Сварка и методология научных исследований

Введение 
 

1 

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Р. А. Мейстер, А. Р. Мейстер 
 
 
СВАРКА  И  МЕТОДОЛОГИЯ 
 НАУЧНЫХ  ИССЛЕДОВАНИЙ 
 
Лабораторный практикум 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2016 

Введение 
 

2 

УДК 621.791(07) 
ББК 30.616я73 
         М459 
 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы: В. Л. Корниенко, доктор химических наук, заведующий лабораторией электросинтеза Института химии и химической 
технологии Сибирского отделения РАН; 
А. М. Лепихин, доктор технических наук, заместитель директора по 
научной работе СКТБ «Наука» КНЦ СО РАН  
 
 
 
 
 
 
 
 
Мейстер, Р. А.  
М459            Сварка и методология научных исследований : лаб. практикум / 
Р. А. Мейстер, А. Р. Мейстер. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2016. – 
148 с. 
ISBN 978-5-7638-3423-9 
 
Приведены лабораторные работы по сварке на малых токах неплавящимися и плавящимися электродами при питании дуги от однофазного выпрямителя с конденсаторным умножителем напряжения, потребляющим в 1,5–2 раза 
меньше энергии в сравнении с традиционными и не больше, чем инверторные; 
плазменно-порошковой наплавке плазмотроном с безосцилляторным зажиганием 
плазменной дуги. 
Рассмотрено зажигание дуги на токах 1–15 А неплавящимися и плавящимися электродами и особенности горения трехфазной дуги плавящимися электродами. 
Предназначен для студентов направления 150700 «Машиностроение 
(15.03.01, 15.04.01) при изучении дисциплин «Методология научных исследований», «Технологические основы сварки плавлением и давлением», «Новые способы сварки». 
 
Электронный вариант издания см.: 
http://catalog.sfu-kras.ru 
УДК 621.791(07) 
ББК 30.616я73 
 
ISBN 978-5-7638-3423-9                                                            © Сибирский федеральный  
                                                                                                          университет, 2016 

Введение 
 

3 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
 
Сварочное оборудование и сварочные технологии постоянно совершенствуются. Современные научно-технические задачи требуют от специалиста глубочайших знаний и опыта в той области деятельности, которой 
он себя посвятил. 
Важную роль в процессе подготовки специалистов играют лабораторные работы, при выполнении которых используются новые достижения 
в сварочных процессах. 
В практикуме приведены лабораторные работы по результатам исследований авторов. Указаны сведения об измерении электрических параметров режимов сварки, методике осциллографирования и киносъемки дуги. 
Исследуются сварочно-технологические показатели однофазного 
выпрямителя с конденсаторным умножителем напряжения, потребляющим 
в 1,5–2 раза меньше электроэнергии в сравнении с традиционными и не 
больше, чем инверторные. При питании дуги от данного источника дуга 
горит покрытыми электродами, неплавящимися электродами в аргоне, азоте, гелии, а также угольными электродами в воздухе током более 1 А, что 
позволяет сваривать металл толщиной 0,05 мм и более. 
В защитных газах дуга зажигается плавящимся электродом без длительных коротких замыканий. В углекислом газе, аргоне, азоте дуга горит 
при силе тока более 12–15 А на обратной полярности, что позволяет сваривать металл толщиной более 0,35 мм. На прямой полярности малоуглеродистыми и аустенитными проволоками формируются швы током более 
12–15 А. 
Переход каплями среднего и крупного размера не сопровождается 
повышенным разбрызгиванием. 
Наплавка тремя электродами на постоянном токе и трехфазной дугой 
позволяет уменьшить долю участия основного металла в наплавленном не 
более 5–8 %. 
Приведены сведения о выборе режимов плазменно-порошковой наплавки и наплавки трехфазной дугой. 
Практикум предназначен для студентов, а также может быть полезен 
инженерно-техническим работникам, занятым в сварочном производстве.

