Тепловой баланс электрической дуговой сварки

Сварочные процессы в металле, определяющие производительность сварки и качество сварных соединений, протекают под действием тепла в условиях быстро меняющейся температуры. Пределы изменения температуры весьма широки: от начальной температуры детали минус 30-40° при сварке на морозе до температуры испарения металла (около 3000° для стали). При изменении температуры в этом интервале происходят различные процессы. К ним относятся: плавление основного и присадочного металлов, кристаллизация расплавленного металла и др. Чтобы управлять этими процессами, необходимо знать, как влияют на них все основные факторы, в том числе и скорость перемещения электрода относительно детали.

Электрическая мощность N, расходуемая при дуговой сварке может быть проконтролирована с помощью амперметра и вольтметра: N=U*I*h, где U- напряжение, I – ток, h -к.п.д., учитывающий потери.

Поскольку практически вся электрическая энергия переходит в тепловую, электрическая мощность эквивалентна тепловому потоку Ф: N=Ф.

При сварке тепло затрачивается на расплавление электрода, уходит в деталь путем теплопроводности, рассеивается в окружающую среду, теряется при разбрызгивании капель, либо переходит в деталь при заполнении расплавленными каплями (рис.4.26). Некоторая, совсем небольшая часть, уходит в электрод путем теплопроводности [8].

Рис. 4.26 Примерный тепловой баланс при дуговой сварке (по Н.Н.Рыкалину)

Тепловой баланс зависит от скорости перемещения электрода (дуги) и рациональная скорость перемещения электрода может быть вычислена на основании анализа теплового баланса.

Рассмотрим конкретный пример (рис. 4.27).

Рис. 4.27. Схематизация тепловых потоков в электрод и деталь

Пусть необходимо заварить сварным швом две стальные пластины. Длина шва L_ш , шов разделан фасками под 45° шириной f.

Объем металла, необходимого для заполнения сварного шва равен

. (4.33)

Количество тепла, необходимое для нагрева этого объема металла до температуры плавления

(4.34)

где - удельная объемная теплоемкость, - температура плавления, - начальная температура (температура окружающей среды).

Количество тепла, необходимое для плавления этого объема металла

(4.35)

где L – удельная теплота плавления, g - плотность.

Время сварки t найдем как отношение длины сварного шва к скорости сварки

. (4.36)

Таким образом, тепловой поток Ф_пл, необходимый для плавления металла при сварке, равен:

(4.37)

Определим теперь тепловой поток, поступающий непосредственно в сварочный электрод теплопроводностью. Электрод будем рассматривать как полуограниченный изолированный с поверхности стержень, торец которого находится при постоянной температуре, равной температуре плавления электрода.

Температура такого стержня определяется выражением (4.11), а плотность теплового потока на его торце и количество тепла, поступившее через торец, – выражениями (4.12) и (4.13). С учетом этого количество тепла, поступившее в электрод, будет:

. (4.38)

Выражая время нагрева электрода t через скорость перемещения электрода (4.36), найдем тепловой поток Ф_Э, поступивший в сварочный электрод за время t:

. (4.39)

И, наконец, оценим тепловой поток, поступающий в деталь. Поскольку источник тепла движется относительно детали со скоростью , здесь может быть применен метод быстродвижущихся источников тепла. Согласно этому методу узкие пластины (или «стержни»), выделенные в быстродвижущейся относительно равномерно распределенного источника тепла детали (рис.4.27), можно считать изолированными друг от друга. Поскольку поверхности нагрева сварного шва соприкасаются с расплавленным металлом, температуру на этих поверхностях примем равной температуре плавления q_пл.

Температура стержня, торец которого находится при постоянной температуре, определяется формулой (4.11).

Для перехода от времени t к координате y достаточно заменить время нагрева t отношением координаты у к скорости перемещения источника тепла:

, (0<y<l_a). (4.40)

Согласно данным Н.Н.Рыкалина [8], длина источника тепла l_a зависит от рабочего тока I_р и от удельной плотности тока I_a, приходящейся на единицу площади, через которую тепло поступает в деталь:

(4.41)

Учитывая, что место сварного шва предварительно подготовлено путем снятия фасок шириной f под углом 45°, будем считать что полуплоскости, относительно которых движется источник тепла, расположены перпендикулярно поверхностям фасок (рис.4.27,б).

Зависимость площади нагрева от координаты у определяется формулами:

(4.42)

Плотность теплового потока на поверхностях нагрева определяется формулой (4.7). С учетом этого тепловой поток Ф_д, поступающий в деталь, будет:

(4.43)

Определим длину электрода, соответствующую требуемому объему наплавки металла при заданном диаметре электрода:

. (4.44)

Найдем скорость перемещения электрода вдоль него, необходимую для сохранения постоянной длины дуги:

(4.45)