Устройство для пайки и сварки металлических деталей

XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Устройство для пайки и сварки металлических деталей

Бойко В.А. 1Степанова А.А. 1Чудиновских Д.В. 1
1ГБОУ Гимназия 177 Красногвардейского района Санкт-Петербурга
Картуков А.Г. 1
1ГБОУ Гимназия 177 Красногвардейского района Санкт-Петербурга
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Без сомнения, все наше знание начинается с опытов.

(Эммануил Кант. Немецкий философ 1724-1804г.г)

В 5 классе мы начали изучать на внеурочной деятельности новый для нас и очень интересный предмет – физика.

С самого начала это предмет нам показался сложным со множеством определений, терминов, формул, формулировок и законов. Источником знаний для изучения физики, как мы поняли со временем, является практическая деятельность: наблюдения, экспериментальное исследование явлений природы, производственная деятельность.

В этом году мы продолжили познавать мир физики и нам предстояло изучить тепловые и электрические явления.

Мы уже знали, что правильность физических знаний проверяется экспериментом, использованием научных знаний на практике и попытались поставить перед собой цель сразу проверять получаемые теоретические знания на опытах, а полученные практические навыки применить для создания чего-то нового.

Изучая тепловые явления, мы поняли, что они окружают нас всегда и везде: дома, на улице, в гимназии, днем, ночью, зимой и летом. Мы узнали, что такое температура, что происходит с телом при нагревании и охлаждении, сколько теплоты потребуется для нагревания тела до заданной температуры, до каких пор можно нагреть тело, что происходит с телом при плавлении и отвердевании. Можно ли сделать такое устройство, которое бы позволило разогреть тело до такой температуры, что оно расплавилось?

Начав изучать электрические явления, мы познакомились понятиями электрический ток, источники тока, магнитным, тепловым и химическим действиями электрического тока, и узнали, что с помощью тока можно нагревать тела. Это и стало обоснованием актуальности нашей работы, которая заключается в том, чтобы определить до какой температуры можно разогреть тело электрическим током, существуют ли такие тела и из чего они изготовлены, можно ли расплавить такое тело, что бы можно было его припаять или приварить к другому телу.

Исходя из этого, целью проекта является – разработать устройство для пайки и сварки металлических деталей на основе угольного электрода солевой батареи гальванических элементов.

Научная гипотеза заключается в том, что с помощью угольного электрода, который можно получить в результате разборки гальванического элемента солевой батарейки, возможно разогреть металл до температуры плавления с целью дальнейшего его соединения с другим металлом такой же температуры или меньшей.

Задачи, которые нам предстоит решить:

1. Сбор и анализ информации о тепловых характеристиках металлов, особенностях пайки и сварки металлов.

2. Изучение устройства солевого гальванического элемента.

3. Подбор экспериментального оборудования и разработка устройства для пайки и сварки металлических деталей.

4. Разработанное устройство для пайки и сварки металлических деталей в действии.

На защиту выносится:

  • теоретическое обоснование возможности разогрева металла до температуры плавления с целью дальнейшего его соединения с другим металлом такой же температуры или меньшей;

  • разработанное устройство для пайки и сварки металлических деталей.

1. Сбор и анализ информации о тепловых характеристиках металлов, особенностях пайки и сварки металлов

Свою работу мы начали с анализа тепловых характеристик металлов.

Мета́ллы – это группа химических элементов, обладающих в виде простых веществ при нормальных условиях характерными металлическими свойствами, такими как высокие тепло- и электропроводность, высокая пластичность, ковкость и другими.

При изучении тепловых характеристик металлов наибольший интерес и важность для нашего исследования получила температура плавления.

Рисунок 1 – Температура плавления некоторых веществ

Температуры плавления чистых металлов лежат в диапазоне от −39 °C (ртуть) до 3390 °C (вольфрам). Температура плавления большинства металлов (за исключением щелочных) высока, однако некоторые металлы, например, олово и свинец, как мы выяснили, могут расплавиться на обычной электрической или газовой плите. Следующие вопросы, которые нас заинтересовали: «Чем отличается процесс сварки и пайки металлов? Можно ли разогреть до температуры плавления олово с использованием угольного электрода?»

Сварка – это механическое соединение деталей, путём прогрева стыка до температуры плавления металла, с последующим внесением присадочного материала в область сварочного шва, так же нагретого до температуры плавления [1, 8].

Пайка – это механическое соединение деталей без плавления соединяемых кромок, но с плавлением присадочного материала, т. е. припоя. Другими словами, кромки соединяемых деталей не оплавляются, а плавится только присадка, или припой [1, 2].

Поэтому разогрев металл до высокой температуры возможно провести сварку одинаковых металлов или спаять металлы с высокой температурой плавления при помощи припоя, который имеет меньшую температуру плавления.

Почему для этого можно использовать угольный электрод? Уголь плохо проводит электрический ток, т. е. обладает большим электрическим сопротивлением, поэтому в угольных электродах при прохождении тока выделяется значительное количество тепла [3]. Значит мы можем изготовить устройство на основе угольного электрода, пропустить через него электрический ток, и в месте контакта этого электрода с металлом получить высокую температуру, которая позволит расплавить металл, например, олово. А с помощью такого приема можно сварить оловянные детали или использовать олово в качестве припоя для пайки металлов с большей температурой плавления, например, медные, цинковые или алюминиевые.

2. Изучение устройства солевого гальванического элемента

Угольный электрод можно получить в результате разборки гальванического элемента солевой батарейки, для этого нам пришлось изучить ее устройство.

Гальванические элементы часто называют батарейками, однако это название неверно, т.к. батареей является соединение нескольких одинаковых устройств. Например, при последовательном соединении трех гальванических элементов образуется широко используемая батарейка [4].

