поведение дуги. Результаты наблюдений занести в таблицу 4.1.

Таблица 4.1

Результаты наблюдений

Наименование опыта	Схема опыта	Род тока	Результаты наблюдений
1-ая дуга	2-ая дуга
Изучение магнитного дутья		Прямая полярность
Изучение взаимодействия двух дуг		Прямая полярность Прямая полярность	Прямая полярность Обратная полярность
Изучение воздействия внешнего магнитного поля на дугу		Прямая полярность
Изучение воздействия ферромагнитной массы на дугу		Прямая полярность

 

2. Наблюдать поведение дуги, горящей в средней части уголка и вблизи от токоподвода. Результаты наблюдений занести в таблицу 4.1.

3. Установить угольный электрод в штатив и собрать схему питания дуги прямой полярности. Установить второй угольный электрод в держатель для ручной дуговой сварки.

4. Возбуднть дугу между стационарным электродом и угольной пласти­ной. Возбудить на расстоянии 15-20 мм от первой дуги дугу прямой полярно­сти. Наблюдать взаимодействие двух дуг. Результаты наблюдений занести в таблицу 4.1.

5. Опыт по п.4 повторить для обратной полярности второй дуги.

7. Возбудить стационарную дугу прямой полярности. Разместить подко­вообразный магнит по схеме на рис. 4.3. Наблюдать поведение дуги. Результаты наблюдений занести в таблицу 4.1.

8. Опыт по п.7 повторить после поворота магнита на 180^о.

9. Возбудить стационарную дугу прямой полярности. Приблизить к ней массивное стальное тело. Наблюдать поведение дуги. Результаты наблюдений занести в таблицу 4.1.

 

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Описание методики проведения работы.

3. Заполненная таблица 7.

 

4.6. Контрольные вопросы

 

1. Что называется магнитным дутьем?

2. Укажите способы подавления магнитного дутья.

3. Как воздействует ферромагнитная масса на столб дуги?

4. Как взаимодействуют дуги одной полярности?

5. Как взаимодействуют разнополярные дуги?

6. Укажите схему определения отклонения столба дуги в магнитном поле постоянного магнита.

7. Методика проведения работы.

 

Лабораторная работа № 5