БЮДЖЕТНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ОМСКОЙ ОБЛАСТИ

«ОМСКИЙ ТЕХНИКУМ СТРОИТЕЛЬСТВА И ЛЕСНОГО ХОЗЯЙСТВА»

ПРОФЕССИОНАЛЬНО-НАПРАВЛЕННЫЙ МОДУЛЬ

ПО ФИЗИКЕ

ДЛЯ СПЕЦИАЛЬНОСТИ 22.02.06 СВАРОЧНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

г. ОМСК 2015

Профессионально-направленный модуль по физике

для специальности 22.02.06 Сварочное производство разработан преподавателем БПОУ ОО «ОТСЛХ» Рыбель Л.А. на основе примерной программы дисциплины «ФИЗИКА»; ФГОС среднего образования для данной специальности.

=

Пояснительная записка

Профессионально-направленный модуль по физике для специальности 22.02.06 Сварочное производство разработан на основе рабочей программы дисциплины «ФИЗИКА»; в соответствии с Разъяснениями по реализации федерального государственного образовательного стандарта среднего профессионального образования по специальности 22.02.06 Сварочное производство, одобренными Научно-методическим Советом Центра начального, среднего, высшего и дополнительного образования ФГУ «ФИРО» (протокол №13 февраля 2011 года).

Актуальность изучения профессионально-направленного модуля заключается в необходимости определения политехнических знаний, умений и навыков профессионально значимых знаний, усвоение которых позволит специалисту быстрее разобраться в реальных технологических процессах и опираться на эти знания в конкретных производственных условиях.

Студенты должны уметь использовать общеобразовательные знания для оптимального управления конкретным технологическим процессом, механизмом, автоматом, а также для выполнения наиболее рациональных рабочих приёмов, движения и действий.

Рекомендуется при отборе и систематизации профессионально значимых знаний учитывать: логику предметного знания, особенности реализации дидактических принципов в обучении, требования квалификационной характеристики, специфику современного производства.

В целях конкретизации профессионально значимых знаний в процессе преподавания курса физики целесообразно систематизировать содержание всего учебного материала.(Систематизация предполагает выделение логической структуры содержания учебного предмета, в котором различаются основные и частные понятия) Такой подход к реализации профессионально значимых знаний позволяет более продуктивно использовать память студентов, освобождает их от запоминания частных сведений и фактов из специальности Сварочного производства и опирается на конкретные взаимосвязанные понятия, такие, как физическая сущность вещества и полей. Они позволяют формировать у студентов знания о фундаментальных свойствах различных материалов, предметов труда, принципах действия, сущности производственных процессов.

Специалист сварочного производства

должен обладать общими

компетенциями, включающими в себя способность:

• ОК 1. Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес.

• ОК 2. Организовывать собственную деятельность, определять методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество.

• ОК 3. Решать проблемы, оценивать риски и принимать решения в нестандартных ситуациях.

• ОК 4. Осуществлять поиск, анализ и оценку информации, необходимой для постановки и решения профессиональных задач, профессионального и личностного развития.

• ОК 5. Использовать информационно-коммуникационные технологии для совершенствования профессиональной деятельности.

• ОК 6. Работать в коллективе и команде, обеспечивать ее сплочение, эффективно общаться с коллегами, руководством, потребителями.

• ОК 7. Ставить цели, мотивировать деятельность подчиненных, организовывать и контролировать их работу с принятием на себя ответственности за результат выполнения заданий.

• ОК 8. Самостоятельно определять задачи профессионального и личностного развития, заниматься самообразованием, осознанно планировать повышение квалификации.

• ОК 9. Быть готовым к смене технологий в профессиональной деятельности.

• ОК 10. Исполнять воинскую обязанность, в том числе с применением полученных профессиональных знаний (для юношей).

В результате изучения физики на базовом уровне студент должен

знать/понимать

• смысл понятий: физическое явление, гипотеза, закон, теория, вещество, взаимодействие, электромагнитное поле, волна, фотон, атом, атомное ядро, ионизирующие излучения, планета, звезда, Солнечная система, галактика, Вселенная;

• смысл физических величин: скорость, ускорение, масса, сила, импульс, работа, механическая энергия, внутренняя энергия, абсолютная температура, средняя кинетическая энергия частиц вещества, количество теплоты, элементарный электрический заряд;

• смысл физических законов классической механики, всемирного тяготения, сохранения энергии, импульса и электрического заряда, термодинамики, электромагнитной индукции, фотоэффекта;

• вклад российских и зарубежных ученых, оказавших наибольшее влияние на развитие физики;

уметь:

• описывать и объяснять физические явления и свойства тел: движение небесных тел и искусственных спутников Земли; свойства газов, жидкостей и твердых тел; электромагнитную индукцию, распространение электромагнитных волн; волновые свойства света; излучение и поглощение света атомом; фотоэффект;

• отличать гипотезы от научных теорий; делать выводы на основе экспериментальных данных; приводить примеры, показывающие, что: наблюдения и эксперимент являются основой для выдвижения гипотез и теорий, позволяют проверить истинность теоретических выводов; что физическая теория дает возможность объяснять известные явления природы и научные факты, предсказывать еще неизвестные явления;

• приводить примеры практического использования физических знаний: законов механики, термодинамики и электродинамики в энергетике; различных видов электромагнитных излучений для развития радио и телекоммуникаций, квантовой физики в создании ядерной энергетики, лазеров;

• воспринимать и на основе полученных знаний самостоятельно оценивать информацию, содержащуюся в сообщениях СМИ, Интернете, научно-популярных статьях;

использовать приобретенные знания и умения в практической деятельности и повседневной жизни для:

• обеспечения безопасности жизнедеятельности в процессе использования транспортных средств, бытовых электроприборов, средств радио- и телекоммуникационной связи;

• оценки влияния на организм человека и другие организмы загрязнения окружающей среды;

рационального природопользования и охраны окружающей среды.

Раздел,

тема

Содержание материала

Введение

Перед проведением сварочных работ производится размерность деталей с помощью измерительных приборов и инструментов, которые имеют погрешности. Измерительные приборы и инструменты:

• для грубых измерений: линейка измерительная, метры складные, рулетки;

• для точных измерений: штангенциркуль, микрометр;

• шаблоны, концевые меры, калибры, эталоны;

• индикаторы часового типа, индикаторные нутромеры;

• поверочные линейки, поверочные угломеры, уровни.

Раздел 1. Механика

Тема 1.1

Кинематика

Виды движений

Ни для кого не секрет, что во время сварки металла выполняется движение электродов.

Эти движения зачастую называют колебательными. Существует множество технологических подходов к выполнению сварочных работ металла. Электроду в процессе сварки, независимо от применяемого способа, сообщается движение в трёх разных направлениях

Первое движение называют поступательным, при котором движение идёт по оси электрода. Зависимо от скорости плавления, поступательное движение поддерживает постоянную длину дуги, которая не должна выходить за пределы 0.5-1.2 диаметра электрода. Длина дуги зависит от марки электрода и условий сварки. Формирование шва ухудшается при уменьшении длины дуги, а также возникает вероятность короткого замыкания (сокращенно КЗ). Увеличение же дуги является причиной повышения разбрызгивания металла электрода и снижения качества сварного шва по форме и его свойствам (механическим).

Вторым движением является смещение электрода вдоль оси с целью образования шва. Диаметр электрода, сила тока(постоянным или переменным) и скорость плавления электрода определяют скорость движения электрода. В случае отсутствия поперечных смещений электрода, шов получается узкий (ниточный), ширина которого равна приблизительно 1.5 диаметра применяемого электрода. Данный шов используют при сварке тонких металлических листов.

Последним движением является смещение электрода поперек для корректировки ширины шва и глубины плавления металла. Данные колебательные движения предполагают высокую квалификацию сварщика и его навыков, а также определяются характеристиками

свариваемого материала, положением и размером шва. Ширина шва, при использовании поперечных колебательных движений варьируется в пределах 1.5-5 диаметра используемого электрода.

Грамотное и технически правильное перемещение электрода - главная задача и условие для получения качественного шва при выполнении сварочных работ. Важна определённая методика выполнения колебательных движений электрода, а также рациональность его перемещения. Для выполнения качественного шва существует несколько общих способов, применяемых в любых ситуациях, с помощью которых сварщик выполняет движения во время сварки. Это движения «ёлочкой» (а), углом (б), «движение по спирали» (в), «движение полумесяцем» (г). Рис.1

При сварке вертикального углового сварочного шва наиболее удобно показать все способы колебательных движений электрода, к тому же это очень часто применяемая операция в сварке изделий из проката. При этом мы опустим все вопросы, связанные с разделкой кромок и подготовкой поверхностей перед сваркой.