Л а б о р а т о р н а я  р а б о т а  1 
 

4 

Л а б о р а т о р н а я  р а б о т а  1 
 
ОБРАБОТКА  РЕЗУЛЬТАТОВ 
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ  ИССЛЕДОВАНИЙ 
 
 
Цель работы: вычислить действительное значение измеренной величины и оценить возможные ошибки. 
 
 
Краткие теоретические сведения 
 
В научных исследованиях, технике и массовом производстве мы часто 
встречаемся с опытами, операциями или явлениями, многократно повторяющимися в неизменных условиях. При этом, несмотря на постоянство 
основного комплекса условий, с возможной тщательностью воспроизводимых в отдельных опытах, результаты их всегда более или менее разнятся, т. е. они испытывают случайное рассеивание. Классическим примером 
могут служить измерения каких-либо величин (тока, напряжения, мощности и т. д.). Давно известно, что при повторении измерений одного и того 
же объекта, выполняемых с помощью одного и того же измерительного 
прибора и с одинаковой тщательностью, мы никогда не получаем одинаковых данных. 
При всех измерениях мы неизбежно допускаем некоторые ошибки 
(погрешности). Анализ вопросов, связанных с возникновением ошибок измерений, приводит к выводу о том, что ошибки можно разделить на грубые 
(промахи), систематические и случайные. 
Источником грубых ошибок является недостаток внимания экспериментатора. Для устранения промахов нужно соблюдать аккуратность            
и тщательность в работе и записях наблюдателя. Такие ошибки не подчиняются никакому закону; их можно устранить, если производящий измерения проявляет большое внимание, а также тщательно проверяет результаты измерений. 
Систематические ошибки появляются при повторных измерениях. 
Возникают они чаще всего ввиду неисправности измерительных приборов 
или неточности самого метода измерений. Систематические ошибки всегда 
односторонне влияют на результаты измерений. 
Случайные ошибки возникают вследствие самых различных субъективных и объективных причин: изменения напряжения в сети (при электрических измерениях), температуры в процессе измерений, плохое освещение шкалы прибора, возбужденное состояние работающего и др. Все 

эти пр
величи

И

зя, но 
но. За
Матем
предел

Р
я
у
и

П

Площа
роятно
В сред
дают в
вероят

Т

более 
числов

И

группи
которо
истинн

ричины п
ины дают
Исключи
оценить 
акономерн
матически
ления Гау

Рис. 1.1. Н
ятности по
условий ве
измеряемо

Площадь 
адь, отвеч
ость попа
днем доля
в рассмат
тности, пр
Таким об
и более у
вой оси и
Из рис. 1
ироваться
ому (при 
ная велич

Обработка

приводят 
т различны
ть случай
ошибки, 
ность рас
и она опи
усса, пока

Нормальная
олучения р
еличина, х
й величины

под норм
чающая к
адания слу
я (или пр
триваемы
ритом тем
бразом, с
устойчиво
измеряемо
.1 видно, 
я около н
отсутств
чина изм

а результатов

к тому, ч
ые резуль
йные оши
с которы
спределен
исывается
азанной н

я кривая ра
результатов
характеризу
ы (при отсу

мальной кр
какому-ли
учайного
роцент) и
ый интерв
м точнее, 
с ростом 
ое и закон
ой величи

что осно

некоторог
ии систем
еряемого

в эксперимен

что неско
ьтаты. 
ибки, возн
ыми получ
ния случ
я так назы
на рис.1.1.

спределени
в измерени
ующая точ
утствии сис

ривой Гау
ибо интер
о результа
или часто
вал, прибл
чем боль
числа из
номерное
ины. 
овная мас
го центра
матически
о объекта

нтальных исс

олько изм

никающи
чен тот ил
айных ош
ываемой н
.

