Эффективная тепловая мощность сварочной дуги

Обновлено: 02.05.2024

Сварочная дуга. Источником теп­ла при дуговой сварке является сва­рочная дуга — устойчивый электри­ческий разряд в сильно ионизирован­ной смеси газов и паров материалов, используемых при сварке, и характе­ризуемый высокой плотностью токов и высокой температурой.

Тепло, выделяемое в дуге, расходу­ется на нагрев газа, создание свето­вого потока и непосредственно на сварку. Температура дуги—нерав­номерная, наиболее высокая в центре газового столба—около 6000° С (рис. 7.1).

Основной характеристикой сва­рочной дуги как источника энергии является эффективная тепловая мощность q_э — это количество тепло­ты, введенное в металл в процессе сварки в единицу времени и затра­ченное на его нагрев. Эффективная тепловая мощность является частью полной тепловой мощности дуги q,так как при любом виде сварки на­блюдаются непроизводительные рас­ходы теплоты дуги на излучение, теплоотвод в металл и пр. Отношение эф­фективной тепловой мощности к пол­ной тепловой мощности называют эф­фективным коэффициентом полезно­го действия процесса нагрева:

Для различных видов сварки зна­чение η_э может меняться в довольно широких пределах от 0,3 до 0,95, на­пример, коэффициент полезного дей­ствии процесса нагрева открытой ду­ги, возбуждаемой угольным электро­дом— 0,5 — 0,65; сварка штучными электродами с покрытием — 0,7 — 0,85; дуга в аргоне — 0,5 — 0,6; свар­ка под флюсом — 0,85 — 0,93.

Количество теплоты, вводимое в металл в процессе горения дуги, отне­сенное к единице длины шва получи­ло название погонной энергии свар­ки. Погонная энергия равна отноше­нию эффективной мощности дуги к скорости перемещения дуги υ_св.

При восстановлении деталей ис­пользуют три вида сварочных дуг (рис. 7,2). Они отличаются количест­вом электродов и способом их вклю­чения и свариваемого металла в электрическую цепь, Когда дуга горит между электродом и изделием, ее на­зывают дугой прямого действия. Ког­да дуга горит между двумя электро­дами, а свариваемое изделие не включено в электрическую цепь, ее называют дугой косвенного действия. Трехфазная дуга возбуждается меж­ду двумя электродами, а также меж­ду каждым электродом и основным металлом.

Рис. 7.1, Распределение температуры t в сварочной дуге

Рис. 7.2. Виды сварочных дуг:

а —- прямого действия; б — косвенного действия; в —комбинированного действия (трехфазная)

По роду тока различают электри­ческие дуги, питаемые переменным и постоянным током. При использова­нии постоянного тока различают сварку на прямой и обратной поляр­ности. При горении электрической дуги постоянного тока наибольшее количество тепла выделяется на положительном полюсе. Это объясняет­ся тем, что поток электронов в дуге испускается отрицательным полю­сом — катодом. Электроны как бы бомбардируют положительный по­люс (анод), вследствие чего он разо­гревается сильнее, чем катод. При сварке для плавления свариваемого металла необходимо затратить боль­ше тепла, чем для расплавления са­мого электрода. Поэтому обычно от­рицательный полюс сварочной цепи присоединяют к электроду, а поло­жительный – к свариваемому ме­таллу. Такое присоединение называется прямой полярностью. Если же отрицательный полюс источника пи­тания присоединен к свариваемому металлу, а положительный — к элек­троду, то такая полярность называет­ся обратной, Она применяется реже и только в тех случаях, когда необходи­мо получить меньший нагрев детали. Например, обратная полярность применяется при сварке тонколисто­вых изделий для предотвращения сквозного проплавления, сварке ле­гированных сталей, которые очень чувствительны к перегреву и в прочих случаях.

При питании дуги переменным то­ком полярность тока многократно из­меняется соответственно числу пери­одов, т. е. 50 раз в секунду. Поэтому в сварочной дуге переменного тока по­ток электронов также будет менять свое направление, бомбардируя по­переменно то свариваемый металл, то коней электрода. В результате этого тепло между электродом и свари­ваемым металлом будет распреде­ляться равномерно.

