Общие сведения. Цель работы: Ознакомиться с физическими основами электродугового нагрева

Лабораторная работа

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СВАРОЧНОГО АППАРАТА АДЗ-50

Цель работы: Ознакомиться с физическими основами электродугового нагрева. Ис- следовать характеристики сварочного аппарата АДЗ-50

Программа работы

1. Получить общие сведения о физических явлениях, происходящих при электроду- говом нагреве;

2. Ознакомиться с конструкцией и принципом работы сварочного аппарата АДЗ-50;

3. Экспериментально определить внешние характеристики сварочного аппарата АДЗ-50;

4. Построить ВАХ электрической дуги и графики зависимостей коэффициента мощ- ности и к.п.д. от тока нагрузки cosj = f(I), h = f(I);

Общие сведения

Физические основы образования электрической дуги.

Электрическая дуга представляет собой устойчивый самостоятельный электрический разряд в газах или парах металлов, между твердыми или жидкими, например, ртутными электродами, характеризующийся большой плотностью тока и высокой температурой кана- ла разряда.

Электрический разряд в газе – это электрический ток, проходящий через газовую среду, благодаря наличию в ней свободных электронов, а также ионов обоих знаков, спо- собных перемещаться под действием разности потенциалов между электродами.

Для возбуждения электрической дуги, необходимо ионизировать воздушный (газо- вый) промежуток между электродами. В момент первоначального касания электродов в месте замыкания происходит выделение большого количества тепловой энергии, которое приводит к расплавлению металла в месте контакта. При отводе электродов за счет термо- электронной ионизации газа возникает электрическая дуга, представляющая собой сильно ионизированную смесь газов и паров материала анода и катода.

После возбуждения дуги устойчивость ее горения поддерживается за счет совокупно- го воздействия ионизации соударением, фотоионизации, термоэлектронной и автоэлектрон- ной эмиссии. При термоэлектронной эмиссии происходит "испарение" свободных электро- нов с поверхности металла благодаря высокой температуре. Чем выше температура металла, тем больше число свободных электронов приобретают энергию, достаточную для преодо- ления "потенциального барьера" в поверхностном слое металла и выхода из металла.

При автоэлектронной эмиссии извлечение электронов из металла производится при помощи внешнего электрического поля, которое несколько понижает "потенциальный барь- ер" электронов у поверхности металла и облегчает их выход из металла.

Напряженность электрического поля в основном столбе дуги находится в пределах 1500…5000 В/м. Температура в канале дуги достигает 6000…12000 К, а концентрация ио-

нов – 1024 1/м3, т.е. столб дуги представляет собой плазму с очень высокой удельной элек- трической проводимостью.

Ионизация газовой среды характеризуется степенью ионизации - отношением зара- женных частиц в данном объеме к первоначальному числу частиц. Степень ионизации зави- сит от потенциала ионизации – отношения работы W (Дж), которую необходимо затратить для удаления одного электрона из атома вещества к заряду q (Кл) одного электрона, В

U = W / q . (1)

Наименьшим потенциалом ионизации обладает калий, натрий, барий, литий, алюми- ний и т.д. Пары этих элементов, находясь в дуговом промежутке, обеспечивают легкость возбуждения и устойчивое горение дуги. Поэтому вещества, содержащие эти элементы, вводят в зону дуги в виде электродных покрытий и флюсов.

Горение дуги сопровождается следующими эффектами, обуславливающими области ее применения:

- большим выделением теплоты на электродах. На этом основана электродуговая сварка и плавка металлов в электродных печах;

- высокоинтенсивным инфракрасным излучением. Это свойство используется в электродуговых печах косвенного нагрева;

- мощным потоком видимого излучения. Это свойство дуги используется в электро- дуговых осветительных приборах (прожекторах);

- интенсивным ультрафиолетовым излучением. Как генератор ультрафиолетовых лучей электрическая дуга не используется вследствие низкого энергетического к.п.д.