Рисунок 2 – Батарея гальванических элементов

Гальванический элемент – это химический источник электрического тока, в котором происходит непосредственное преобразование химической энергии в электрическую [5].

Принцип действия гальванического элемента основан на взаимодействии двух металлов через электролит, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока, а его устройство представлено на рисунке 3 [6, 7].

Рисунок 3 – Гальванический элемент

3. Подбор экспериментального оборудования и разработка устройства для пайки и сварки металлических деталей

Для разборки гальванического элемента солевой батарейки и изготовления предлагаемого устройства нам были необходимы специальная одежда и средства для защиты рук и глаз, следующие инструменты, приспособления и оборудование:

  • слесарные тиски;

  • мини-дрель с насадками;

  • комплект слесарного инструмента;

  • рукоятка от слесарного инструмента;

  • большая дрель со сверлами;

  • электрический провод;

  • зажимы типа «крокодил»;

  • источник питания напряжением 0-12-36 вольт;

  • набор приспособлений для пайки.

а) б) в)

г) д) е)

Рисунок 4 – Оборудование для проведения эксперимента

а – тиски, б – дрель со сверлами, в – минидрель с насадками, г – слесарный инструмент, д – источник питания, е – приспособления для пайки

После того, как было подобрано все необходимое оборудование, нами был составлен план эксперимента, который включал:

  • разборку батареи гальванических элементов;

  • разборку гальванического элемента, извлечение угольного электрода;

  • очистка угольного электрода от продуктов электролита, заточка электрода;

  • высверливание отверстия в рукоятке под электрод;

  • подготовка и зачистка электропроводов;

  • установка зажимов типа «крокодил» на электропровода;

  • сборка устройства;

  • подключение устройства к источнику питания;

  • опробование устройства в действии.

Эксперимент проводился с соблюдением требований безопасности при выполнении работ в строгом соответствии с планом. Основные этапы представлены на рисунках 5-10.

Рисунок 5 – Разборка батареи гальванических элементов

Рисунок 6 – Разборка гальванического элемента, извлечение угольного электрода

Рисунок 7 – Очистка угольного электрода от продуктов электролита, заточка электрода

Рисунок 8 – Высверливание отверстия в рукоятке под электрод

Рисунок 9 – Установка зажимов типа «крокодил» на электропровода и сборка устройства

В результате нашей совместной дружной работы нам удалось разработать устройство для пайки и сварки металлических деталей, оставалось только подключить его к источнику питания, опробовать в действии и с его помощью выполнить работы по сварке и пайке металлов.

4. Разработанное устройство для пайки и сварки металлических деталей в действии

Исходя из того, что мы уже знали, отличие сварки от пайки, мы решили сначала выполнить с помощью разработанного нами устройства сварочные работы, разогрев небольшие кусочки олова до температуры плавления. Подключив устройство к источнику питания и установив на нем напряжение 12 вольт, у нас получилось сварить два небольших кусочка оловянной проволоки (рисунок 11).

Рисунок 11 – Подключение устройства к источнику питания и опробование устройства в действии

После того как у нас получилось сварить кусочки оловянной проволоки, мы подготовили медные и алюминиевые детали, чтобы попробовать спаять их, а в качестве припоя использовать оловянную проволоку. Результаты работы представлены на рисунке 12.

Рисунок 12 – Подключение устройства к источнику питания и опробование устройства в действии

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучать физику – значит изучать Вселенную.

Самые известные физики в истории получили признание благодаря великолепному вкладу, внесенному их исследованиями и теориями, без которых мир не был бы таким, каким мы его знаем сегодня, но любое теоретическое исследование должно быть проверено экспериментом.

Физические опыты в занимательной форме знакомят учащихся с разнообразными применениями законов физики.

В своей работе нам удалось на основе теоретических данных о тепловых характеристиках металлов, общем устройстве гальванических элементов, создать устройство для пайки и сварки металлических деталей и помощью эксперимента проверить справедливость выдвинутой гипотезы доказав, что с помощью угольного электрода, который можно получить в результате разборки гальванического элемента солевой батарейки, возможно разогреть металл до температуры плавления с целью дальнейшего его соединения с другим металлом такой же температуры или меньшей.

С помощью разработанного устройства удалось сварить небольшие кусочки оловянной проволоки и спаять медные и алюминиевые детали, используя в качестве припоя оловянную проволоку.

 

Рисунок 13 – Спаянные и сваренные металлические детали

Таким образом, цель, поставленная в начале работы - разработать устройство для пайки и сварки металлических деталей на основе угольного электрода солевой батареи гальванических элементов достигнута.

Все поставленные задачи решены.

О том, что физика наука молодая

Сказать определённо, здесь нельзя

И в древности науку познавая,

Стремились постигать её всегда.

Цель обучения физики конкретна,

Уметь на практике все знания применять.

И важно помнить – роль эксперимента

Должна на первом месте устоять.

Список использованных источников и литературы

  1. ГОСТ 17325-79 «Пайка и лужение. Основные термины и определения»

  2. ГОСТ Р ИСО 857-2-2009 «Сварка и родственные процессы. Словарь. Часть 2. Процессы пайки. Термины и определения»

  3. Богатин Г., Пионтковский Б. Гальванические элементы и батареи различного назначения. // «Радио», 1955, № 7, с. 55-56

  4. ГОСТ 15596-82 Источники тока химические. Термины и определения

  5. Батарея электрическая // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). - СПб., 1890-1907.

  6. https://urok.1sept.ru/articles/524485 (17.01.2024)

  7. https://bigenc.ru/c/eksperiment-509478 (20.01.2024)

  8. https://www.tutorialspoint.com/difference-between-welding-and-soldering

Просмотров работы: 40