С применением колебательных движений электрода полумесяцем или по спирали , изначально наплавляют электродом полочку на кромки, а после мелкими порциями без пропусков и разрывов наплавляют металл, рекомендуется выполнять сварку непрерывно. Дальнейшая сварка металла производится постепенно со смещением электрода выше, за собой оставляя, готовый сварочный шов. Другая схема колебательного движения при сварке - углом , предусматривает колебательные движения электрода с применением попеременного смещения вверх-вниз, без разрывов наплавливают на кромки металл с равномерным перемещением электрода вверх.

Методика «ёлочкой» характеризуется движением электрода вверх, затем вправо, после этого по короткой траектории спускают вниз влево. Желательно чтобы капля металла застывала при каждом отдельном этапе сварки между кромками. После, ушедший электрод двигают вверх влево и опять спускают из точки подъёма, но теперь вниз вправо. Такими постепенными движениями с непрерывными отдельными порциями, и выполняется шов сварки.

Поступательное движение

Поступательное движение называется такое движение твёрдого тела, при котором любая прямая, проведённая в этом теле перемещается параллельно самой себе. При поступательном движении все точки тела

совершают одинаковые перемещения, описывают одинаковые траектории, проходят одинаковые пути и имеют в каждый момент времени равные скорости и ускорения.

Поступательное движение сварочных электродов используется при сваривании деталей и конструкций.

Тема 1.3

Силы в

природе

Какие силы действуют при переносе электродного металла.

Если сварка выполняется в защитных газах, то на каплю электродного металла действуют силы: F_т - сила тяжести, F_п - бомбардировки заряженными частицами и потоками плазмы, F_р - реактивное давление, F_эд - электродинамическая сила, F_пн - сила поверхностного натяжения, F_вз - сила взрыва, которая возникает между металлической каплей и самим электродом.

• Сила тяжести

Эта сила оказывает значимое влияние исключительно при больших размерах капли. Действие силы зависит во многом от расположения шва в пространстве. Сила тяжести может способствовать отрыву капли от электрода, если шов расположен в нижнем положении; если шов в потолочном положении, то сила тяжести препятствует отрыву; а если в вертикальном, то сила тяжести отклоняет каплю от электрода.

• Сила поверхностного натяжения

Сила поверхностного натяжения чаще всего является естественным препятствием для переноса металлических капель в ванну. Местом приложения силы обычно принимают сечение в металлической капле, в котором отмечается минимальное действие этой силы.

• Электродинамическая сила

Электродинамическая сила возникает из-за взаимодействия тока с его собственным магнитным полем. Возникает эта сила при прохождении тока по проводнику. Если проводник имеет постоянное сечение, то сила имеет прямое направление по радиусу к оси капли и сжимает ее.

• Реактивная сила

Расплавленный металл обычно находится при температуре, что довольно близка к температуре кипения этого материала.

По этой причине с поверхности активных пятен чаще всего происходит активное испарение, а часто - выделение различных газов. Пары испарения имеют перпендикулярное направление, но после ионизации их направление определяется исключительно направлением магнитных полей.

Сила трения

При сварке трением процесс организуют так, что механическая энергия вращающихся (или поступательно перемещающихся друг относительно друга) контактирующих тел переходит в тепловую. Выделение теплоты при этом происходит непосредственно на свариваемых поверхностях, и после разогрева поверхностей до требуемых температур осуществляется остановка деталей и их сдавливание (осадка), в ходе которого образуется сварное соединение.

В начальный момент при сварке трением коэффициент трения максимален. Соответственно затраты мощности и тепловыделение в месте трущегося контакта возрастают. В первый период движения коэффициент трения падает и выделение теплоты уменьшается, затем при нагреве до 700...800 К испаряются и выгорают жировые пленки и коэффициент трения растет. Одновременно начинает проявляться местное схватывание соединяемых поверхностей, что вызывает интенсивное тепловыделение. С повышением температуры число участков схватывания растет, а их прочность снижается. Снижается также и тепловыделение из-за уменьшения коэффициента трения вследствие появления на трущихся поверхностях жидкого металла, играющего роль смазки. В этот период устанавливается квазиравновесное состояние, затем следуют резкое торможение и осадка.

В отличие от контактной стыковой сварки сварка трением требует меньших затрат энергии (нет потерь на выделение теплоты в объеме свариваемых

деталей и в токоподводящих элементах) и в ряде случаев обеспечивает более благоприятное распределение температур в зоне сварки, что особенно важно при сварке разнородных материалов (например, при изготовлении биметаллического инструмента из углеродистых и быстрорежущих сталей.

Раздел 2. Молекулярная физика. Термодинамика.

Тема 2.1

Основы молекулярной физики

Основные положения молекулярно-кинетической теории:

1. Вещество состоит из частиц;

2. Частицы беспорядочно движутся;

3. Частицы взаимодействуют друг с другом.

Явление диффузии не только доказывает верность основных положений молекулярно-кинетической теории, но и находит своё применение на производстве.

В основе контактной и диффузионной сварки также лежит явление диффузии. Методом контактной сварки получают 30% всех сварных соединений. Диффузионная сварка используется там, где другие способы соединения не доступны (при соединении разнородных, а также малопластичных, тугоплавких и т.д. материалов). Сварку получают за счёт диффузии атомов из одной детали в другую, возникающей при относительно небольшом диагональном нагреве и пластической деформации, получающейся от механического давления.

Сварка - это процесс получения неразъёмных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, или пластическом деформировании, или совместном действием того или другого.

Механические связи могут устанавливаться между частями (деталями) только тогда, когда соединяемые атомы получат энергию извне, необходимую для преодоления соединяемыми атомами энергетического барьера. В результате затраченной энергии атомы получают соответствующее движение, позволяющее им занять в общей атомной решётке устойчивое положение, то есть достигнуть равновесия между силами притяжения и отталкивания.

Тема 2.2

Идеальный газ

Зависимость давления кислорода от температуры в газовых баллонах.

Допустимое давление 15+0,5МПа при температуре -50⁰ С до +30⁰ С.

Хранение и транспортировка баллонов с жидким кислородом при температуре выше 60⁰ С недопустима.

Сгорание ацетилена в смеси с техническим кислородом сопровожда6ется высокой температурой 3200⁰ С.

Тема 2.3

Пар, жидкость

и

твёрдое тело

Получение кислорода из воздуха методом испарения

При газопламенной обработке металлов (сварке, резке и т.д.) в качестве источника тепла используют газовое пламя- пламя горючего газа, сжигаемого для этой цели в кислороде в специальных горелках. Кислород активно поддерживает горение с выделением большого количества теплоты. Так как атмосферный воздух представляет собой смесь, содержащую 78,08% азота, 20,95% кислорода, 0,97% инертных газов, водорода, углекислого газа, то для получения кислорода воздух очищают от вредных примесей, пыли, углекислоты газа, осушают, затем сжимают компрессором до давления 20МПа и охлаждают до сжижения.

Получение кислорода основано на разделении воздуха на азот, кислород и другие газы за счёт разницы их температур кипения, то есть превращения в пар. Так как температура кипения жидкого азота -196⁰ С, а жидкого кислорода -183⁰ С, то при испарении сначала в газообразное состояние будет переходить азот, а оставшаяся жидкость при этом обогащается кислородом. Отделённый от азота кислород перекачивается в газгольдеры, из которых наполняют кислородные баллоны до давления 15МПа. К месту сварки кислород доставляют или в газообразном состоянии в кислородных баллонах, или в жидком состоянии в специальных сосудах с хорошей теплоизоляцией.

При нормальном атмосферном давлении и температуре 20⁰ С 1 л жидкого кислорода при испарении даёт 860 л газообразного. Поэтому доставка кислорода в жидком состоянии примерно в 10 раз уменьшает массу тары, экономит металл на изготовление баллонов, уменьшает расходы на их транспортировку и хранение.

