Data: 04.04.1997	LABORATORIUM S P A W A L N I C T W A	Ocena:
Marcin Zembalski gr. 21M	Temat: Spawanie łukiem elektrycznym.	Podpis:

1. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia było zapoznanie się ze spawaniem łukowym tak od strony teoretycznej jak i praktycznej.

2. Teoria.

Spawanie łukowe.

Główną częścią spawarki łukowej jest urządzenie przetwarzające prąd z sieci elektrycznej na prąd o napięciu odpowiednim do spawania. Od spawarki biegną dwa przewody z których jeden zakończony jest uchwytem elektrody natomiast drugi połączony z przedmiotem spawanym zamyka obwód elektryczny. W niewielkiej szczelinie między elektrodą a przedmiotem jarzy się łuk elektryczny, który nadtapia brzegi części łączonych, a płynny metal z topiącego się końca elektrody wypełnia rowek między nimi, tworząc po ostygnięciu połączenie trwałe. Ta część złącza, która powstaje ze stopionej elektrody i metalu rodzimego podczas spawania, nosi nazwę spoiny. Metal otrzymany ze stopienia elektrody nazywamy stopiwem. Metal spoiny składa się ze stopiwa i z metalu rodzimego. Część środkową spoiny wypełnia czyste stopiwo, a na bokach - mieszanina stopiwa z metalem rodzimym z nadtopionych ścianek rowka. Drut stanowiący elektrodę pokryty jest warstwą topników, zwaną otuliną. Jej zadaniem jest ułatwić jarzenie się łuku, osłaniać topiony metal przed szkodliwym działaniem powietrza oraz oczyszczać metal spoiny z tlenków. Podczas spawania elektrodą otuloną ciepło łuku topi powierzchnię metalu na pewną głębokość, zwaną wtopem. Bezpośrednio pod elektrodą tworzy się jeziorko ciekłego metalu zasilane drobniutkimi kropelkami metalu wytryskującego z elektrody. Otulina tworzy wokoło strumienia metalu rodzaj tulejki, ochraniającej częściowo metal od dostępu powietrza oraz zapobiegającej chwianiu się łuku. Następnie przetwarza się częściowo w gazy formujące wokół łuku osłonę gazową oraz w ciekły żużel, który wypływa na powierzchnię jeziorka i po zastygnięciu spoiny stworzy na niej kruchą skorupę (niektóre elektrody otulone tworzą żużel, który sam odpryskuje wskutek skurczu przy chłodzeniu).

Prąd spawania, elektrody.

Na początku do spawania łukowego używano wyłącznie prądu stałego, a jako spoiwa zwykłego drutu miękkiego zwanego elektrodą gołą. Nie dawało to jednak zbyt dobrych rezultatów gdyż metal łatwo ulegał utlenieniu i zanieczyszczeniu przez azot stając się porowatym i kruchym. Gdy zaczęto stosować elektrody otulone okazało się że nadają się one do spawania prądem przemiennym co sprawiło iż spawanie łukowe rozpowszechniło się jako łatwy i tani sposób łączenia metali (małe zużycie prądu, tania instalacja).

Charakterystyka łuku (napięciowo - prądowa)

gdzie: Z - punkt zajarzania się łuku, U_Z - napięcie zajarzania, I_Z - natężenie zajarzania, KX - linia stałego napięcia U_C;

Do zajarzenia łuku potrzebne jest napięcie wyższe niż do spawania, a w miarę jonizowania się przestrzeni łukowej napięcie spada - łuk ma charakterystykę opadającą. Napięcie elektryczne początkowe dla elektrod topliwych ze stali wynosi 40*50V przy spawaniu prądem stałym, a 50*90V przy prądzie zmiennym. Po zajarzeniu łuku napięcie na zaciskach spawarki spada do 25*30V i utrzymuje się podczas spawania. Gdy prąd przekroczy pewną charakterystyczną wartość (I_k) napięcie łuku utrzymuje się na prawie stałym poziomie (U_c), odpowiadającym danej jego długości, niezależnie od wahań natężenia prądu co zapewnia trwałe jarzenie się łuku. U_c zależy więc tylko od długości łuku (oczywiście w zakresie stałego napięcia) i może być określone wzorem:

U_c = a + b*l

gdzie: l - długość łuku w mm, a - suma spadku napięcia na anodzie i katodzie,

b - jednostkowy spadek napięcia na 1mm długości łuku;

W przypadku spawania stali elektrodami otulonymi: a=16*18V, b=2.5*2.8V co daje U_c=20*35V.