Более экономичны источники пита­ния переменным током. Так, при руч­ной сварке на переменном токе рас­ход электроэнергии составляет 3 — 4 кВт-ч на 1 кг наплавленного метал­ла, а при сварке на постоянном токе 6 — 8 кВт-ч. Однако при постоянном токе электрическая дуга получается более стабильной и устойчивой.

В зависимости от материала элек­трода различают дуги между непла­вящимися электродами (угольными, вольфрамовыми) и плавящимися (металлическими)электродами.

Влияние кислорода, азота, водоро­да, серы и фосфора на свойства метал­ла шва. При сварке плавлением про­исходит взаимодействие между жид­ким и твердым металлами, газами и жидким шлаком, образующимся при расплавлении шлакообразующих ве­ществ, входящих в состав электрод­ных покрытий или флюса.

Основными реакциями, происхо­дящими в зоне сварки, являются ре­акции окисления и раскисления металла. Характерные условия метал­лургических реакций при сварке, как и при кристаллизации — высокая температура нагрева, относительно малый объем расплавленного метал­ла, кратковременность процесса.

Средняя температура капель элек­тродного металла, поступающих в ванну, увеличивается с увеличением плотности тока и составляет при сварке 2200 — 2700° С, т. е. характе­ризуется значительным перегревом. Температура сварочной ванны при дуговой сварке также характеризу­ется значительным превышением над точкой плавления, перегрев состав­ляет 100 — 500° С. Высокая темпера­тура способствует высокой скорости протекания реакций, однако из-за больших скоростей охлаждения ре­акции при сварке не успевают завер­шиться полностью.

Основными реакциями, происхо­дящими в зоне сварки, являются ре­акции окисления и раскисления металла. Кислород в атомарном состоя­нии образует с железом закись (FеО), окись (Fе₂О₃), а также закись-окись (Fе₃О₄). В жидком металле растворя­ется только закись железа. Осталь­ные окислы находятся в виде шлако­вых включений и всплывают на по­верхности сварочной ванны.

Кислород реагирует с металлом по реакции

где т и п — численные коэффициенты форму­лы химических реакций; Ме — масса элемента металла; О₂ — масса кислорода.

Химические реакции протекают до состояния равновесия между исход­ными веществами и продуктами ре­акции. О состоянии равновесия мож­но судить по константе равновесия &.

Из закона действующих масс изве­стно, что

где МemО — соответственно содержание вмассе элемента Ме и кислорода в зоне реакции, %. Реакция окисления будет происхо­дить тем интенсивнее, чем больше произведение концентраций, вступа­ющих в реакцию веществ (в данной формуле значение числителя), по сравнению с равновесной. Если кон­станта будет меньше равновесной, идет реакция восстановления метал­ла из его окисла. Константа равнове­сия, выраженная через парциальное давление пара веществ, вступающих в реакцию,

где рМе — парциальное давление веществ, вступающих в реакцию.

Наиболее сильным раскислителем является кремний и марганец. При окислении они дают соответственно окись кремния SiO₂ и закись марган­ца МnО. Активным раскислителем является углерод. При сварочных температурах углерод образует окись СО. Кислород попадает в ме­талл шва в основном из воздуха при некачественной защите шва, из ржавчины и окалины при недостаточной зачистке свариваемой поверхно­сти или же из влаги при сварке сыры­ми электродами. Сильными раскислителями являются также титан, уг­лерод и алюминий.

Окружающий воздух является ис­точником попадания в наплавленный металл азота. При сварочных темпе­ратурах азот, переходя в атомарное состояние, хорошо растворяется в жидком металле сварочной ванны. Азот при охлаждении выделяется из раствора и при взаимодействии с ме­таллами образует нитриды: Fe₂N, МnN, SiN и др., которые значительно снижают пластичность металла. Во­дород попадает в наплавленный ме­талл из влаги, содержащейся в элек­тродном покрытии, или из ржавчины на свариваемой поверхности, а также из флюса.

При кристаллизации металла шва водород, не успевая выделиться из металла, образует поры и мелкие трещины, а также "флокены" — де­фект в виде светлого пятна, видимый на поверхности излома.