Кристаллизация металла в сварочной ванне

Кристаллизация - это процесс образования зёрен (кристаллитов) металла при его охлаждении. Кристаллитом называют кристалл неправильной формы. Процесс кристаллизации металла состоит из трёх стадий. Это переохлаждение жидкого металла, образование центров кристаллизации и рост кристаллитов от этих центров.

Кристаллиты в сварочной ванне начинают расти на оплавленной поверхности зёрен основного металла. Скорость роста кристаллита по мере перемещения его вершины по фронту затвердевания возрастает от нуля до максимального значения. Кристаллизация происходит слоями, которые располагаются параллельно фронту затвердевания.

Металл шва, выполненный сваркой плавлением имеет столбчатое строение, то есть состоит из вытянутых (столбчатых) кристаллов, растущих при кристаллизации в направлении, обратном теплоотводу.

Холодная сварка

Холодная сварка - вид сварки давлением. Она осуществляется без нагрева металла внешним источником тепла, но с нагревом, возникающим от пластической деформации при сварке. Сварке подвергаются в основном пластические материалы (алюминий, медь, свинец и др). Пластическая деформация при сварке образуется от большой статической или большой ударной сжимающей силы.

Термические воздействия, которым подвергаются свариваемые соединения, приводят к образованию напряжений в узлах кристаллической решётки и даже к определённым деформациям. Напряжения и деформации могут быть как собственными, существующими в кристаллической решётке без приложения внешних сил, так и внешними, возникающими под действием приложенных нагрузок.

Причинами образования собственных напряжений и деформаций сварных соединений является неравномерное распределение температурных воздействий и охлаждения. Кроме того, деформации могут вызваться механическим вмешательством в процессе правки сварных узлов и сборки монтажа конструкций.

Снизить сварочные напряжения и деформации можно разными путями:

• Термическими -это отпуск после сварки и предварительный нагрев во время сварки. Отпуск металла после сварки позволяет снизить величину остаточных напряжений и деформаций на 85-90%, улучшает пластические свойства сварочного шва.

• Механическими - это обработка сваренных деталей, позволяющих снизить остаточные напряжения в кристаллической решётке.

• Термомеханические - это одновременная термическая и механическая обработка свариваемых конструкций и добиваются максимального эффекта.

Тема 2.4

Основы

термо-динамики

Изменение внутренней энергии

В зависимости от способов изменения внутренней энергии элементов сварного соединения различают три класса сварки:

1. Термический (сварка плавлением) - дуговая, газовая и т.д.

2. Термомеханический (с использованием тепла и давления) - контактная и диффузионная сварка.

3. Механический (с использованием механической энергии и давления) - холодная, взрывом, трением, ультразвуковая.

Тепловые двигатели

Тепловые двигатели преобразуют внутреннюю энергию топлива в механическую.

Тепловые двигатели используются в качестве машин-двигателей, также тепловые двигатели можно использовать и в качестве машин - орудий. Например, сварочный генератор с приводом от двигателя внутреннего сгорания.

Раздел 3. Электродинамика

Тема 3.1

Электро-статика

Конденсаторы

Конденсатор - это система двух проводников, разделённых слоем диэлектрика и служит для накопления на нём электрического заряда.

Конденсаторы используют для сварки деталей в приборостроении.

Конденсаторная сварка

Конденсаторная сварка представляет собой один из видов сварки запасенной энергией. Энергия накапливается в конденсаторах при их зарядке от источника постоянного напряжения (выпрямителя), а затем в процессе разряда преобразуется в теплоту, используемую для сварки.

Эта теплота выделяется в контакте между соединяемыми заготовками при протекании тока, поэтому конденсаторную сварку можно отнести к способам контактной сварки.

Существует два вида конденсаторной сварки:

• бестрансформаторная;

• трансформаторная.

При бестрансформаторной ударной сварке (рисунок) конденсатор подключен непосредственно к свариваемым заготовкам. Разряд конденсатора происходит в момент удара заготовки 3 по заготовке 4. Разряд оплавляет торцы заготовок, которые свариваются под действием усилия осадки.

При трансформаторной конденсаторной сварке конденсаторы разряжаются на первичную обмотку сварочного трансформатора, во вторичной цепи которого находятся предварительно сжатые между электродами заготовки.

Бестрансформаторная сварка используется в основном для стыковой сварки, трансформаторная для точечной и шовной.

а - бестрансформаторная с разрядом на изделие;
б - с разрядом на первичную обмотку трансформатора;
1 - пружина; 2 - защелка; 3 и 4 - заготовки;
С - конденсатор; В - выпрямитель; Т - трансформатор

Рисунок схемы конденсаторной сварки

ПРЕИМУЩЕСТВАМИ КОНДЕНСАТОРНОЙ СВАРКИ ЯВЛЯЮТСЯ:

• точная дозировка энергии (за счет изменения емкости конденсаторов и напряжения зарядки);

• малое время протекания тока (0,001 - 0,0001 с) при высокой плотности тока;

• возможность сварки материалов очень малых толщин (от нескольких микрометров до 1 мм);

• невысокая потребляемая мощность (0,2 - 2 кВА).

Тема 3.2

Постоянный ток

Тепловое действие тока

Тепловое действие тока используется не только в физике, но и в промышленности для обеспечения сварочных процессов. Нагрев обеспечивается за счет выделения тепла в месте контакта деталей при пропускании электрического тока. Как правило, нагрев свариваемых деталей ведут до расплавления металла, и лишь в некоторых случаях до пластического состояния. Выделение тепла в месте контакта деталей при пропускании электрического тока обеспечивается за счет физического процесса носящего название закон Джоуля - Ленца. Но следует запомнить, что КПД этого процесса в сварке всего 24%.

Основную роль в сварочных процессах играет сила сварочного тока, например если увеличить силу тока в 2 раза, то количество тепла вырастет в 4 раза, значит можно уменьшить или время нагрева (сварки собственно) в 4 раза, или общее сопротивление зоны сварки в 4 раза.

При этом все тепло, которое выделится в результате физического процесса пойдет на процесс сварочный и послужит созданию сварного соединения. Рассмотрим для примера такой вид сварки как контактная сварка.

Контактная сварка применяется в промышленности и строительстве для соединения встык металлических стержней различного сложного сечения. Свариваются рельсы и трубы, коробчатый профиль и арматура. Можно соединять сталь и цветные металлы между собой. В общем-то, это единственный способ сварки разнородных материалов друг с другом с получением прочного сварного соединения.

Сварка постоянным током

Сварка постоянным током имеет преимуществ перед переменным. Во-первых, уменьшается содержание присадочного металла электродов в сварном шве. Во-вторых, уменьшается количество окалины на шве. Это повышает прочность и качество сварки по сравнению с электросваркой на переменном токе за счет большей глубины проплавления материала. В-третьих, сварка постоянным током уменьшает потери на разбрызгивание, поэтому уменьшается затрата присадочных материалов,

плавких электродов или проволоки, что уменьшает стоимость работ и увеличивает прибыльность. И напоследок, в-пятых, при использовании постоянного тока параметры питающей сети меньше влияют на стабильность дуги, из-за чего облегчается работа и повышается производительность сварщика.

Сущность дуговой сварки

Дуговой сваркой называется сварка плавлением, при которой нагрев свариваемых кромок осуществляется теплотой электрической дуги.

Дуговая сварка классифицируется по следующим основным признакам: по виду электрода (плавящимся или неплавящимся электродом), по виду дуги (свободной или сжатой дугой), по характеру воздействия дуги на основной металл (дугой прямого или косвенного действия, трехфазной дугой). Плавящиеся электроды подразделяются на штучные, проволочные и ленточные. Они применяются как сплошного сечения, так и порошковые. Неплавящиеся электроды применяются: вольфрамовые, угольные и графитовые.

Дуговую сварку производят постоянным током прямой и обратной полярности, переменным током как промышленной, так и повышенной частот и пульсирующим током. При этом сварка может быть выполнена как одно-, двух- и многодуговая (с раздельным питанием каждой дуги), так и одно-, двух- и многоэлектродная (с общим подводом сварочного тока).

Электробезопасность при дуговой сварке

Поражение электрическим током происходит при соприкосновении к токоведущим частям электропроводки и сварочной аппаратуры.

Токи, проходящие через тело человека, величиной больше 0,05А (при частоте 50 Гц) могут вызвать тяжёлые последствия и даже смерть (0,1 А). Сопротивление человеческого организма в зависимости от его состояния (утомляемость, влажность кожи, состояние здоровья) меняется от 1000 до 20000 Ом.

