Неровный В.М. - Теория сварочных процессов, страница 12

На нагрев проплавляемой зоны до температуры плавления и перевод ее в жидкое состояние расходуется только часть Ч' эффективной тепловой мощности источника Ч. Остальная теплота (Ч вЂ” Ч') затрачивается на перегрев сварочной ванны выше Тпп и нагрев основного металла, окружающего сварочную ванну. Эти бесполезные (с точки зрения образования сварного соединения) потери теплоты практически неизбежны при сварке вследствие сосредоточенного характера источника теплоты и значительной теплопроводности основного металла.

Термический КПД представляет собой отношение «полезной» мощности Ч' к эффективной мощности источника теплоты Ч: пгпрРА(Чпл г(! Ч Ч г' АР пп Ч ю 'Р ( пп н) — =0,368. (7.38) Ч еср(1пп — Тн )) Ч Для схемы мощного быстродвижущегося линейного источника теплоты в пластине предельное значение ~, составляет 11 пе = 0,484. При сварке швов, образуемых преимущественно наплавленным металлом, тепловую эффективность процесса наплавки характеризуют полным тепловым КПД процесса наплавки: огн РАОпп г(н (7. 39) где г' — площадь сечения наплавленного металла; Ш вЂ” полная тепн ловая мощность сварочного источника. 7.4.

Нагрев и плавление присадочного металла Термические циклы в присадочном металле не имеют самостоятельного значения, так как в конечном итоге присадочный металл подвергается переплавке. Изучение нагрева присадочного металла и распределения температур позволяет оценить условия, в которых происходит его плавление.

Исследование процесса нагрева электродов, имеющих покрытия, имеет важное значение для определения возможной потери свойств и разрушения покрытия вследствие его перегрева. ЛΠ— приращение энтальпии расплавленного металла при где пп , нагреве до температуры плавления, включающее скрытую теплоту плавления. При расплавлении металла массивного тела точечным источником теплоты термический КПД ~, выше у мощных дуг, перемещающихся с большой скоростью, и может достигать предельного значения 0,368. Это значение можно получить из выражения (7.33), если учесть, что в рамках классической теории распространения теплоты при сварке приращение энтальпии ЛНп = с(Тпл -Тн): 264 265 7.4.1. Первая схема нагрева При первой схеме нагрева в общем случае (рис.

7.7) электрод конечной длины имеет в точке А токоподвод. По электроду протекает ток, который его подогревает; в точке О электрод дополнительно нагревается источником теплоты — дугой (рнс. 7.7, а) или А шлаком (рис. 7.7, б) и плавится. Рассмотрим отдельно процесс нагрева электрода протекающим током. Уравнение теплового баланса элементарного участка сй стержня площадью сечения Р имеет вид а б Рис. 7.7.

Схемы на- Левам часть УРавнениЯ (7.40) пРедставлЯет гревв электрода ко- собой накопление теплоты в элементе стержнечной длины: ня: а — при ручной дуговой сварке штучным электродом; б — при эвевтрпшпвковой сварке пластинами и!Д = срРдхг)Т. (7.41) Первый член правой части уравнения (7.40) выражает количество теплоты сфэ выделяе- Ь 266 Все случаи нагрева присадочного металла (электрода) можно разделить в основном на две схемы: !) присадочный стержень (электрод) имеет конечную длину, и при этом место токоподвода относительно электрода не перемещается; 2) присадочный стержень (электрод) бесконечен, при этом электрод перемещается относительно места токоподвода (если таковое имеется).

Первая схема применяется при ручной дуговой сварке штучными электродами, электрошлаковой сварке пластинами, электрошлаковом переплаве, электрошлаковой сварке плавящимся мундштуком (по отношению к мундштуку), газовой или дуговой сварке с присадкой, сварке неплавящимся электродом (по отношению к вольфрамовому или угольному электроду). Вторая схема нагрева характерна для механизированной сварки плавящимся электродом, электрошлаковой сварки проволоками, сварки неплавящимся электродом с механизированной подачей присадочной проволоки в зону горения дуги (по отношению к присадочной проволоке). мой в элементе стержня от прохождения тока 1 в течение времени ; яу й, Согласно закону Джоуля — Ленца (7.42) ИД =Т ИЯй, где сИ вЂ” сопротивление участка проводника длиной с(х, которое можно выразить через его площадь сечения Р' и удельное сопротивление материала и: (7.43) Второй член правой части уравнения (7.40) выражает потери теплоты сфп в окружающую среду с поверхности стержня с периметром сечения р: = и(Т вЂ” Т,)рс(хсзр.

(7.44) Подставляя выражения (7.41) — (7.44) в уравнение теплового баланса (7.40) и сокращая обе части на срЬс(хэй, получаем дифференциальное уравнение процесса нагрева проводника проходящим током: хг 2 — = — — ! — — (Т вЂ” Т,3)= — — Ь(Т вЂ” Тс)), (7.45) 4Т г(7 ' ар ~7 сй ср( Е! срГ ср где у' — плотность тока; Ь вЂ” коэффициент температуроотдачи стержня. Следует отметить, что входящие в уравнение (7.45) удельное сопротивление и, объемная теплоемкость ср и коэффициент поверхностной теплоотдачи а зависят от температуры, поэтому достаточно хорошее приближение к точному решению уравнения (7.45) можно получить только методами компьютерного моделирования.