Очень вредными примесями в на­плавленном металле являются сера и фосфор. Сера образует сернистое же­лезо FeS с низкой температурой плавления, равной 1193° С. При кри­сталлизации стали сернистое желе­зо, оставаясь в расплавленном состо­янии, распределяется между кри­сталлами, вызывая появление тре­щин. Фосфор, присутствуя в наплав­ленном металле в виде фосфидов же­леза Fe₃S и Fe₂S, резко снижает пла­стичность металла:

Кристаллизация металла шва. При охлаждении и затвердевании жидкого металла шва происходит его кристаллизация, т. е. образование кристаллитов из жидкой фазы. Кри­сталлиты представляют собой кри­сталлы неправильной формы. Про­цесс образования кристаллитов из жидкого расплавленного металла при переходе его в твердое состояние называется первичной кристаллиза­цией. Первичная кристаллизация на­чинается по условной границе сплавления (рис. 7.3), по линии 1 начала охлаждения сварочной ванны, при этом происходит зарождение центров кристаллизации и рост зерен 2. Вы­росшие зерна имеют различную фор­му и расположение. В том случае, ес­ли зерна не имеют определенной ори­ентации и напоминают форму много­гранника, структура гранулярная (зернистая). Она может быть крупно и мелкозернистой. Процесс измене­ния формы кристаллитов в металле, находящемся в твердом состоянии, носит название вторичной кристал­лизации. Если же зерна вытянуты в одном направлении, структура назы­вается столбчатой и дендритной. Крупнозернистое строение металла со столбчато-дендритной структурой характерно для медленного охлажде­ния.

Рис. 7.3. Первичная кристаллизация металла шва. Стрелки показывают направление отвода тепла

Конечная структура металла шва зависит в основном от способа свар­ки, условий ее проведения, а также химического состава основного и при­садочного металлов. Так, при ручной сварке электродом из низкоуглеро­дистой стали (содержание углерода до 0,2 %) металл шва имеет структу­ру с менее выраженной ориентиров­кой кристаллов и округлыми зернами феррита и перлита. При автоматической сварке этой же стали под флюсом, когда скорость охлаждения более медленная, чем при ручной сварке металлическим электродом, металл шва приобрета­ет столбчатодендритную структуру.

В околошовной зоне сварного соединения малоуглеродистой незака­ливающейся стали, выполненного способом плавления, имеются следу­ющие структурные участки (рис. 7.4); участок перегрева, температурны­ми границами которого являются со стороны шва температура, близкая к солидусу, а со стороны основного ме­талла температура 1100° С;

участок 'нормализации; имеющий мелкозернистую структуру и повы­шенные свойства по сравнению с ис­ходной структурой;

участок неполной перекристалли­зации, находящейся в интервале тем­ператур от 725 до 850 ° С, при которых происходит частичная перекристал­лизация металла. Средние размеры зоны участков для некоторых видов сварки приведены в табл. 7.1.

Рис. 7.4. Структурные участки околошовной зо­ны в зависимости от удаленности от сварочного шва:

/ — зона малоуглеродистой незакаливающейся стали; // — зона за наливающейся легированной стали

В закаливающейся легированной стали участки располагаются в та кой последовательности по мере удале­ния от шва: закалки, частичной за­калки и отпуска.

Таблица.7.1. Размеры структурных участков околошовной зоны

Дуга, ее тепловая мощность

В тепловую энергию электрической дуги преобразуется энергия мощных потоков заряженных частиц, бомбардирующих катод и анод.

Суммарное количество теплоты Q (Дж), выделяемое дугой на катоде, аноде и столбе дуги, определяется по формуле:

где: l_св – сварочный ток, А;

U_д – напряжение дуги, В;

t – время горения дуги, с.

При этом не вся теплота дуги затрачивается на расплавление металла, другими словами – на саму сварку. Значительная часть ее расходуется на теплоотдачу в окружающую среду, расплавление электродного покрытия или флюса, разбрызгивание и т. п.

Термином «тепловой баланс дуги» определяют характер распределения полной тепловой мощности по отдельным статьям расхода.

Наибольшее количество теплоты выделяется в зоне анода (42–43 %) при питании дуги постоянным током. Это объясняется тем, что анод подвергается более мощной бомбардировке заряженными частицами, чем катод, а при столкновении частиц в столбе дуги выделяется меньшая доля общего количества теплоты.

В столбе дуги среднее значение температуры составляет 600 °C. При сварке угольным электродом температура в катодной зоне достигает 3200 °C, в анодной – 3900 °C. При сварке металлическим электродом температура анодной зоны составляет около 2600 °C, а катодной – 2400 °C.