Тема 3.3Магнитное поле

Использование магнитного поля в сварке

Магнитное поле можно использовать для контроля качества сварных соединений.

Контролируемое изделие намагничивают, замыкая им сердечник электромагнита или помещая внутрь катушки, а затем используют либо магнитный порошок, либо магнитную эластичную магнитн6ую ленту, которая плотно прижимается к поверхности соединения. В результате сравнения картины линий магнитной индукции на изделие с эталоном делают вывод о качестве соединения.

Сварка электронным лучом

При электронно-лучевой сварке металлов нагрев и расплавление свариваемых поверхностей происходит в вакуумной камере при помощи концентрированного пучка электронов, обладающего большой энергией. С помощью данного метода сварки можно сварить практически любой металл, как цветной, так и черный, так как при сваривании в вакуумной камере металл не контактирует с воздухом, вследствие чего не возникает оксидной пленки. При помощи сварки электронным лучом зачастую производятся плотные сварные соединения встык и внахлестку.

Преимущества сварки электронным лучом:

• возможность изменять пятно нагрева от 0,0002 до 5 мм, что позволяет сваривать металлы большой толщины;

• низкое коробление изделия, по сравнению с дуговой сваркой, вследствие малого количества вводимой в металл теплоты;

• отсутствие насыщения газами.

Тема 3.4

Электро-магнетизм

Сварка на переменном токе

В отличии от сварки на постоянном токе, сварка на переменном токе не имеет отклонения дуги от первоначальной оси, они встречаются реже. Такое отклонение ухудшает качество сварочного шва, и имеет название «магнитное дутье».

Если работать на генераторе переменного тока, то его полярность меняется определенными циклами, частота которых 50 герц, которая изменяется в каждом цикле. Сначала она поднимается до + напряжения, достигнув которое снова начинает падать к 0, минуя который она стремиться к отрицательному значению. После этого она снова возвращается к 0, при этом цикл завершается.

Сварочная дуга за один цикл гаснет два раза, также два раза она возникает заново. Напряжение тока на дуге изменяется от плюса к минусу.

Такого эффекта нет в дуге постоянного тока, т. е дуга не гаснет, а становится нестабильной. Данное изменение тока не возможно увидеть человеческим взором. Когда на дугу не поступает ток, интенсивность свечения дуги уменьшается, но заряженные частицы присутствуют в промежутке между дугой и деталью, вследствие этого от сварочного электрода вылетают электроны.

Заряженные ионы устремляются к деталям, а электроны - к электроду в момент увеличения напряжения и под действием электрического поля. Пространство между ними нагревается, вследствие этого возникает высокая температура.

Дуга может погаснуть полностью, если напряжение будет равным нулю, и положительно заряженных частиц между электронном и деталью будет не достаточно.

СВАРОЧНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

Сварочный трансформатор предназначен для питания дуги переменным током. Простые в устройстве и обслуживании, надежные в эксплуатации, экономичные в работе сварочные трансформаторы широко применяют при ручной дуговой сварке покрытыми электродами, механизированной и автоматической сварке под флюсом, при электрошлаковой сварке.

Трансформатор разделяет силовую сеть и сварочную цепь, понижает напряжение сети до напряжения, необходимого для сварки, обеспечивает самостоятельно или в комплекте с дополнительными устройствами начальное и повторное возбуждение и стабильное горение дуги, формирование требуемых внешних характеристик и регулирование силы сварочного тока или напряжения на дуге.

Силовые трансформаторы входят в состав всех сварочных выпрямителей и установок и имеют то же назначение, что и собственно сварочные трансформаторы.

Конструкции сварочных трансформаторов разнообразны. В зависимости от способа формирования внешних характеристик и регулирования режима сварки трансформаторы бывают с механическим и электрическим регулированием.

Трансформаторы для ручной сварки относятся ко второй категории размещения источника тока, то есть предназначены для работы на объектах, где колебания температуры и влажности несущественно отличаются от колебаний на открытом воздухе. Трансформаторы могут работать при температуре окружающего воздуха -45° … +40°С и относительной влажности воздуха не более 80% при +20 °С на высоте не более 1000 м над уровнем моря.

Трансформаторы для автоматической сварки климатического исполнения У имеют 3-ю и 4-ю категории размещения источников и могут работать при температуре воздуха -10° … +40°С.

Сварочные трансформаторы по фазности электрического тока подразделяются на однофазные и трехфазные, а по количеству постов - на однопостовые и многопостовые. Однопостовой трансформатор служит для питания сварочным током одного рабочего места и имеет соответствующую внешнюю характеристику.

Многопостовой трансформатор служит для одновременного питания нескольких сварочных дуг (сварочных постов) и имеет жесткую характеристику. Для создания устойчивого горения сварочной дуги и обеспечения падающей внешней характеристики в сварочную цепь дуги включает дроссель. Для дуговой сварки сварочные трансформаторы подразделяются по конструктивным особенностям на две основные группы:

трансформаторы с нормальным магнитным рассеянием, конструктивно выполненные в виде двух раздельных аппаратов (трансформатор и дроссель) или в едином общем корпусе;

трансформаторы с развитым магнитным рассеянием, конструктивно различающиеся по способу регулирования (с подвижными катушками, с магнитными шунтами, со ступенчатым регулированием).

ТДМ-602, Сварочный аппарат трансформатор переменного тока ТДМ-602
Напряжение 380 В
Номинальный режим работы ПН 60 %
Диапазон регулирования сварочного тока 120-600 А
Способ регулирования сварочного тока механический, плавный
Мощность потребления (не более) 45,6 кВт
Габаритные размеры 400x620x520 мм
Масса 150 Кг

ОБСЛУЖИВАНИЕ СВАРОЧНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

При эксплуатации сварочных трансформаторов следует следить за надежностью контактов, не допускать перегрева обмоток, сердечника и его деталей. Необходимо раз в месяц смазывать регулировочный механизм и не допускать загрязнений рабочих частей трансформаторов.

Необходимо следить за надежностью заземления и оберегать трансформатор от механических повреждений.

При работе трансформатора нельзя допускать превышения величины сварочного тока против указанной в паспорте. Запрещается перетаскивание трансформатора или регулятора с помощью сварочных проводов.

Раз в месяц трансформатор необходимо обдуть (очистить) струей сухого сжатого воздуха и проверить состояние изоляции.

Попадание влаги на обмотки трансформатора резко снижает электрическое сопротивление, в результате чего возникает опасность пробоя изоляции. Если сварочные трансформаторы установлены на

открытом воздухе, их необходимо укрывать от атмосферных осадков. В таких случаях следует делать навесы или специальные передвижные будки.

Тема 3.5

Оптика

Сварка световым лучом

В последнее время в промышленности все более широко применяется энергия светового луча, получаемого с помощью оптических квантовых генераторов (ОКГ) или лазеров. Излучение ОКГ характеризуется рядом уникальных свойств: высокой монохроматичностью, значительной степенью когерентности, большой мощностью и высокой направленностью. В сварочном производстве наиболее перспективны газовые лазеры, имеющие достаточно высокие мощности и КПД. Они успешно применяются для сварки и резки металлов. Высокая плотность тепловой мощности (выше 108 - 109 Вт/м²) при современной лазерной технике позволяет не только плавить, но и испарять все известные материалы.

Раздел 4. Строение атома и квантовая физика

Тема 4.2

Лазеры

Лазерная сварка

Принцип лазерной сварки состоит в фокусировании луча лазера в точку диаметром примерно в 2 мкм, что обеспечивает высокий уровень концентрации энергии в этой точке (до 108 Вт/см2), что намного выше чем у дуговой сварки.

Сваривание лазером производится либо на открытом воздухе, либо в среде защитных газов (аргон, углекислый газ, гелий и т.п.). При сварке используются различные типы лазеров: газовые, твердотельные лазеры с непрерывным или периодическим действием.

В процессе лазерной сварки пятно нагрева значительно меньше, чем при других видах сварки, благодаря высокому уровню концентрации энергии при минимальной площади точки сваривания, также минимален объем расплавленного металла, а скорости нагрева и охлаждения шва и зоны вокруг него значительно выше. Все эти преимущества лазерной сварки обеспечивают минимальный уровень деформации свариваемых элементов и высоки прочностные показатели сварных соединений и швов.

