Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего профессионального образования
Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ ТЕПЛОВОЙ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВАРОЧНОЙ
ДУГИ
Методические указания к лабораторной работе № 4 по дисциплине «Подводная сварка и резка металлоконструкций»
Волгоград 2012
Определение эффективной тепловой мощности электрической сварочной дуги: методические указания к лабораторной работе № 1 по дисциплине «Тепловые процессы в сварке» / сост. С.А. Шестаков, О. В. Душко; ВолгГАСУ. - Волгоград, 2012.- 15 с.
В работе изложена теоретическая часть, методика экспериментального определения эффективной тепловой мощности при сварке плавящимся и не- плавящимся электродом а также даны контрольные вопросы и требования к содержанию отчета.
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучение и овладения методикой экспериментального определения эффективной тепловой мощности при сварке плавящимся и неплавящимся электродами.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Изучить теоретическую часть и методику проведения работы.
Ознакомиться с оборудованием, применяемым при проведении лабораторной работы.
Произвести наплавку валика с последующим калориметрированием образцов.
Записать в таблицу экспериментальные значения рабочего тока, напряжения, времени сварки, времени переноса образца в калориметр и др.
Определить эффективный КПД при сварке плавлением плавящимся и неплавящимся электродами.
Составить отчет и сделать выводы о проделанной работе.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
3.1. Основы теплового баланса сварочной дуги
Теплота, выделяемая сварочным источником нагрева, предназначена для расплавления металла изделия и присадочного металла с целью соединения между собой свариваемых поверхностей. Только некоторая часть энергии, затраченной при сварке, вводится в металл, что связано с потерями теплоты на испарение металла, нагрев шлака или защитного газа и др.
Эффективной тепловой мощностью называется количество теплоты, вводимой сварочным источником тепла в металл за единицу времени.
Полная тепловая мощность, выделяемая источником тепла при сварке плавлением с помощью электрической дуги, условно можно определить по
закону Джоуля-Ленца:
где I, Ua - соответственно, ток и напряжение на дуге.
(1) I
Рис. 1. Принципиальная схема распределения падения напряжения Ud в дуге. K U
Согласно данной схеме, в дуге наблюдаются ясно выраженные области падения напряжения, локализованного в приэлектродных областях, и линейное падение напряжения в столбе. По сравнению с общей длиной дуг и (расстояние- между электродами) линейные размеры приэлектродных областей невелики. Так, размер прикатодной области около 10"5 см, несколько больше размер прианодной области.
При горении дуги на электродах видны яркосветящиеся активные пятна - катодное и анодное. Центральная часть дуги, расположенная между катодной и анодной областями, носит название столба дуги. Принципиальная схема распределения падения напряжения в дуге показано на рис.1. Упрощенно можно считать, что общее падение напряжение в дуге Ua определяется тремя составляющими: падение напряжения на катоде UK, па-
(2)
Рассмотрим из чего складывается приход и расход энергии в приэлек- тродных областях и в столбе дуги.
Энергия катоду сообщается бомбардирующими его ионами. Однако часть всей тепловой энергии катода уходит, т.е. расходуется на потенциальную энергию, которая уносится электронами в столб дуги (работа их выхода из металла) и кинетическую энергию, соответствующую температуре Т плазмы столба.
В общем случае теплота (энергия), выделяющаяся в катодной области, расходуется на эмиссию электронов, на нагревание, плавление и испарение материала катода, а также на тепловое излучение (радиацию).
Тогда уравнение баланса энергии на катоде будет иметь вид:
(3)
где IUK - полная энергия прихода на катод;
φ - работа выхода (эмиссии) электронов из металла катода;
2кТ - кинетическая энергия электронов.
Энергия аноду сообщается электронами. Ее составляющими являются: кинетическая энергия электронов IUк получивших ускорение при прохождении через анодную область (т.к. в прианодной области энергия переносится только электронами); энергия работы выхода φ, совершаемая при вхождении электронов в анод; кинетическая энергия электронов 2кТ.
В общем случае теплота (энергия), выделяющаяся в анодной области, расходуется на нагревание, плавление и испарение материала анода, а также на тепловое излучение (радиацию).
Тогда уравнение баланса энергии на аноде будет иметь вид:
qa=IUa+((φ + 2kT)L • (4)
Энергетическая мощность, выделяющаяся на столбе дуги (qc =IUc), в первом приближении не воздействует на анод и катод, хотя, несомненно, часть этой энергии им передается, например, излучением, действующим во все стороны. Однако этот приток энергии компенсируется струями паров, выбрасываемыми из приэлектродных областей в столб дуги и окружающее пространство.