При решении технологических задач используются разная температура катодной и анодной зон и разное количество теплоты, выделяющееся в этих зонах. Прямую полярность, при которой анод (плюсовая клемма источника тока) подсоединяют к детали, а катод (минусовая клемма источника тока) – к электроду, применяют при сварке деталей, требующих большого подвода теплоты для прогрева кромок.

Сварку постоянным током обратной полярности применяют при сварке тонкостенных изделий, тонколистовых конструкций, а также сталей, не допускающих перегрева (нержавеющие, жаропрочные, высокоуглеродистые и др.). В этом случае катод подсоединяют к свариваемой детали, а анод – к электроду. При этом не только обеспечивается относительно меньший нагрев свариваемой детали, но и ускоряется процесс расплавления электродного материала за счет более высокой температуры анодной зоны и большего подвода теплоты. Полярность клемм источника постоянного тока может быть определена с помощью раствора поваренной соли (половина чайной ложки соли на стакан воды). Если в такой раствор опустить провода от клемм источника тока, то у отрицательного провода будет происходить бурное выделение пузырьков водорода.

Различие температур катодной и анодной зон и распределение теплоты сглаживаются вследствие периодической смены катодного и анодного пятен с частотой, равной частоте тока при питании дуги переменным током.

Практика показывает, что в среднем при ручной сварке только 60–70 % теплоты дуги расходуется на нагревание и плавление металла. Остальная часть теплоты рассеивается в окружающую среду через излучение и конвекцию.

Эффективной тепловой мощностью дуги называется количество теплоты, используемое на нагрев и плавку свариваемого металла в единицу времени. Она равна полной тепловой мощности дуги, умноженной на эффективный коэффициент полезного действия нагрева металла дугой. Коэффициент полезного действия зависит от способа варки, материала электрода, состава электродного покрытия и других факторов. При ручной дуговой сварке электродом с тонким покрытием или угольным электродом он составляет 0,5–0,6, а при качественных электродах – 0,7–0,85. При аргонодуговой сварке потери теплоты значительны и составляют 0,5–0,6.

Наиболее полно теплота используется при сварке под флюсом.

Для характеристики теплового режима процесса сварки принято определять погонную энергию дуги, иначе говоря, количество теплоты, вводимое в металл на единицу длины однопроходного шва, измеряемое в Дж/м. Погонная энергия равна отношению эффективной тепловой мощности к скорости сварки. Потери теплоты при ручной дуговой сварке составляют примерно 25 %, из которых 20 % уходят в окружающую среду дуги через излучение и конвекцию паров и газов, а остальные 5 % – на угар и разбрызгивание свариваемого металла. Потери теплоты при автоматической сварке под флюсом составляют только 17 %, из которых 16 % расходуется на плавление флюса, а на угар и разбрызгивание затрачивается около 1 % теплоты.

Эффективной тепловой мощностью дуги q (Дж/с) называют часть общей тепловой мощности дуги, расходуемой непосредственно на нагрев и расплавление основного и присадочного металлов. Она всегда меньше полной тепловой мощности дуги. Эффективная тепловая мощность сварочной дуги представляет собой количество теплоты, введенное дугой в свариваемую деталь в единицу времени. Она определяется уравнением:

где ? является коэффициентом полезного действия дуги, представляющим собой соотношение 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.

Данные значений для различных способов сварки приведены в таблице.

Эти данные показывают, что теплота дуги наиболее рационально используется при автоматической сварке под флюсом.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Арка, дуга

Арка, дуга Жертвоприношение астральному божеству (из аравийской рукописи XIII века)Арка (дуга), в первую очередь, – символ небесного свода, бога Неба. В обрядах инициации прохождение через арку означает новое рождение после полного отказа от своей старой природы. В

Тепловая труба

Тепловая труба Тепловая труба – устройство, передающее большие мощности тепла. Труба герметизирована, ее наполняет жидкий теплоноситель. Нагреваемая часть трубы – это зона нагрева и испарения жидкого теплоносителя. Охлаждаемая часть трубы – это зона охлаждения и

Дуга Из нее выпадает направляющая втулка. Во многих случаях она лежит на дне бачка. Самый быстрый ремонт дуги — это вставить втулку в отверстие дуги. Снизу и сверху на втулку в несколько слоев намотайте по тонкой резинке, применяемой для упаковки продуктов. Можно натянуть

ЭЛЕТРИЧЕСКАЯ, ТЕПЛОВАЯ И ЭФФЕКТИВНАЯ ТЕПЛОВАЯ МОЩНОСТЬ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

Электрическая мощность (Вт) для ЭДС плавлением может быть выражена уравнением:

I_св – ток, протекающий по сварочной цепи, А;

U_св – напряжение в дуге или в шлаковой ванне, В.