Влияние нагрева электрода теплотой дуги сказывается только в непосредственной близости от расплавляемого торца электрода (рис. 7.8). Быстрый спад температуры впереди дуги обусловлен значительной скоростью ее перемещения. Распределение температуры Т(х) в электроде вблизи дуги описывается уравнением (6.29) предельного состояния процесса распространения теплоты от подвижного плоского источника в стержне.

Учитывая, что температура 267 Ти 7.4.2. Вторая схема нагрева ту~ (з — х) ЬТт(х) = — —. ср спп (7.47) 268 269 а б в Рис. 7.8. Распределение температуры вдоль оси электрода прн первой схеме нагрева: а — при ручнси сварке и малом времени нагрева й, б — при ручной сварке и значи- тельном времени нагрева зз, е — при эяектрошяаковой сварке пластинами на торце электрода равна температуре капель расплавленного ме- тыла Тк, уравнение 6.29 для области впереди источника, т. е. при х > О, можно записать в виде: Т(х) = Т„+сзТт+(Тк — Ти — ЬТт)ехр — —, (7 46) а у' где ЬТт — приращение температуры от подогрева электрода протекающим током; и — скорость плавления электрода.

Таким образом, при первой схеме нагрева распределение температур вдоль большей части длины электрода является равномерным и определяется тепловыделением, обусловленным протеканием тока (см. рис, 7.8). Чтобы избежать чрезмерного нагрева электродов, приводящего к разрушению или потере свойств их защитного покрытия, ограничивают сварочный ток. Допустимый ток в основном зависит от состава покрытия электрода. Для электродов с органическим покрытием допустимый ток значительно меньше, чем для электродов с минеральным покрытием.

При дуговой или электрошлаковой сварке с механизированной подачей электродной проволоки (рис. 7.9) ее нагрев также осушествляется двумя источниками теплоты — проходяшим током (» ) и 7т Рис. 7.9. Нагрев электродной проволоки при механизированной подаче: а — распределение температур при дуговой сварке; б — схема действия источников теплоты в проволоке при дуговой сварке; в — распределение температур при электрошяаковой сварке проволоками; г — схема действия источников теплоты в проволоке при эяектрошпаковой сварке дугой (д, рис. 7.9, 6) или шлаковой ванной (с)ш, рис.

7.9, г). Длина нагреваемой части при этом остается постоянной и равной вылету электрода 7. Ввиду высокой скорости подачи проволоки влияние нагрева теплотой дуги или шлаковой ванны сказывается только в непосредственной близости от расплавляемого торца электрода. В отличие от первой схемы нагрева распределение температур при нагреве проходящим током в вылете движущегося со скоростью подачи опп электРода не ЯвлЯетсЯ РавномеРным. Это обстоЯ- тельство связано с тем, что время нагрева произвольного сечения зависит от его положения (координаты х).

Так, непосредственно у токоподвода (х = )) электрод имеет начальную температуру Тн, а на расстоянии х' = з' — х от токоподвода сечение испытывало нагрев проходящим током в течение времени Р .= х'Фпп. Используя выражение (7.45) и пренебрегая теплоотдачей с поверхности (Ь = 0), а также тепловым потоком в направлении оси электрода, получаем линейное распределение приращений температуры по длине электрода: Т(1) = Ти + — —. г1' ! ср г/пп Л/и а р 1А/' (7.52) (7.48) э)э~~ = аг Р(АНи цНп ) (7.

50) Чэ(11 Ь̈́— АНп (7.51) 271 270 Таким образом, в результате подогрева в вылете электрода протекающим током при приближении к расплавляемому теплотой дуги торцу электрода металл уже подогрет до температуры С учетом полученных выражений распределение температур в электроде при второй схеме нагрева (см. рис. 7.9) может быть описано выражением Т(х) = Ти " Ыт(х)+[Тк Ти Ыт(/)')ехР— — (7 49) а 7.4.3. Производительность расплавления электрода Плавление электродов при дуговых способах сварки осуществляется в результате нагрева металла дугой от температуры подогре- ваТ„= Т„+ /зТт до температуры капель Т„. Приращение энтальпии материала электрода при этом составляет ЛН = ЬНи — ЛНп.

Прирав- нивая количество теплоты дЫ, вводимое дугой в электрод, к коли- честву теплоты, необходимому для расплавления массы оР'рЛ/ ме- талла, получаем уравнение процесса плавления электрода: где з)э — эффективный КПД нагрева электрода дугой; о — скорость плавления электрода. Мгновенная массовая скорость расплавления электрода д = ог р при постоянных значениях э)э и (1 зависит от энтальпии ЬНп подо~рето~ о током металла и силы сварочного тока: Если нагрев электрода током незначителен, то производительность его расплавления примерно пропорциональна силе сварочного тока.

В сварочной технике производительность расплавления электрода обычно характеризуют коэффициентом расплавления ар, г/ (А. ч), который определяется как отношение массы расплавившейся час- ти электрода Лпт к произведению силы сварочного тока 1 и време- ни горения дуги Л/: При ручной дуговой сварке штучными стальными электродами и ж 8...15 г/(А ч), причем производительность расплавления возрастает к концу расплавления электрода вследствие нагрева его током. Неравномерность расплавления электрода при правильно выбранном режиме сварки обычно не превышает 20...30 Ъ. При механизированной подаче проволоки с постоянным вылетом скорость расплавления проволоки, равная скорости ее подачи ~ „, определяется силой тока и вылетом электрода.