Реферат: Тепловые процессы при дуговой сварке

Сварочная дуга как источник нагрева

Сварочная дуга является мощным концентрированным источником теплоты. Электрическая энергия, потребляемая дугой, в основном превращается в тепловую энергию. Выделение тепловой энергии происходит в анодном и катодном активных пятнах и дуговом промежутке. При нагреве детали наибольшей интенсивности тепловой поток дуги достигает в центральной зоне активного пятна (рис. 1). По мере удаления от центра пятна интенсивность теплового потока убывает. Распределение теплоты вдоль дугового промежутка происходит в соответствии с падением напряжения в его областях.

Рис. 1. Удельный тепловой поток при нагреве дугой: а - при сварке покрытым электродом, б - при сварке под слоем флюса.

Полная тепловая мощность дуги Q (Дж/с) зависит от силы сварочного тока Iсв (А) и напряжения дуги Uд (В): Q = Iсв Uд. Однако не вся теплота дуги затрагивается на расплавление металла, т.е. на собственно сварку. Значительная часть ее расходуется на теплоотдачу в окружающую среду, расплавление электродного покрытия или флюса, разбрызгивание и т.п. Характер распределения полной тепловой мощности по отдельным статьям расхода определяют термином «тепловой баланс дуги». На рис. 2 показаны схемы тепловых балансов дуги при ручной сварке покрытыми электродами и сварке под флюсом. Часть общей тепловой мощности дуги, расходуемой непосредственно на нагрев и расплавление основного и присадочного металлов, называют эффективной тепловой мощностью дуги q (Дж/с). Она всегда меньше полной тепловой мощности дуга. Эффективная тепловая мощность сварочной дуги представляет собой количество теплоты, введенное дугой в свариваемую деталь в единицу времени. Она определяется уравнением q = Iсв Uд h, h - где коэффициент полезного действия дуги, представляющий собой отношение эффективной тепловой мощности к полной тепловой мощности дуги. Эффективная тепловая мощность зависит от способа сварки, материала электрода, состава покрытия или флюса и ряда других факторов.

Рис. 2. Тепловой баланс при сварке: а - покрытыми электродами, б - подслоем флюса

Данные значений для различных способов сварки приведены на табл. 1. Данные рис. 2 и табл. 1 показывают, что теплота дуги наиболее рационально используется при автоматической сварке под флюсом.

1. Значения h для различных способов сварки

Способ сварки	Значение h
В защитном газе вольфрамовым электродом	0,6
Покрытым электродом	0,75
Под флюсом	0,8 - 0,9

Плавление металла электрода и его перенос в дуге при сварке

Нагрев и плавление электрода осуществляются за счет энергии, выделяемой в активном пятне, расположенном на его торце, и теплоты, выделяющейся по закону Ленца - Джоуля, при протекании сварочного тока по вылету электрода. Вылетом называют свободный участок электрода от места контакта с токопроводом до его торца. В начальный момент ручной дуговой сварки вылет электрода составляет 400 мм и изменяется по мере плавления электрода, при автоматической сварке он равен 12 - 60 мм. Расплавляясь в процессе сварки, жидкий металл с торца электрода переходит в сварочную ванну в виде капель разного размера. За 1 с может переноситься от 1 - 2 до 150 капель и более в зависимости от их размера. Независимо от основного положения сварки капли жидкого металла всегда перемещаются вдоль оси электрода по направлению к сварочной ванне. Это объясняется действием на каплю разных сил в дуге. В первую очередь к ним относятся гравитационная сила, электромагнитная сила, возникающая при прохождении по электроду сварочного тока, сила поверхностного натяжения, давление образующихся внутри капли газов, которые отрывают ее от электрода и дробят на более мелкие капли.

Гравитационная сила проявляется в стремлении капли перемещаться по вертикали сверху вниз.

Сила поверхностного натяжения обеспечивает капле сферическую форму. Электромагнитные силы играют важнейшую роль в отрыве и направленном переносе капель к сварочной ванне при сварке швов в любом пространственном положении. Электрический ток, проходя по электроду, создает вокруг него магнитное поле, оказывающее сжимающее действие. Сжатие расплавленной части электрода приводит к образованию шейки у места перехода к твердому металлу (рис. 3). По мере уменьшения ее сечения и возрастания плотности тока жидкий металл формируется и отделяется в виде сферической капли.

Рис. 3. Схема сжимающего действия электромагнитных сил на жидкую каплю электродного металла

При этом капля за счет действия электромагнитной силы приобретает направленность движения к сварочной ванне. Сила внутреннего давления газов также участвует в переносе капли. Расплавленный металл на электроде сильно перегрет. Образующиеся в нем газы способствуют отрыву его от торца электрода и могут раздробить на более мелкие капли.

При дуговой сварке плавящимся электродом различают три типа переноса электродного металла: крупнокапельный, мелкокапельный, или струйный, и перенос с образованием коротких замыканий дуги.

Характер переноса капель с электрода в сварочную ванну зависит от силы сварочного тока и напряжения дуги.

Установлено, что с увеличением силы тока размер капель уменьшается, а число их, образующихся в единицу времени, возрастает. С увеличением напряжения дуги, наоборот, размер капель увеличивается, а число их уменьшается. Так, при сварке голой проволокой на малых токах (плотностях) жидкий металл переходит в сварочную ванну в виде крупных капель с кратковременными замыканиями дугового промежутка, а при сварке покрытыми электродами и под флюсом на обычных плотностях тока - в виде мелких капель без замыкания дугового промежутка. При сварке в защитных газах и под флюсом тонкой проволокой на повышенных плотностях тока наблюдается мелкокапельный (струйный) перенос металла. В этом случае очень мелкие капли образуют сплошную коническую струю жидкого металла, переходящего в шов также без коротких замыканий, что уменьшает разбрызгивание металла и улучшает формирование швов.

Производительность процесса дуговой сварки

Производительность процесса дуговой сварки оценивают по количеству проплавленного в единицу времени основного металла Gпр и количеству наплавленного металла Gн, определяемого как избыток массы конструкции после сварки по сравнению с массой до сварки.

При сварке неплавящимся электродом соединений встык или с отбортовкой без присадочной проволоки важно обеспечить производительность проплавления, а при сварке плавящимся электродом - производительность проплавления и наплавки. При сварке плавящимся электродом производительность оценивают по количеству наплавленного электродного металла, определяемого по формуле Gн = aн*Iсв*tо, где Iсв - сила тока, A; tо - основное время сварки (время чистого горения дуги), ч; aн- коэффициент наплавки, г (А*ч).

Коэффициент наплавки выражается отношением массы металла, наплавленного за единицу времени горения дуги, к единице силы сварочного тока. Обычно его представляют количеством наплавленного в течение 1 ч электродного металла (г), приходящимся на 1 А сварочного тока. При сварке покрытыми электродами коэффициент наплавки составляет 6 - 12, под флюсом – 10 - 16, в углекислом газе - 12 - 20, при электрошлаковой - 18 - 22 г/(А*ч).

Производительность наплавки (Gн связана с производительностью расплавления электродной проволоки: Gн = aр*Iсв*tо, где aр - коэффициент расплавления электродной проволоки, г/(А*ч).

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--