Помимо обычной сварки лазером, где проплавление только поверхностное, существует также лазерная сварка с глубоким проплавлением.

Данный тип сварки принципиально отличается от сварки с поверхностным проплавлением, так как во время получения сварного соединения создается газовый канал, по которому поднимается испаренный металл. Область сварного соединения имеет вытянутую форму и глубокий, узкий шов.

Раздел 5. Эволюция Вселенной

Тема 5.1

Элементы

астрофизики

Сварка в космосе

Практическая реализация многих замыслов в области космонавтики невозможна без широкого применения сварки металлов непосредственно в космосе. Ремонтно-восстановительные и монтажные работы, которые неизбежны при эксплуатации космических станций долговременного действия, потребуют проведения работ по сварке, резке и пайке материалов.

Однако условия в космосе существенно отличаются от земных. Наличие вакуума, невесомости, перепада температур и т. д. окажут заметное влияние на физико-химические процессы, протекающие при сварке. Например, в земных условиях массовые силы играют важную, а порой и преобладающую роль во многих процессах, протекающих при сварке. Гравитационные силы, которые имеют значительный радиус действия, в условиях космоса не исчезают полностью. В этом случае действует так называемая самогравитация, которая представляет собой силы гравитационного взаимодействия с элементами конструкции космического аппарата и его содержимым.

Для того чтобы установить влияние этих сил по сравнению с поверхностными силами, приравняем ускорения а₀ = а_а, возникающие в жидкости под действием соответствующих сил.

Для расплавленной стали можно принять у = 7000 кг/м³, а o = 1200 мН/м. В этом случае силы самогравитации сравнимы с поверхностными силами только для шара расплавленного металла радиусом 2,83 м. Поскольку размеры сварочной ванны, электродных капель гораздо меньше, то в условиях космоса влияние силы самогравитации на сварочные процессы гораздо меньше, чем влияние поверхностных сил.

В космосе расплавы подвержены малым ускорениям, которые возникают вследствие одновременного воздействия следующих основных сил: гравитационного градиента Земли, разряжений атмосферы, центростремительной силы, возникающей при вращении летательного аппарата, гравитационной массы летательного аппарата, давления солнечного ветра, гравитационных градиентов, возникающих от дви-

жения Луны, ускорения, возникающего при включении двигателей и перемещении космонавтов, вибрации на борту от работающих приборов, упругих деформаций от нестационарных тепловых потоков; воздействия электромагнитных сил.

Согласно работе, гравитационные силы преобладают над силами поверхностного натяжения. Число Во < 1 при низких значениях ускорения свободного падения. В условиях космоса гравитация вследствие причин, указанных выше, не исчезает полностью, так как ускорение свободного падения равно 10 ^{- 3} - 10^-5 величины ускорения свободного падения в земных условиях. Поэтому несомненно, что в условиях космоса силы поверхностного натяжения преобладают над массовыми и приобретают первостепенное значение. В связи с этим важно установить, как будут протекать рассмотренные выше процессы в условиях невесомости.

Отметим попутно, что величина поверхностного натяжения, смачивание твердых тел расплавами, полученные в земных условиях, остаются такими и в космосе.

Использование инструментария физики для объяснения процессов,

встречающихся в

профессиональной деятельности студентов.

Тема

Инструментарий

Тема 1

Молекулярная физика

Основы МКТ.

Диффузия.

Температура.

Давление.

Объем.

Температура.

Давление.

Поверхностное натяжение.

Смачивание.

Капиллярность.

Кристаллические и аморфные тела.

Создание материалов с заданными свойствами.

Кристаллизация.

Плавление.

Деформации.

Влажность воздуха.

Тепловые двигатели.

Количество теплоты.

Тема 2

Электродинамика.

Электрическое поле.

Проводники и диэлектрики.

Электрический ток.

Соединение проводников.

Напряжение.

Сила тока.

Источники тока.

Проводники электрического тока.

Сопротивление.

Магнитное поле.

Ферромагнетики.

Сила Ампера.

Магнитное поле.

Электрический ток в металлах.

Электрический ток в полупроводниках.

Электрический ток в вакууме.

Электрический ток в газах.

Термоэлектронная эмиссия.

Ионизация.

Плазма.

Колебания.

Трансформатор.

Явление электромагнитной индукции.

Генераторы.

Ультразвук.

Электромагнитные излучения и их свойства.

Ультрафиолетовые

Лучи.

Дефектоскопия.

Рентгеновское излучение

Гамма излучение.

Спектры. Спектральный анализ.

И его применение.

Сваркой называется процесс получения неразъёмных соединений посредством установления межатомных связей между соединяемыми частями при их нагревании и расплавлении или пластическом деформировании.

Расплавленный дугой жидкий металл детали, электрода или присадочного прутка смешивается, образуя общую ванночку. При ее охлаждении металл затвердевает, и укрепляются его металлические связи.

Классификация сварки по физическому признаку.

Для сварки используют три вида энергии: термическую, термомеханическую, механическую.

К термическому классу относятся все виды дуговой,

газовой, электрошлаковой, плазменной, электронно-

лучевой, лазерной, термитной и световой сварки.

К механическому классу относят холодную, ультразвуковую, магнитно -импульсную сварку и сварку трением и взрывом.

К термомеханическому классу относят все виды

контактной, диффузионной, кузнечной сварки.

Для сварки кислород поставляется в газообразном виде в баллонах объемом 40 дм3, содержащих 6 м3 кислорода при давлении 15 МПа

Баллоны взрывоопасны: их надо предохранять от ударов и нагревания. Ацетилен взрывоопасен при давлении 0,15 - 0.2 МПа и температуре до 2000 С.

Давление в баллоне не должно превышать 1,9МПа при 200 С. Для газовой сварки применяют горючие газы, чаще всего ацетилен, пропан - бутановые смеси, природный газ или жидкости: керосин, бензин. Высокая температура сварочного пламени достигается сжиганием горючего газа или паров жидкости в кислороде.

Температура ацетиленового пламени 3100 - 32000С,

пропано-кислородного 2600 - 37500С,

водородно-кислородного 2400 - 26000С.

Для контроля температур при термообработке применяют термоэлектрические пирометры, специальные термометры, приборы, регистрирующие температуру и время.

Температура при сварке угольным электродом:

В катодной зоне 32000С

В анодной зоне 39000С

В столбе дуги 60000С.

Температура при сварке металлическим электродом:

В катодной зоне 24000С.

В анодной зоне 26000С.

Контактная сварка - сварка с применением давления, при которой используется тепло, выделяющееся в контакте свариваемых частей при прохождении электрического тока.

Металл плавящегося электрода переходит в виде капель в сварочную ванну. Форма и размеры капель металла определяются силой тяжести и силой поверхностного натяжения.

Некоторые металлы, например железо и свинец не смешиваются, при расплавлении не образуют сварного соединения (не смачивание.)

На капиллярности основан способ проверки качества сварного шва (мел, керосин).

Керосин поднимается по трещинам, как по капиллярам, образуя на обратной стороне, промазанной меловым раствором, жирные пятна.

Процессы: плавление и кристаллизация металла.

При сварке используют электроды из проволоки определенного химического состава, которые покрыты специальной обмазкой. Вещество покрытия рутил. Покрытие электрода улучшает стабильность горения дуги, улучшает качество сварного соединения.

Промышленность выпускает большое количество покрытых электродов различных марок для ручной сварки.

Дуговая сварка плавлением является своеобразным металлургическим процессом, протекающим в небольшом объеме сварочной ванны в течении 15с,

После чего металл кристаллизуется. По границам расплавления образуются общие кристаллы основного и наплавленного металла, что обеспечивает их прочную связь.

Неравномерное нагревание и охлаждение при сварке вызывают тепловые напряжения и деформации.

Нагрев стали при сварке, резко снижает предел текучести, увеличивает удлинение, что вызывает необратимые пластические деформации и, как следствие, растягивающие и сжимающие напряжения в сварном соединении.

Исправление деформаций. Механические испытания металла сварного соединения: на растяжение, твердость.

Деформации при зачистке швов от шлака (зубило - деформация среза).

Учет влажности воздуха при хранении электродов.

Сварочные агрегаты с двигателями внутреннего сгорания применяют для работы в полевых условиях.

Полная тепловая мощность дуги - количество теплоты, выделяемое дугой в единицу времени (Дж/с).