Электрическая энергия, потребляемая при сварке, в основном превращается в тепловую энергию. Поэтому полную тепловую мощность сварочной дуги или шлаковой ванны в ваттах (не учитывая потери, связанные со световым излучением и химическими реакциями) можно определить по уравнению:

k – коэффициент, учитывающий влияние, оказывающее несинусоидальностью кривых напряжения и тока на мощность дуги.

k на постоянном токе принимают равным 1, на переменном принимается равным 0,7 – 0,97.

Характер использования полной тепловой мощности процесса можно установить по тепловому балансу. Из графиков теплового баланса видно, что только часть полной тепловой мощности процесса расходуется на нагрев и плавление основного и электродного металла на сварку, что характеризует эффективную тепловую мощность процесса.

Эффективная тепловая мощность процесса электрической сварки плавлением есть количество теплоты, введённой источником в изделие в единицу времени. Другая часть это потери теплоты при сварке.

Эффективная тепловая мощность определяется по формуле:

где η – эффективный к.п.д. нагрева изделия, который представляет отношение эффективной тепловой мощности дуги к полной тепловой мощности.

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ПРОЦЕССА

ДУГОВОЙ СВАРКИ

Производительность процесса ЭДС плавлением в единицу времени можно определить следующим образом:

А) при сварке плавящимся электродом по двум признакам: по массе расплавленного металла G_э или массе наплавленного металла G_н , определяемого как избыток массы изделия после сварки;

Б) при сварке неплавящимся электродом с введением дополнительного металла – по массе дополнительного наплавленного металла G_д;

В) при сварке неплавящимся электродом без ввода дополнительного металла – по массе расплавленного основного металла G_р.

Масса расплавленного электродного металла за время горения дуги может быть определена по формуле:

Где G_э – масса расплавленного электродного металла, г;

α_э - коэффициент плавления электродного металла, показывающий массу электродного металла в граммах, расплавленного сварочным током 1А в единицу времени (обычно 1ч), измеряется в граммах на 1 А٠ч, г/(А٠ч);

I_{св –} сварочный ток;

t_о – время горения дуги (основное время сварки),ч.

Так как во время сварки часть электродного металла теряется, то масса наплавленного металла может быть определена по формуле:

где G_н - масса наплавленного металла, г;

α_н - коэффициент наплавки, показывающий, сколько металла с плавящегося электрода под действием сварочного тока в 1А перейдёт на основной металл в единицу времени.

Но часть электродного металла теряется на испарение, разбрызгивание, огарки и т.п. Поэтому, чтобы правильно определить количество необходимых электродов или электродной проволоки, следует учитывать потери электродного металла.

Потери электродного металла оцениваются коэффициентом потерь - ψ

Откуда α_н – коэф. напл. можно выразить через ψ и α_э,

Из этого уравнения следует, что зная коэффициенты плавления и потерь, можно определить коэффициент наплавки.

Электродуговой сварки

Технологические возможности ручной электродуговой сварки покрытыми электродами характеризуется, прежде всего, производительностью процесса. Эта величина определяется в первом приближении скоростью расплавления металлического электродного стержня ν(см/мин). Наравне с линейной скоростью плавления определяют массовую (весовую), выраженную в г/мин. (2):

g – погонный вес электродного стержня г/см.

ν– скорость расплавления металлического электродного стержня

Погонный вес электродного стержня может быть определен экспериментально - путем взвешивания или расчетом по формуле (3):

d - диаметр электродного стержня, см;

g - плотность материала электродного стержня, г/см 3 .