Таким образом, при сварке неплавящимся электродом полезной мощностью является qa , a qK и qс ( при прямой полярности) не участвуют в нагреве металла. Эффективность сварочного источника тепла (процесса нагрева изделия дугой) характеризуется эффективным КПД источника нагрева Г)и > представляющего собой отношение эффективной тепловой мощности дуги qи к полной мощности дуги qa (которая определяется методом калоримет- рирования). Тогда эффективный КПД источника нагрева при сварке неплавящимся электродом η’u равен:
При сварке "плавящимся электродом тепловая мощность, идущая на нагрев катода qK, попадает в свариваемый металл вместе с каплями расплавленного металла, поэтому эффективность этого способа сварки выше, чем при сварке неплавящимся электродом:
(6)
Очевидно, формулы (5) и (6), очень приблизительны, т. к. не учитывают многих условий технологии процесса.
Доля теряемого бесполезного тепла зависит от способа сварки: при сварке под флюсом она составляет 5-20%, при ручной дуговой сварке плавяшимися электродами в зависимости от качества обмазки, ее состава и т. п. доля потерь может достичь 25-35%, а при сварке неплавящимся электродом эффективная тепловая мощность еще меньше и доля потерь может достигать 50%.
При сварке плавящимся электродом эффективная тепловая мощность мало зависит от рода тока, полярности и величины сварочного тока, но понижается при значительном возрастании плотности тока в электродах. При ручной сварке плавящимся и неплавящимся электродами эффективная тепловая мощность уменьшается с увеличением длины сварочной дуги и повышается с ее заглублением в сварочную ванну за счет соответственного увеличения или уменьшения потерь на теплообмен с окружающей средой.
3.2 Методика экспериментального определения эффективной тепловой мощности электрической сварочной дуги
Из-за неопределенности величины составляющих потерь энергии при сварке, расчетное определение эффективной мощности дает существенную погрешность результата. Поэтому ее определяют условно с помощью эффективного КПД:
(7)
где ηu - эффективный КПД источника нагрева (сварки плавлением), характеризующий долю тепла сварочного источника теплоты, вводимую в основной металл.
Ориентировочная величина эффективного КПД для различных условий сварки в настоящее время известна по многочисленным опытным оценкам эффективной мощности. Классическим способом определения эффективной тепловой мощности сварочного источника считается ее определение калориметрическим методом. *
Этот метод заключается в том, что на заранее приготовленный образец на определенном режиме наплавляется валик плавящимся электродом, после
чего образец опускают в калориметр (рис. 2) - специальное устройство, по
1 - внутренняя стенка; 2 - наружная ; 3 - верхняя часть;
4 - крышка; 5 - термометр; 6 - электродвигатель смесителя;
7 - соединительный провод; 8 - блок управления.
Рис. 2. Принципиальная схема устройства калориметра.
Как правило, это сосуд изготавливается с двойными или тройными стенками, внутри которого налита вода или другая жидкость с определенной теплоемкостью (находящийся между стенками сосуда воздух значительно снижает теплообмен воды с окружающей средой). В калориметре с тройными стенками между наружной и средней также наливается вода, температура которой равна температуре воды в калориметре, что еще больше снижает теплообмен с окружающей средой!
Выражение для подсчета эффективной тепловой мощности электрической сварочной дуги выводится из уравнения теплового баланса:
(8)
где tr — время горения дуги (сварки), [с]; Q - теплота, введенная в образец источником нагрева за время горения дуги, IДж] или [кал], 1 кал - 4,1868Дж; QK - теплота, полученная калориметром от образца, Щж]; qa - теплота, составляющая разницу в теплосодержании образца до и после опыта, IДж]\
Qn - теплота, расходуемая на парообразование при погружении образца в калориметр, (Дж\,
QT - теплота, теряемая в окружающую среду при нагреве и переносе образца вследствие теплообмена его с окружающей средой (конвекции и радиации), |Дж].
Теплота QK, полученная калориметром от образца, определяется по формуле:
QK=GecB(TK-TH) + A(TK-TH), (9)
где gb - вес воды в калориметре, [кг]\
Св - удельная теплоемкость воды, равная 4180 Дж / кг-град\ Тн, Тк - соответственно начальная и конечная температура воды в калориметре до и после опыта, [ °С ]; А — постоянная калориметра (в большинстве случаев определяется
экспериментально для каждого калориметра), [ Дж /град ]. Теплота qa , составляющая разницу в теплосодержании образца до и после опыта (определяющая полный запас тепловой энергии внутреннего состояния образца) определяется по формуле:
QA=G06Co6(TK-TO), (10)
где G06 ~ вес образца после опыта, [кг];
соб ~ удельная теплоемкость образца (для малоуглеродистой стали составляет 520Дж / кг • град); Т0 — температура образца до опыта, равная температуре окружающей среды, [°С].