Ручная дуговая сварка осуществляется плавящимся электродом. Металлический стержень электрода включается в цепь сварочного тока для подвода его к дуге и при сварке расплавляется, выполняя роль присадочного металла. Электродные стержни изготовляют из стальной сварочной проволоки.

Неплавящиеся электроды - вольфрамовая проволока

(45000С - температура плавления).

Основным рабочим инструментом электросварщика является электродержатель, рукоятка которого покрыта электро - и теплоизоляционными материалами.

Обмотки трансформатора могут соединяться последовательно и параллельно.

Электрический разряд образуется при напряжении 20 - 30В, сила тока 80А. В начальный момент, для возбуждения дуги необходимо несколько большее напряжение, чем при ее последующем горении.

Чем это объяснить?

При возбуждении дуги воздушный зазор недостаточно нагрет, степень ионизации невысокая и необходимо напряжение, способное сообщить электронам такую энергию, чтобы произошла ионизация газового промежутка.

Электропроводность повышается за счет нагревания. При сварке на постоянном токе источниками питания служат сварочные преобразователи,

На переменном токе - сварочные трансформаторы.

Напряжение при зажигании 60В, при сварке напряжение 30В, сила тока от 100 - 500А

Сварочные аппараты оборудованы устройством для регулирования силы сварочного тока, который рассчитывается в зависимости от электрода и изделия.

Сечение кабеля, присоединяющего источник питания к электродержателю, подбирают в зависимости от наибольшей величины сварочного тока. Гибкий медный кабель используют на напряжение до 220В, длина кабеля до 40м. при более длинном кабеле ухудшается процесс сварки.

Можно ли применять скрутку для соединения между собой кусков кабеля? Нет, так как такой способ соединения вызывает его перегрев вследствие плохого контакта в местах

соединения, что приводит к преждевременному износу кабеля.

При дуговой сварке происходит отклонение дуги от оси электрода и ее блуждание по изделию, что ухудшает качество сварного шва, увеличивает разбрызгивание и затрудняет процесс сварки. Это явление вызывается действием электромагнитных сил, возникающих при прохождении тока по элементам сварочной цепи. Основной металл и металл электрода - ферромагнетики, это способствует появлению магнитного поля.

Отклонение дуги под действием электромагнитных сил называется магнитным дутьем.

Магнитное дутье появляется особенно при сварке постоянным током. Оно вызывается неравномерным размещением ферромагнитных масс изделий относительно места присоединения к ним и прохождения сварочного тока. В магнитном поле на дуговой разряд действует сила Ампера. Для устранения или уменьшения магнитного дутья изменяют места присоединения к изделию провода электрического тока так, чтобы уравновесить ферромагнитные массы изделия. Или применяют стальную плиту, которую укладывают на изделие для уравновешивания ферромагнитных масс, или используют для сварки переменный ток.

Магнитная дефектоскопия - метод проверки качества сварного шва. Магнитные методы контроля возможны только для ферромагнитных сталей.

Эти методы основаны на выявлении потока магнитного рассеивания, возникающего в дефектных местах при намагничивании контролируемого сварного соединения. Намагничивание выполняют стационарным или перемещающимся магнитом.

Магнитопорошковый метод заключается в нанесении ферромагнитного порошка на поверхность намагниченного сварного соединения, под действием магнитного потока частицы порошка скапливаются в местах дефектов.

Более совершенным является магнитографический метод, при котором, на шов накладывается ферромагнитная лента, после чего обкатывают шов движущимся электромагнитом. В результате на ленте фиксируются имеющиеся дефекты шва, которые обнаруживаются при пропускании ее через магнитографический дефектоскоп с электроннолучевой трубкой.

Электрошлаковая сварка осуществляется плавлением, при этом используется тепло, выделяющееся при прохождении электрического тока через расплавленный шлак в металл. Применяют для соединения стальных деталей толщиной до 1000 мм.

Для термической обработки сварных изделий применяют установки с дистанционным и программным управлением.

Электроннолучевая сварка - сварка плавлением, при которой для нагрева используют энергию ускоренных электронов. Для получения сварочного луча электронов применяют электронную пушку.

Такую сварку применяют для соединения тугоплавких, химически активных металлов.

Дуговая сварка плавлением основана на использовании тепла электрической дуги, которая представляет собой длительный электрический разряд в газе, выделяющий значительное количество теплоты. Сварочная дуга образуется между электродом и изделием или между двумя электродами, имеющими разность потенциалов. При соприкосновении электрода с изделием разогреваются и сгорают мелкие выступы между ними, образуя пары металла и ионизированный газ, в котором при напряженииВ образуется электрический разряд. Длительность разряда и образование дуги достигается отрывом электрода от изделия на расстояние 2 - 5мм. При высокой разности потенциалов между электродом и изделием (несколько тысяч вольт) и при их сближении происходит зажигание дуги. При этом электроны отрываются от нагретого катода и двигаются с большой скоростью. Ударяясь об атомы и молекулы газа испаряющегося материала, электроны ионизируют их. Движение электронов и ионов в дуговом пространстве происходит при наличии двух полюсов (постоянный ток) катод и анод - это электрод и изделие.

Плазменная резка осуществляется плазмотронами для раскроя листов стального проката, алюминия и других цветных металлов.

В процессе сварки газосварщик концом мундштука горелки совершает одновременно два движения: поперечное - перпендикулярно оси шва и продольное - вдоль оси шва. Основным является продольное движение, поперечное служит для равномерного прогрева кромок основного и присадочного металла и получения шва необходимой

ширины. 1 - способ, при котором пламя периодически отводится в сторону;

2 - способ по спирали; 3 - способ полумесяцем;

4 - способ волнообразное движение с небольшой амплитудой используется при сварке тонких листов.

Сварочные трансформаторы - это специальные понижающие трансформаторы, обеспечивающие питание сварочной дуги и регулирование сварочного тока.

Трансформатор имеет сердечник - магнитопровод из трансформаторной стали, на сердечнике размещаются две обмотки - первичная и вторичная.

Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции.

Сварочный ток регулируют изменением расстояния между первичной и вторичной обмотками. При вращении рукоятки вторичная обмотка приближается или удаляется от первичной, это меняет магнитный поток и индуктивное сопротивление, а следовательно сварочный ток.

Пределы регулирования сварочного тока от

65 - 650А.(обмотки соединены параллельно)

При последовательном соединении обмоток катушек пределы регулирования сварочного тока от

40 - 165 А. Более точный ток устанавливается по амперметру. Перед началом работы трансформатор необходимо заземлять.

Для сварки переменным током широко применяют однофазные трансформаторы, которые разделяют силовую и сварочные цепи и понижают высокое напряжение 380В или 220В до величины не более 80В. Наличие индуктивного сопротивления необходимой расчетной величины обеспечивает в трансформаторах стабилизацию дуги и ее восстановление при частом изменении полярности переменного тока.

Сварочные генераторы - специальные генераторы постоянного тока, внешняя характеристика которых позволяет получать устойчивое горение дуги, что достигается изменением магнитного потока генератора в зависимости от сварочного тока. Сварочный генератор состоит из статора с магнитными полюсами и якоря с обмоткой и коллекторами. При работе генератора якорь вращается в магнитном поле, создаваемом полюсами статора. Обмотка якоря пересекает магнитные линии полюсов генератора и поэтому в витках обмотки возникает переменный ток, который с помощью коллектора преобразуется в постоянный. Вращение якоря сварочного генератора обеспечивается в сварочных генераторах преобразованиях электродвигателем, а в сварочных

агрегатах - двигателем внутреннего сгорания. К коллектору прижаты угольные щетки, через которые постоянный ток подводится к зажимам. К этим зажимам присоединяют сварочные провода, идущие к электродержателю и изделию.

Ультразвуковая дефектоскопия основана на использовании ультразвуковых колебаний (УЗК), которые представляют собой колебания упругой среды со сверхвысокими частотами ( более 20 кГц), не воспринимаемые человеческим ухом. УЗК могут проникать в металл на большую глубину и отражаться от неметаллических включений и дефектов. Для контроля применяют колебания с частотой 0,5 - 10 МГц

Ультразвуковой метод контроля используют для проверки качества стыковых и угловых швов.

Ультразвуковая сварка используется для соединения деталей из пластмасс.

Для защиты глаз от вредных ультрафиолетовых излучений, возникающих при горении дуги, применяют щитки и шлемы, снабженные светофильтрами темно - зеленого цвета.