Многочисленными исследованиями установлено, что скорость плавления электрода для ручной дуговой сварки зависит не только от состава электродного покрытия, но и от электрических параметров режима сварки - силы сварочного тока I_д и напряжения дуги U_д. С изменением последних двух величин изменяется мощность дуги, а, следовательно, и количество тепла, затрачиваемого на расплавление электродного материала. Поэтому наиболее объективной оценкой производительности сварки покрытыми электродами считают скорость расплавления электродного стержня, отнесенную к единице сварочного тока. Эта характеристика именуется коэффициентом расплавления и имеет размерность г/(А´час).

Для определения коэффициента расплавления необходимо скорость расплавления электродного стержня, выраженную в г/мин., разделить на силу сварочного тока, при которой получена данная скорость расплавления (4):

g - масса электродного стержня, г/см;

Dl_ст - длина электродного стержня, расплавленного при сварке, см;

I_св - сила сварочного тока, А;

t_св - время, за которое был расплавлен электродный стержень длиной Dl_ст, мин.

α_рзависит от состава сварочной проволоки и покрытия электрода, веса покрытия, а так же рода и полярности тока. Для стальных электродов коэффициент расплавления может колебаться в пределах от 5 до 20 г/А´ч, составляя в среднем 8…12 г/А´ч.

В процессе расплавления электродного материала и перехода его в сварочную ванну, металл подвергается воздействию высоких температур до (6000°С) и системы сил, определенным образом ориентированных в пространстве. При этом часть металла испаряется, а часть - разбрызгивается. Кроме того, в состав электродных покрытий вводят различные металлические порошки - ферросплавы и чистые металлы, которые в процессе плавления принимают участие в металлургических реакциях. Часть этих порошков переходит в сварочную ванну и является дополнительным присадочным материалом. Таким образом, количество металла, пошедшего на образование сварочного шва, зачастую отличается от количества расплавленного электродного стержня.

Поэтому производительность сварки следует определять по скорости наплавки. Скорость (или производительность) наплавки определяют как изменение веса свариваемых изделий за время сварки. При этом не учитывают вес брызг и шлака, остающихся после сварки на сварном шве и прилегающих участках свариваемых деталей (5):

DG - изменение веса свариваемых деталей, г;

t – время сварки, мин.

Изменение электрических параметров режима сварки приводит к изменению производительности наплавки. Поэтому принято определять коэффициент наплавки, являющийся отношением скорости наплавки к силе сварочного тока (6):

где DG - изменение веса свариваемых изделий после наложения шва или вес наплавленного металла , г.;

I- сила сварочного тока, А;

t- время, за которое было наплавлено DG грамм металла, мин.

Коэффициент наплавки (α_н) меньше коэффициента расплавления (α_р) на величину потерь электродного металла при сварке, составляющих от 5 до 20%.

При сварке на переменном токе электродами с толстым покрытием величина коэффициента наплавки может быть в пределах

α_н= 6…18 (г/А´ч), составляя в среднем α_н= 7…10 (г/А´ч).

Величину коэффициента наплавки важно знать при нормировании сварочных работ. Обозначим через V – скорость сварки ( см/ч); F– площадь поперечного сечения шва (см 2 ), тогда:

,см/ч(7)

где ρ – плотность металла, г/см 3 .

Следовательно, скорость сварки будет тем выше, чем больше коэффициент наплавки и больше ток.

Соотношение между коэффициентами наплавки и расплавления или скоростями наплавки и расплавления определяет коэффициент использования электродного стержня или выход наплавленного металла (8):

Коэффициент наплавки является главной и объективной оценкой производительности сварки электродами любой марки. Эта характеристика обязательно указывается в паспорте на электроды и в каталогах.

Для более детальной оценки сварочно-технологических свойств покрытия электродов принято определять коэффициент веса покрытия (К_ВП), коэффициент шлаковой защиты (К_ШЗ), коэффициент использования электродов или выход годного металла (К_Э) и коэффициент набрызгивания, коэффициент веса покрытия - это отношение веса электродного покрытия G_ПОКР к весу электродного стержня G_ЭЛ.СТ. такой же длины (9).

Обычно коэффициент веса покрытия колеблется в пределах 30-40%. Коэффициент шлаковой защиты - отношение веса шлака G_ШЛ, полученного при выполнении шва, к весу наплавленного металла (10):

Эта величина определяет степень защиты металла сварочной ванны от окружающей газовой атмосферы и колеблется в пределах 33-38%.