При определении теплоты Q n, расходуемой на парообразование, наибольшую трудность представляет определение веса испарившейся воды. Для упрощения расчета тепла, расходуемого на парообразование, можно воспользоваться таблицей 1. Таблица 1 - Количества тепла, расходуемого на парообразование, в зависимости от сварочного тока Сварочный ток, А
| 100
| 200
| 400
| 600
| 1000
| 1500
| Теплота парообразования Qn, кал
| 400
| 600
| 800
| 1000
| 1200
| 1500
|
П отери теплоты на теплоотдачу в окружающую среду от образца определяются как функция от мгновенного теплосодержания его во время сварки: где : коэффициент температуроотдачи, учитывающий теплоотдачу ср5 в окружающую среду через поверхности пластины (образца), [ J/°C]; а - коэффициент полной поверхностной теплоотдачи образца (для малоуглеродистой стали а = 0,001 кал / смi • с - град ); ср - объемная теплоемкость металла образца (для малоуглеродистой стали ср =1,3 кал / смii. град);δ - толщина образца, [см].Потери тепла в окружающую среду происходят также и во время переноса образца от места сварки к калориметру. Их величину упрощенно можно определить по формуле: (12) где t n - время переноса образца в калориметр, [с]. • Общие потери тепла на теплообмен с окружающей средой образца определяется суммой этих двух составляющих: (13) После определения всех составляющих, эффективная тепловая мощность может быть определена из выражения: Т огда эффективный КПД источника нагрева конкретного опыта (способа сварки) можно определить из выражения: Эффективный КПД показывает эффективность использования тепловой энергии дуги (источника нагрева) для различных способов сварки. Наибольшее значение эффективного КПД источника нагрева достигается при сварке под флюсом, где 7]„ = 0,80-0,95 . МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ И ♦ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
До выполнения работы самостоятельно изучите теоретическую часть.
Работа выполняется на лабораторной установке, которая включает в себя: сварочный аппарат для ручной дуговой сварки плавящимся и неплавящимся электродами, сварочный стол; калориметр, весы, термометр, секундомер.
Эксперименты проводятся на образцах из малоуглеродистой стали размерами (6-10) х (40-60) х (150-200) мм.
4) Образец укладывается на рабочий стол таким образом, чтобы удобно взять образец щипцами. Калориметр располагается как можно ближе к рабочему столу. Провести без проплавления насквозь наплавку широкого валика по средней части образца вдоль его большой стороны, начиная и заканчивая на расстоянии 15...20 мм от его краев. Время сварки (наплавки) замерить секундомером с точностью до 0,1с и занести в табл.2.
Взять образец со стола щипцами и по возможности как можно быстро опустить его в калориметр. Время переноса фиксировать с точностью до
0,1 с. Включить мешалку и перемешивать воду в течение 2-3 минут.
Через 2-3 минуты измерить температуру воды термометром с точностью до 0,02 - 0,05 °С. Значения исходной и конечной температуры записать в таблицу.
В процессе проведения опытов следить за величиной сварочного тока и напряжения, фиксируя их среднюю величину в таблице.
Провести расчет составляющих теплового баланса и эффективного КПД источника нагрева при сварке плавящимся и неплавящимся электродами. Полученные результаты занести в табл.3.
5 . СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА Титульный лист.
Цель работы.
Рисунок схемы распределения перепада напряжения в дуге.
Формулы и результаты расчета составляющих теплового баланса и эффективного КПД источника нагрева при сварке плавящимся и неплавящимся электродами.
Исходные данные и окончательные результаты расчетов занести в таблицы 2 и 3.
Выводы о проделанной работе.
6. ПЕРЕЧЕНЬ КОНТРОЛЬНЫХ ВОПРОСОВ Что называется эффективной тепловой мощностью источника?
Что такое полная тепловая мощность источника нагрева?
Из каких составляющих складывается падение напряжения в дуге?
Из чего складывается приход и расход энергии в прикатодной области?
Из чего складывается приход и расход энергии в прианодной области?
Чему равен эффективный КПД источника нагрева для различных способов сварки?
Почему эффективный KI1Д источника при сварке плавящимся электродом выше, чем при сварке неплавящимся электродом?
Для чего предназначен и как устроен калориметр?
Перечислите составляющие уравнения теплового баланса?
Какие температуры и времена необходимо знать для расчета составляющих теплового баланса?
Что такое коэффициент температуроотдачи?
Перечислите оборудование, приборы, инструменты и материалы, необходимые для выполнения данной лабораторной работы.
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Теория сварочных процессов / Под ред. Фролова В.В. - М.: Высшая школа, 1988.-559 с.
Петров Г.Л., Тумарев А.С. Теория сварочных процессов. - М.: Высшая школа, 1977.-389 с.
Багрянский К.В., Добротина З.А., Хренов К.К. Теория сварочных процессов. - Киев: Высшая школа, 1976. - 424 с.
Махненко В.И. Тепловые процессы при сварке / Сварка в СССР: справочник, т.2 - М.: Наука, 1981.-494 с.
Волченко В.Н. Источники энергии сварочных процессов. - М.: Машиностроение, 1971. - 75 с.
Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. - М.: Машгиз, 1954.-296 с.
i
ii
II
|