При электродуговой сварке применяют светофильтры различных марок из темно - синего стекла.

Люминесцентный контроль. Вид дефектоскопии, применяемый для обнаружения поверхностных дефектов. Контроль основан на способности некоторых жидкостей, проникать в поры или трещины изделия, и светиться при облучении ультрафиолетовым светом.

Радиационный контроль. Рентгеновское излучение отличается малой длиной волны и большой энергией. Это излучение может проникать через материалы с разной интенсивностью для различных материалов, зависящей от толщины металла. С одной стороны шва устанавливается источник излучения, с другой - детектор, фиксирующий сведения о наличии дефектов. Детектором может быть фотобумага, рентгеновская пленка. При отсутствии дефектов излучение будет поглощаться сплошным металлом, и на пленке шов будет фиксироваться в виде более светлой полосы. Дефекты не будут поглощать излучение так интенсивно как металл, поэтому на фотобумаге они будут фиксироваться более темными пятнами.

Источником этого излучения является рентгеновская трубка

Радиационный метод контроля. Гамма излучение имеет малую длину волны, значительную энергию, и уникальную проницаемость. Чаще всего в дефектоскопах используют гамма изотоп цезия - 137 (период полураспада 30 лет), который обеспечивает длительную работу аппаратов без замены источника. Для предохранения окружающих от гамма излучения его заключают в оболочку из свинца. Излучение направляется на шов, и фиксируется пленкой,

фотобумагой. Дефекты не поглощают излучение, а на пленке это более темные участки.

Спектральный анализ это метод определения химического состава металла по его спектру без разрушения или

повреждения изделий. Позволяет быстро определить малые концентрации элементов.

Стилоскопирование - качественный спектральный анализ на наличие легирующих элементов. Между электродом из меди, угля или чистого железа и деталью возбуждается электрический разряд. Раскаленные пары металла дают линейчатые спектры, это фиксирует прибор стилоскоп. Пример: если в состав стали входит хром, то в спектре паров стали, обязательно имеются линии хрома. Чем выше содержание хрома, тем ярче его линии.

Человек знает физику,

если он умеет решать задачи…

Энрико Ферми

Задачи по физике

Раздел

№

п/п

Содержание задачи

Ответ

Механика

1

Для поднятия сварочного аппарата на второй этаж здания используется механический блок с тросом, который поднимает грузы строго вертикально. Высота поднятия - 600 см, масса аппарата - 25 кг. Какую работу нужно совершить, чтобы поднять аппарат на второй этаж.

1,47 кДж

2

Коррозия поразила 2% стального болта объёмом 0,000004 м³. Какую массу стальной электродной проволоки необходимо использовать для возвращению болту первоначального объёма?

6,24 г

Молекулярная физика.

Термодинамика

1

Для сварки металлов и их сплавов в инертных газах поставляют гелий в баллонах под давлением 1,5·10⁷ Па. Определите концентрацию молекул гелия (число молекул в единице объёма) в баллоне при температуре 27⁰ С.

3,6·10²⁸

м^-3

2

Найти массу воздуха в сварочной мастерской объёмом 320 м³ при температуре 20⁰ С и нормальном атмосферном давлении. Молярная масса воздуха равна 0,029 кг/моль.

385 кг

3

Для сварки в среде инертного газа используется аргон. Баллон содержит 4,2 кг аргона. Какое количество теплоты получит аргон, если баллон находится в помещении при температуре 296 К?

4·10⁵ Дж

4

При газовой сварке в баллоне со сжатым кислородом ёмкостью 0,06 м³ давление уменьшилось от предельного, равного 2·10⁷ Па до 0,5·10⁷ Па. При этом температура повысилась на 10%. Сколько процентов кислорода израсходовано? При какой максимальной температуре можно хранить 10 кг кислорода в таком баллоне?

23%

231 К

5

Для выплавки стали расплавили 1,2 тонны железа. Какое количество теплоты пришлось подвести к железу для полного расплавления?

332,4 МДж

6

Во время дуговой сварки температура дуги в 14 раз больше температуры кипения воды (в Кельвинах). Какие из перечисленных материалов не может расплавить дуга? (железо t_пл=1812К, вольфрам t_пл=3273К, серебро t_пл=1235К).

Расплавит все металлы

7

При изготовлении на заводе железобетонных конструкций стальную арматуру подвергают предварительному н6апряжению (растяжению) с помощью гидравлической установки. Стальные стержни длиной 6 м и диаметром 20 мм растягивают на 2мм. Определите силу, необходимую для этого, если модуль Юнга для стали равен 2,2·10¹¹ Н/м².

10 Н

8

В сварочном цехе стоят 40 баллонов ацетилена (С₂Н₂) емкостью 40 дм³ каждый. Все они включены в общую магистраль. После 12 ч непрерывной работы давление во всех баллонах упало с 1,3·10⁷ до 0,7·10⁷ Па. Определите расход ацетилена, если температура в цехе оставалась неизменной и была равна 32°С.

110 т

9

Баллон содержит сжатый кислород при температуре 25°С и давлении 1,5·10⁷ Па. В ходе газовой сварки израсходована половина кислорода. Определите, какое давление установится в баллоне, если температура газа снизилась до 15°С.

2,9·10⁷ Па

Электродинамика

1

Импульсную стыковую сварку медной проволоки осуществляют с помощью разряда конденсатора ёмкостью 1000 мкФ при напряжении 1500 В. Какова средняя полезная мощность разрядного импульса,

если его длительность 2 мкс, а КПД установки равен 4%?

2·10⁴ кВт

2

При электросварке вследствие короткого замыкания загораются провода. Почему нельзя их тушить водой или огнетушителем до тех пор, пока загоревший участок не будет отключён от сети?

Вода-хороший проводник тока.

3

Сварочный аппарат соединяют с источником медными проводами длиной 100 м и сечением 50 мм². Определить напряжение на проводах (падение напряжения на проводах), если по ним течет ток силой 125А.

4,25 В

4

Сварочный аппарат подключают в электрическую сеть медными проводами длиной 10 метров и площадью поперечного сечения 5 мм². Определить напряжение на проводах, если сила тока в цепи 100А, а удельное сопротивление меди составляет 0,0175 Ом*мм²/м.

3,5 В

5

В сеть с напряжением 220 В включен сварочный аппарат, рассчитанный на силу тока 110А. Сварочный аппарат работает по 2 часа ежедневно в течение месяца. Какую сумму нужно заплатить за использованную в ходе сварки электроэнергию, если цена 1кВт*ч составляет 2,59 руб?

3760,68 рубл.

6

На зажимах дуги сварочной электрической машины поддерживается напряжение 60 В. Сопротивление дуги 0,4 Ом. Рассчитайте стоимость энергии, расходуемой при сварке, если сварка продолжалась 4 ч. Стоимость энергии 3 рубл. за 1 кВт ч.

144 рубл.

7

Во время дуговой сварки с помощью электросваривающего устройства за 5 минут выделяется 3·10⁶ Дж тепла. Каким током производится сварка, если напряжение на электродах равно 50В?

200 А

8

Определить допустимый сварочный ток для источника, в паспорте которого приведены I_н =500 А и ПР_н =65%, если источник работает непрерывно более 10 минут, т.е. ПР=100%

(I_д =I_н )

400 А

9

Определить допустимый ПР_д сварочного трансформатора при токе 1200 А, если по паспорту I_н =1000 А и ПР_н =75%

52%

10

Определить количество сварочных постов от многопостового выпрямителя с номинальным током 1000 А, если на каждом посту максимальный ток равен 200 А

(n=I/(I₀ a), где I -номинальный ток, А; I₀ наибольший ток, потребляемый одним сварочным постом; а- коэффициент одновременности работы постов, применяемый в расчётах равным 0,6-0,65)

8

Колебания и волны

1

Для контроля стальных отливок на заводах широко используют ультразвуковой дефектоскоп. Ультразвуковые волны отражаются от границы раздела двух сред сталь-воздух. На какой глубине обнаружены дефекты, если один из отражённых сигналов был зафиксирован через 2∙10^-5с, а второй через 2,4∙10^-4с? Скорость распространения ультразвука в стали 5 км ⁄с.

8,8 м

«Ум заключается не только в знании,

но и в умении применять знания на деле».