ия. Площад
ий; σ – по
чность изме
стематичес

усса прин
рвалу оси 
ата измер
та тех из
лиженно 
ьше общее
змерений 
 размеще

са получа
ального и
их ошибо
. Отклоне

следований 

мерений о

ие при изм
ли иной р
шибок хо
нормальн

ди под кри
стоянная д
ерений; α 
ских ошибо

нимается р

абсцисс,
ения в да
змерений,

соответс
е число и
будет на

ение масс

аемых рез
ли средн
ок) отвеча
ения в ту

одной и т

мерениях
результат
орошо из
ной криво

ивой – веро
для данных
– значения
ок) 

равной ед
 изображ
анный инт
, которые
ствует вел
измерений
аблюдать
ы измере

зультатов
его значе
ает неизв
у или в д

5 

той же 

х, нельт, можзучена. 
ой рас
 

ох
я

динице. 
жает ве
тервал. 
е попаличине 
й. 
ься все 
ений на 

в будет 
ения α, 
вестная 
другую 

Л а б о р а т о р н а я  р а б о т а  1 
 

6 

сторону от этого центра будут происходить тем реже, чем больше абсолютная величина таких отклонений. Точный закон убывания вероятностей 
по мере роста абсолютной величины отклонения имеет довольно сложный 
характер, однако в общих чертах описывается приведенным на рис. 1.1 
графиком [1]. 
На участке от α – σ до α + σ (σ – определенное для данных условий 
измерений положительное число, характеризующее точность измерений        
и называемое средним квадратическим отклонением) оказывается в среднем доля, равная 0,6827 (68,27 %) всей массы произведенных повторных 
измерений. В границах вдвое более широких (α – 2σ; α + 2σ) размещается          
в среднем 0,9545 (95,45 %) всех измерений, а на участке (α – 3σ; α + 3σ) – 
уже 0,9973 (99,73 %), так что за трехсигмовые пределы выходит лишь 
0,0027 (0,27 %) всего числа измерений. 
Среднее квадратичное отклонение определяется по формуле 

2
2

1
σ
(
)
(
1),

n

i
i
X
X
/ n






 

где n  – число измерений; X  – среднее арифметическое из полученных 
значений измерений. 
Учитывая, что в процессе экспериментов возможны значительные 
отклонения измеряемых величин от средних значений, необходимо убедиться, что отсутствуют грубые ошибки. Наиболее простым способом исключения из ряда резко выделяющегося измерения является правило трех сигм: 
разброс случайных величин от среднего значения не должен превышать 

max, min
3σ
X
X


. 

Если известен закон распределения случайных погрешностей, можно 
определить вероятность появления погрешности, не выходящей за некоторые принятые границы. Этот интервал называют доверительным интервалом, а характеризующую его вероятность – доверительной вероятностью. 
Для нахождения границы доверительного интервала при количестве 
измерений менее 20 применяют метод, предложенный Стьюдентом. 
В этом случае при нормальном законе распределения для определения доверительного интервала нужно воспользоваться коэффициентами 
Стьюдента αст, которые зависят от задаваемой доверительной вероятности 
Рд и количества измерений n (табл. 1.1). 
Для малой выборки доверительный интервал 

ст
0
ст
μ
σ
α


 

где αст – коэффициент Стьюдента, принимаемый по табл. 1.1 (в зависимости от значения доверительной вероятности Рд); σ0 – среднеарифметиче

Обработка результатов экспериментальных исследований 
 

7 

ское значение среднеквадратичного отклонения σ, равное 
0
σ
σ
n

. Полученное значение измеряемой величины 

д
ст
μ
X
Х


. 
 