W praktyce jako umowne napięcie robocze na zaciskach obwodu spawania przyjmuje się dla natężenia prądu do 600A: U = 20 + 0.04*I, a powyżej 600A przyjmuje się U = 44V.

Ze względu na otulinę temperatura elektrody nie powinna przekraczać 400*500^OC. Do spawania ręcznego stosujemy elektrody o średnicach rdzenia: 1, 1.5, 2, 2.5, 3.25, 4, 5, 6mm i długości: 250, 350 i 450mm.

Łuk elektryczny.

W celu zajarzenia łuku przedmiot spawany dotyka się elektrodą, wtedy obwód prądu zamyka się, a opór elektryczny, który jest największy na styku, powoduje rozgrzanie końca elektrody, następnie przy lekkim podniesieniu elektrody powstaje łuk którego długość jest mniej więcej równa średnicy elektrody.

Aby łuk mógł powstać, warstwa powietrza na drodze prądu musi ulec zjonizowaniu (dobre przewodzenie prądu). Źródłem jonizacji jest katoda, która w wysokiej temperaturze i przy odpowiednio wysokim napięciu elektrycznym wysyła w stronę anody strumień elektronów, które zderzając się z cząsteczkami par i gazów wytrącają z nich elektrony - powstają jony dodatnie. Anoda przyciąga elektrony a katoda jony dodatnie - cząstki poruszają się w przeciwnych kierunkach.

Łuk spawalniczy	Rozkład temperatur przy łuku nieruchomym
gdzie: 1 - elektroda, 2 - przedmiot spawany, 3 - jeziorko metalu, 4 - słupek łuku, 5 - strefa katodowego spadku napięcia, 6 - strefa anodowego spadku napięcia;	Temperatura podana w stopniach Celsjusza

Rozróżnia się trzy strefy łuku w których następuje spadek napięcia:

• strefa katodowa o grubości rzędu 1μm (źródło elektronów)

• strefa anodowa o podobnej grubości (topienie metalu, wyższa temperatura)

• słupek łuku w postaci plazmy cieplnej złożonej z elektronów i jonów(+), współdziałającej w przenoszeniu topionego spoiwa na przedmiot (25% spadek napięcia)

Temperatura łuku wzrasta dość znacznie przy wzrastającej gęstości prądu, ale również i straty ciepła stosunkowo szybko wzrastają. W warunkach przeciętnych temperatura katody elektrody stalowej otulonej waha się w granicach 2100*2400^OC, anody 2300*2600^OC, zaś samego łuku (w osi) - ponad 5000^OC.

3. Wyniki ćwiczenia.

Przed nałożeniem spoiny						Po nałożeniu spoiny
Masa elektrody [g]	Średnica elektrody [mm]	Długość elektrody [mm]	Masa płytki [g]	Prąd spawarki [A]	Czas spawania [s]	Masa płytki [g]	Masa ogarka [g]	Długość ogarka [mm]
570	4	450	940	150	94	970	5	50

Obliczenia:

uzysk elektrody:

% = 58,6 %

uzysk stopiwa:

stała stapiania:

wydajność:

zużycie elektrod:

32,36

gdzie:

Q_s - ilość stopiwa po zużyciu elektrody (34 g);

Q_e - masa elektrody;

Q_r - masa stopionego rdzenia elektrody;

A - natężenie prądu spawania;

t - czas spawania;

4. Wnioski.

W procesie spawania ręcznego łukowego utrzymanie elektrody w stałej odległości od materiału spawanego jest niemożliwe. Na skutek drgania ręki i ciągłego stapiania się elektrody odległość między elektrodą i materiałem wykazuje pewne wahania. Najmniejszą elastyczność mają elektrody węglowe i goły drut. Elektrody otulone elastyczność łuku zawdzięczają otulinie, tj. jej składnikom jonizującym. Elastyczność łuku zależy więc od napięcia , natężenia, rodzaju otuliny oraz przewodności cieplnej i elektrycznej.

Łuk, który jest źródłem ciepła w ręcznym spawaniu elektrycznym, jarzy się pomiędzy metalem spawanym a wolnym końcem elektrody umocowanym w uchwycie spawalniczym. Łuk elektryczny dąży do zachowania kierunku zgodnego z osią elektrody. Jeżeli elektroda podczas spawania jest pochylona, łuk stanowi jej przedłużenie.

---