Методы контроля сварных швов с физической точки зрения

Метод контроля

Физические свойства

Применение

Ультразвуковой метод

Ультразвуковые волны отражаются от границы раздела двух сред: сталь-воздух (раковины, трещины)

Для выявления дефектов

в металле толщиной

не менее 4мм

Магнитный метод

Принцип магнитного рассеивания. Магнитный поток огибает дефект, при намагничивании контролируемого изделия. Фиксируется на магнитную плёнку.

Для выявления дефектов

в изделиях из стали и

чугуна толщиной от 1

до 16мм.

Рентгеновский и радиоактивный (радиационные)

Места с дефектами поглощают меньше рентгеновских и γ-лучей, на плёнке после проявления место дефекта более тёмное и соответствует по форме дефекту.

Используется для ответственных

металлоконструкций

трубопроводов, сосудов.

Люминесцентный

Флюоресцирующее вещество проникает в трещины, поры, а под действием ультрафиолетовых лучей светится.

Трещины шириной от 0,01мм и глубиной 0,03-0,04мм.

Метод, основанный на явлении капиллярности

Керосин поднимается по трещинам (как по капиллярам) появляются жирные пятна на поверхности шва

Дефекты размером от

0,1мм и выше

Викторина.

Вопросы с профессиональной направленностью для сварщиков

1.Назовите опасное напряжение для человека.

Ответ: Напряжение 24- 30В, сила тока 0,1А

Человеческое тело - проводник электрического тока. Если человек случайно окажется под напряжением 24-30В и выше, он не избежит травмы или даже смерти. Электрический ток вызывает паралич сердца.

2.Какие изменения вызывает ток в теле человека?

Ответ: Ток, проходя через тело человека, воздействует на центральную и периферическую нервные системы, вызывая нарушение работы сердца и дыхания.

3.Почему опасно касаться мачт высокого напряжения, ведь провода с током отделены от них целыми гирляндами изоляторов?

Ответ: Идеальных изоляторов не существует. Даже фарфор, из которого сделаны высоковольтные изоляторы, меняет свои свойства в зависимости от погоды. Слегка запыленная и увлажненная поверхность изолятора служит проводником тока. Если учесть, что по проводам идет ток высокого напряжения, то утечка его, даже небольшая, будет опасна для жизни.

4. Почему вблизи того места, где оборванный провод высокого напряжения соприкасается с землей, рекомендуется стоять на одной ноге?

Ответ: Вблизи оборванного провода, соприкасающегося с землей, возникает неоднородное электрическое поле. Если человек встанет двумя ногами на землю вблизи такого провода, то потенциалы в соответствующих точках земли будут неодинаковыми и, следовательно, возникает ток, проходящий через тело человека. Сила тока будет тем большей, чем более неоднородное поле и чем шире расставит ноги человек. Ток практически будет отсутствовать, если человек стоит на одной ноге.

5.Вследствии короткого замыкания загорелись провода. Почему их нельзя их нельзя тушить водой или огнетушителем до тех пор, пока загоревшийся участок не отключен от сети?

Ответ: Вода хороший проводник электрического тока.

6.Для чего рукоятки инструментов, которыми пользуются сварщики, покрывают резиной?

Ответ: Резина изолятор, поэтому предохраняет от поражения током.

7. Почему иногда сильно греются выключатели, розетки, вилки. Какие последствия может иметь это явление?

Ответ: Вследствие плохого контакта, выделяется большое количество теплоты или при перегрузке сети. Может вызвать пожар.

8. Почему в сырых помещениях возможно поражение человека электрическим током, даже если в том случае, если он прикоснется к стеклянному баллону электрической лампочки?

Ответ: Стеклянный баллон электрической лампочки, покрытый слоем влаги, проводит электрический ток, который при определенных условиях может вызвать поражение человека.

9.Высокое напряжение необходимо при «зажигании» дуги, в дальнейшем ток поддерживается при низком напряжении. Откуда берутся свободные электрические заряды при горении дуги?

Ответ: Свободные заряды создаются за счет ионизации и термоэлектронной эмиссии.

10.Почему по правилам пожарной безопасности нельзя включать одновременно в сеть электроприборы с суммарной мощностью, превышающей расчетную для цепи?

Ответ: При включении в сеть приборов с суммарной мощностью, превышающей расчетную, ток в соединительных проводах и контактах достигает опасного значения. Это приводит к перегреву проводов, контактов, а следовательно, к пожару.

11.Какими свойствами должны обладать провода плавкого предохранителя?

Ответ: Проволока в предохранителе должна быть тонкой и легкоплавкой. (лучше из свинца).

12.С какой целью корпуса электродвигателей и электрических щитков заземляют?

Ответ: При заземлении корпуса потенциал на нем близок к нулю, поэтому прикосновение к корпусу безопасно.

13. Назовите правила, которые необходимо помнить при работе с электрическим током.

Ответ:

1. опасно прикасаться одновременно двумя руками к двум оголенным проводам.

2. Опасно прикасаться к оголенному проводу стоя на земле, на сыром полу или на цементном полу.

3.Опасно пользоваться неисправными электрическими приборами.

4.Нельзя собирать, разбирать и исправлять что-либо в электрическом приборе, не отключив его от источника тока.

5. Нельзя производить какие либо операции с электрической аппаратурой, не отключив ее от сети.

14.Пламя электрической дуги безвредно для зрения, если дуга горит в воде. Почему?

Ответ: Вода поглощает УФ лучи.

15.Почему выбор прозрачности стекла в щитках сварщика зависит от режима сварки?

Ответ: Стекло не пропускает УФ лучи и защищает глаза сварщика. В зависимости от режима сварки, мощность излучения меняется, поэтому подбирают стекло определенной прозрачности.

Блиц - турнир

1. Назовите ученых изобретателей сварки.

2. Что называют сваркой?

3. В чем заключается физическая сущность дуговой сварки?

4. Назовите физические процессы, обеспечивающие устойчивость дугового разряда.

5. Напряжение необходимое для зажигания дуги.

6. Чему равна сила тока и напряжения при горении?

7. Чему равна температура дуги?

8. Как называется процесс образования электронов и ионов?

9. Как называется прохождение электрического тока через газы?

10. Как называется явление испускания электронов из нагретого электрода?

11. От чего зависит стабильность горения дуги.

12. Какие силы стремятся оторвать каплю электродного металла от электрода?

13. Какие силы придают капле форму шара?

14. Что называют магнитным дутьем?

15. На каком токе магнитное дутье не наблюдается?

16. Назовите излучения, выделяемые электрической дугой.

17. Почему необходима защита от излучения при дуговой сварке?

Список литературы:

1. Г.Я.Мякишев. учебник 10, 11 кл. Москва. «Просвещение», 2014 г.

2. Абанкина Д. М. Сборник задач по физике для металлообрабатывающих профессий. М.: Высшая школа, 1990.

3. Геворкян В. Г. Основы сварочного дела. М.:Высшая школа, 1991.

4. Демкович В. П., Сборник задач по физике для ПТУ. М.: Просвещение,2012.

5. Кабардин О. Ф., Факультативный курс физики. М: Просвещение, 1974.

6. Ландсберг Г. С., Элементарный учебник физики, 3 т. Просвещение,1990.

7. Стеклов О. И Основы сварочного производства. М.: Высшая школа, 1991.

8. Соколов И. И., Газовая сварка и резка металлов. М.: Высшая школа, 1992 .

9. Ченобытов А. М., Марон А. Е., Сборник задач и упражнений по физике для энергетических профессий. М.: Высшая школа,1990.

10. Чижова Т. А. Физика для технических колледжей. Учебное пособие. Ростов на Дону, «Феникс», 2010.

11. Энциклопедический словарь юного техника.

12. Коган Л. М., Пинский А. А., Задачи по физике с профессиональной направленностью. Всесоюзный научно - методический центр, . Москва 1992

13. Программно-методические материалы. Физика 7-11 класс. Дрофа, М. 2001 .

Содержание

Пояснительная записка……………………………………….3

ОК специалиста сварочного производства………………….4

Студент должен знать, уметь…………………………………5-6

Содержание материала………………………………………..7-22

Инструментарий……………………………………………….23-31

Задачи…………………………………………………………..32-34

Методы контроля сварных швов……………………………..35

Викторина……………………………………………………...36-38

Блиц-турнир…………………………………………………...39

Список литературы……………………………………………40

Студенты группы № 41

специальности 22.02.06 Сварочное производство

46