Снижение коэффициента газовой защиты вредно сказывается на механических свойствах металла шва, а с увеличением - значительно усложняет процесс сварки из-за избытка шлака в зоне горения дуги.

Коэффициент набрызгивания - отношение веса металлических и шлаковых брызг к весу наплавленного металла - определяет необходимые затраты рабочего времени и энергии на очистку сварных конструкций и деталей (11).

Для определения расхода электродов на сварку очень удобной является величина выхода годного металла или коэффициент использования электрода (12):

где G_эл.ср. - вес сгоревшей части электрода в г.

Обычно выход годного металла не превышает 65-70%.

Коэффициент потерь (Ψ) – характеризует потери металла электрода на разбрызгивание, испарение, окисление

,(13)

Gн – масса наплавленного металла, г,

Gp – масса расплавленного металла, г.

Коэффициент потерь зависит не только от состава проволоки и её покрытия, но так же от режима сварки и типа сварного соединения. Коэффициент потерь возрастает при увеличении плотности тока и длины дуги. Он несколько меньше при сварке в тавр с разделкой кромок, чем при наплавке.

Производительность процесса дуговой сварки – определяется количеством наплавленного металла (Gн):

, (14)

Чем больше ток, тем выше (Gн). Однако при значительном увеличении сварочного тока для применяемого диаметра электрода – последний может быстро нагреваться теплом Джоуля-Ленца:

,(15)

что резко понизит качество сварочного шва, так как металл шва и зона сплавления основного металла будут перегреты. А перегрев электрода увеличивает, к тому же, разбрызгивание металла.

Погонная энергия.

Количество тепла, вводимое дугой в свариваемый металл в единицу времени, называется эффективной тепловой мощностью. Она меньше полной тепловой мощности дуги и слагается:

1. Из тепла, выделяющегося в пятне дуги на свариваемом металле.

2. Тепла, вводимого в металл за счёт теплообмена со столбом дуги и её пятном на свариваемом металле.

3. Тепла, вносимого в свариваемый металл с каплями расплавленного металла электрода, электродного покрытия (или флюса).

Эффективная тепловая мощность подсчитывается по формуле:

где Uд – напряжение на дуге, В,

I_д – сила сварочного тока, А,

h – эффективный коэффициент полезного действия.

Эффективным к.п.д. процесса нагрева металла сварочной дугой называется отношение количества введенного в металл тепла к тепловому эквиваленту электрической мощности дуги.

Этот коэффициент характеризует эффективность процессов выделения тепла и теплообмена в дуговом промежутке по отношению к нагреву металла изделия и зависит в основном от способа сварки.

Отношение эффективной тепловой мощности дуги Q_эф к скорости перемещения дуги называется погонной энергией:

где V_св – скорость перемещения дуги или скорость сварки, см/с.

Таким образом, погонная энергия – это количество тепла, введенное на единицу длины однопроходного шва или валика.

Практическая работа №6 по МДК.01.01. Изучение и определение тепловой мощности и кпд дуги

3. Рассчитать: ( варианты задания в таблице– по номеру в журнале).

1) Полную тепловую мощность дуги - Q,

2) Эффективную тепловую мощность дуги - Qэ ,

3) Погонную энергию- Qп

4. Ответить на контрольные вопросы.

Теоретические сведения

Наиболее важным свойством для сварки являются тепловые свойства дуги. Температура сварочной дуги очень высокая — около 6000 °-8000°С и зависит от диаметра электрода, плотности тока, материала электродов и состава газовой среды. На катоде она более низкая, чем на аноде, и максимального значения достигает в столбе дуги. При ручной сварке на постоянном токе разница температур на катоде и аноде используется для увеличения расплавления электрода или изделия. Тепловые возможности сварочной дуги измеряются ее тепловой мощностью.

Полная тепловая мощность дуги Q – это количество теплоты, выделяемое дугой в единицу времени (в Дж/с).

Т.е. это эффективная тепловая мощность дуги + количество теплоты, расходуемое на теплоотвод в металле, излучение, нагрев капель при разбрызгивании.

Энергия мощных потоков заряженных частиц, бомбардирующих катод и анод, превращается в тепловую энергию электрической дуги. Суммарное количество теплоты Q (Дж), выделяемое дугой на катоде Qк , аноде Qа и столбе дуги Qc , определяется по формуле:

Q = I . Uд . t ,

где I – сварочный ток, А;

Uд – напряжение дуги, В;

t – время горения дуги, с.