Таблица 1.1 

Коэффициент Стьюдента αст 

n 
Рд

0,80 
0,90 
0,95 
0,99 
0,995 
0,999 

1 
2 
3 
4 
5 
6 

2 
3 
4 
5 
6 
7 

3,080 
1,886 
1,638 
1,533 
1,476 
1,440 
1,415 

6,31 
2,92 
2,35 
2,13 
2,02 
1,94 
1,9 

12,7 
4,30 
3,18 
2,77 
2,57 
2,45 
2,36 

63,7 
9,92 
5,84 
4,60 
4,03 
3,5 

127,3 
14,10 
7,50 
5,60 
4,77 
4,03 

637,2 
31,60 
12,94 
8,61 
6,86 
9,96 

9 
10 
12 

1,397 
1,383 
1,363 

1,86 
1,83 
1,80 

2,31 
2,26 
2,20 

3,36 
3,25 
3,11 

3,83 
3,69 
3,50 

5,04 
4,78 
4,49 

14 
16 
18 
20 
30 
40 
50 
60 
∞ 

1,350 
1,341 
1,333 
1,328 
1,316 
1,306 
1,298 
1,290 
1,282 

1,77 
1,75 
1,74 
1,73 
1,70 
1,68 
1,68 
1,67 
1,64 

2,16 
2,13 
2,11 
2,09 
2,04 
2,02 
2,01 
2,00 
1,96 

3,01 
2,95 
2,90 
2,86 
2,75 
2,70 
2,68 
2,66 
2,58 

3,37 
3,29 
3,22 
3,17 
3,20 
3,12 
3,09 
3,06 
2,81 

4,22 
4,07 
3,96 
3,88 
3,65 
3,55 
3,50 
3,46 
3,29 

Примечание. n – число параллельных серий опытов. 
 
П р и м е р. Значение сварочного тока было измерено 8 раз, при этом 
получены результаты: I1 = 116,2 А; I2 = 118,2 А; I3 = 118,5 А; I4 = 117 А;           
I5 = 118,2 А; I6 = 118,4 А; I7 = 117,8 А; I8 = 118,1 А. 
Среднеарифметическое значение тока  

1
2
8
ср
116,2 118,2 118,5 117 118,2 118,4 117,8 118,1 117 .
8
8
I
I
I
I
А













 

Остаточные погрешности отдельных измерений: ρ1 = I1–Iср = –16 A; 
ρ2 = 0,4 A; ρ3 = 0,7 A; ρ4 = –0,8 A; ρ5 = 0,4 A; ρ6 = 0,6 A; ρ7 = 0,0 A; ρ8 = 0,3 A. 
Среднеквадратичное отклонение 




2
2
2
1
2
8
ρ
ρ
ρ
σ
0,7486,
1
n






 

Л а б о р а т о р н а я  р а б о т а  1 
 

8 

0
σ
0,7486/ 8
0,26467.


 

По табл. 1.1 при 

д
0,95;
Р 
8
n 
 

ст
α
2,36;

 

ст
μ
0,265 2,36
0,625;



 

117,8
0,625A.
I 

 
 
Порядок выполнения работы 
 
После выполнения экспериментов вычислить действительное значение измеренной величины. 
 
Содержание отчета 
 
Привести расчет для определения действительного значения измеренной величины. 
 
Контрольные вопросы  
 
1. Какова классификация ошибок измерений? 
2. Что характеризует среднее квадратичное отклонение? 
3. Как называется наиболее простой способ исключения из ряда резко выделяющихся измерений? 
4. В каких случаях для определения доверительного интервала пользуются коэффициентами Стьюдента? 
5. Как определить действительное значение измеренной величины и 
оценить возможные ошибки? 
 
Библиографический список 
 
1. Смирнов, Н. В. Курс теории вероятностей и математической статистики для технических приложений / Н. В. Смирнов, Н. В. Дунин-Барковский. – М. : Наука, 1969. – 511 с. 
2. Основы научных исследований : учеб. для техн. вузов / В. И. Крутов, И. М. Грушко, В. В. Попов и др. – М. : Высш. шк., 1968. – 400 с. 
3. Электрические измерения: учеб. для техникумов / Р. М. Демидова – 
Панферова, В. Н. Малиновский, В. С. Попов и др. –  М. : Энергоиздат, 1983. – 
392 с. 