В сельском хозяйстве электродуговой нагрев используется в электросварочных уста- новках.

Важную роль при изучении свойств сварочной дуги и определении требований к ис- точникам питания для дуговой сварки играет статическая вольтамперная характеристика (ВАХ) дуги, представляющая собой зависимость падения напряжения на дуге от силы тока Ud = f(I). Аналитически ВАХ дуги выражается формулой Айтрона

U¶ = а + bL¶

+ c + dL¶ , (2)

I

где a – сумма катодного и анодного напряжений, В; b – удельное падение напряжения в

столбе дуги отнесенное к 1 мм длины дуги, В/мм; Ld – длин дуги, мм; с- мощность, затрачи- ваемая на вырывание электронов из катодного пятна, Вт/А; d – мощность, затрачиваемая на прохождение электронного потока через промежуток дуги длиной 1 мм, Вт/мм; I – ток ду- ги, А.

Источники сварочного тока должны обеспечить устойчивое горение дуги, стабиль- ность режимов сварки, безопасность обслуживания установок.

Внешняя характеристика источников сварочного тока представляет собой зависи- мость рабочего напряжения от тока нагрузки Uи = f (I).

Дуга и источник питания образуют энергетическую систему, которая будет находить-

ся в устойчивом равновесии, если случайные изменения силы тока будут с течением време- ни уменьшаться, возвращая систему в исходное состояние.

Условие устойчивости в статическом режиме сводится к тому, чтобы разность произ- водных напряжений дуги и источника питания по току в рабочей точке, называемая коэф- фициентом устойчивости, была положительной

æ ¶

¶ ö

k = ç

U¶ -

Uи÷

> 0 . (3)

у è ¶I

¶I øIp

Условие (3) выполняется, если при падающей характеристике дуги внешняя характе- ристика источника будет более падающей.

Электрическую дугу классифицируют по роду среды, в которой происходит дуговой разряд (открытая, горящая под флюсом, в среде защитных газов); роду тока (постоянного, переменного, трехфазного); полярности (прямой и обратной – для дуги постоянного тока). Устойчивость дуги переменного тока снижается из-за угасания ее при каждом переходе че- рез нуль. Поэтому горение дуги является прерывистым и неустойчивым. Чтобы повысить устойчивость, необходимо более высокое напряжение питания, чем для дуги постоянного тока. Устойчивость дуги возрастает при включении индуктивности в сварочную цепь.

Напряжение зажигания дуги постоянного тока составляет 30…40 В, а переменного – 50…55 В. Напряжение холостого хода источника должно быть больше напряжения зажига- ния на 10…50 В.

Длиной дуги называют расстояние между концом электрода и поверхностью ванны расплавленного металла на свариваемой детали.

«Короткой» называют дугу длиной 2…4 мм.

«Нормальной – 4…6 мм.

«Длинной» – более 6 мм.

Наилучший режим сварки обеспечивается при короткой дуге. При длинной дуге электросварочный процесс протекает неравномерно, дуга горит неустойчиво, увеличивается угар и разбрызгивание металла .

На нагревание и плавление металла расходуется в среднем только 60…70% тепла ду- ги. Остальная часть тепла теряется в окружающую среду с излучением и конвекцией парами и нагретыми газами.

Потери тепла при ручной сварке составляют, примерно, 25%, из которых 20% прихо- дится на излучение и конвекцию паров и газов, а остальные 5% на угар и разбрызгивание свариваемого металла.

Выделяемая электрической дугой теплота концентрируется на очень небольшом про- странстве, что дает сосредоточенный местный нагрев детали в зоне дуги. Остальная масса свариваемой детали подвергается незначительному нагреву.

Теплом сварочной дуги металл электрода и свариваемых кромок детали расплавляет- ся и составляет общую массу расплавленного металла, которая, застывая, образует сварной шов.