Рис.1 Строение и характеристики сварочной дуги:

lд – длина дуги; lк – катодной области;

lа – анодная область; lст – столб дуги

При сварке угольным электродом температура в катодной зоне достигает 3200 °С , в анодной – 3900 °С , а в столбе дуги среднее значение температуры составляет 6000 °С .

При питании дуги постоянным током (рис. 1) наибольшее количество теплоты выделяется в зоне анода (42. 43 %). Это объясняется тем, что анод подвергается более мощной бомбардировке заряженными частицами, чем катод, а при столкновении частиц в столбе дуги выделяется меньшая доля общего количества теплоты.

При сварке металлическим электродом температура катодной зоны составляет около 2400 °С, а анодной зоны – 2600 °С.

Разная температура катодной и анодной зон, а также и разное количество теплоты, выделяющееся в этих зонах, используются при решении технологических задач.

При сварке деталей, требующих большого подвода теплоты для прогрева кромок, применяют прямую полярность , при которой анод (плюсовая клемма источника тока) подсоединяют к детали, а катод (минусовая клемма источника тока) – к электроду.

При сварке тонкостенных изделий, тонколистовых конструкций, а также сталей, не допускающих перегрева (нержавеющие, жаропрочные, высокоуглеродистые и др.), применяют сварку постоянным током обратной полярности . В этом случае катод подсоединяют к свариваемой детали, а анод – к электроду. При этом не только обеспечивается относительно меньший нагрев свариваемой детали, но и ускоряется процесс расплавления электродного материала за счет более высокой температуры анодной зоны и большего подвода теплоты.

При питании дуги переменным током различие температур катодной и анодной зон и распределение теплоты сглаживаются вследствие периодической смены катодного и анодного пятен с частотой, равной частоте тока. Практика показывает, что в среднем при ручной сварке только 60. 70 % теплоты дуги используется на нагревание и плавление металла. Остальная часть теплоты рассеивается в окружающую среду через излучение и конвекцию.

Эффективная тепловая мощность дуги Qэ – это к оличество теплоты, используемое на нагрев и плавку свариваемого металла в единицу времени, называется (Дж).

Она равна полной тепловой мощности дуги, умноженной на эффективный коэффициент полезного действия ƞ нагрева металла дугой:

Qэ=I . U . ƞ

Коэффициент ƞ зависит от способа сварки, материала электрода, состава электродного покрытия и других факторов.

Ø При ручной дуговой сварке электродом с тонким покрытием или угольным электродом ƞ составляет 0,5. 0,6,

Ø При качественных электродах – 0,7. 0,85.

Ø При аргонодуговой сварке потери теплоты значительны и составляют 0,5. 0,6. Наиболее полно используется теплота при сварке под флюсом ( ƞ = 0,85. 0,93 ).

Для характеристики теплового режима процесса сварки принято определять погонную энергию дуги , т.е. количество теплоты, вводимое в металл на единицу длины однопроходного шва, измеряемое в Дж/м.

Погонная энергия Qп равна отношению эффективной тепловой мощности Qэ к скорости сварки υ и имеет вид

Qп=I . U/v= Qэ/ υ

Потери теплоты при ручной дуговой сварке составляют примерно 25 %, из которых

20 % уходят в окружающую среду дуги через излучение и конвекцию паров и газов, а остальные 5 % – на угар и разбрызгивание свариваемого металла.

Потери теплоты при автоматической сварке под флюсом составляют только

17 %, из которых 16 % расходуются на плавление флюса, а на угар и разбрызгивание затрачивается около 1 % выделяемой дугой теплоты.

Контрольные вопросы:

1. Что называют катодной и анодной областями, катодом и анодом?

2. На что тратится полная тепловая мощность дуги?

3. Что называют статической вольтамперной характеристикой сварочной дуги?

4. Укажите верное значение эффективного КПД при сварке покрытым электродом:

Читайте также:

  
• Сварка кузова автомобиля контактной сваркой
  
• Сварочный аппарат invertec v270 tp
  
• Вылет электрода при полуавтоматической сварке
  
• Сварочная проволока для сварки в углекислом газе
  
• Сварка арок ваз 2110