Электрические измерения в сварочных цепях 
 

9 

Л а б о р а т о р н а я  р а б о т а  2 
 
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ  ИЗМЕРЕНИЯ  
В  СВАРОЧНЫХ  ЦЕПЯХ 
 
 
Цель работы: изучить устройства для измерения постоянного и переменного тока, напряжения и активной мощности. 
 
Приборы и оборудование: сварочный выпрямитель, сварочный 
трансформатор, трансформаторы тока, шунт, амперметр для измерения тока 
в первичной сети, вольтметр для измерения напряжения в первичной сети, 
ваттметр, амперметры и вольтметры для измерения сварочного тока и напряжения дуги, балластный реостат, сварочные и соединительные провода. 
 
 
Краткие теоретические сведения 
 
По величине ошибок (погрешностей), которые могут произойти при 
измерении на электроизмерительных приборах (из-за неточности градуировки, влияния внешних полей и других причин), приборы делят на семь 
классов точности. Классы точности обозначаются числами 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 
1,5; 2,5; 4,0. Число класса точности показывает величину возможной относительной ошибки в процентах при отклонении стрелки прибора до последнего деления шкалы. Абсолютная ошибка прибора при любом отключении стрелки одинакова. Поэтому при меньших отклонениях стрелки относительная ошибка больше. Например, если у прибора класса точности 
0,5 вся шкала содержит 150 делений, то относительная ошибка при отклонении стрелки на все 150 делений составляет 0,5 %, а абсолютная ошибка 
равна 0,5 % · 150 = 0,005 · 150 = 0,75 делений. При отклонении стрелки на 
25 делений абсолютная ошибка снова составляет 0,75 деления, а относительная ошибка 

0,75
25 100 % = 3 %. 

Таким образом, для получения возможно меньших относительных 
ошибок при пользовании электроизмерительными приборами нужно добиваться достаточно большого отклонения стрелки, не меньше чем на половину шкалы. 
В сварочных процессах измеряют переменный и постоянный ток от 
одного ампера до нескольких тысяч. Для измерения переменного тока 

Л а б о р а т о р н а я  р а б о т а  2 
 

10 

применяют трансформаторы тока, которые предназначены для преобразования измеряемых переменных токов в относительно малые токи, обычно 
не превышающие 5 А. Во вторичную цепь трансформатора тока включают 
амперметры, последовательные обмотки ваттметров, счетчиков и других 
приборов (рис. 2.1). 
 

 
 
Рис. 2.1. Схема включения трансформатора тока для измерения сварочного 
тока: 1 – сварочный трансформатор; 2 – магнитопровод трансформатора тока; 3 – вторичная обмотка трансформатора тока; 4 – первичная 
обмотка трансформатора тока; I1 – сварочный ток; А – амперметр; V – 
вольтметр; Д – дуга 
 
Трансформатор тока состоит из стального шихтованного магнитопровода и двух изолированных обмоток. 
По первичной обмотке протекает сварочный ток I1, вторичная          
обмотка с большим числом витков замыкается на амперметр и токовые 
обмотки измерительных приборов. 
Вторичная обмотка работающего трансформатора тока всегда должна быть замкнута на токовые обмотки приборов или накоротко, так как           
в незамкнутой вторичной обмотке может индуцироваться ЭДС, достигающая опасных значений [1]. 
Отношение действительного значения первичного тока I1 к действительному значению вторичного тока I2 называется действительным коэффициентом трансформации трансформатора тока, т. е. k = I1 / I2. 
При известном коэффициенте k, измерив вторичный ток амперметром, определяем первичный ток: I1 = k · I2. Действительный коэффициент 
трансформации обычно не известен, так как он зависит от режима работы 
трансформатора тока, т. е. от измеряемого тока, значения и характера сопротивления вторичной внешней цепи и частоты тока. Вследствие этого 
пользуются представленным заводом на щитке трансформатора номинальным коэффициентом трансформации kн = Iн1 / Iн2, представляющим 
отношение собой   номинального первичного тока к номинальному вторичному току трансформатора. 

А 

V 

Д 

Ii 

1 

2 

3 

4