Погонная энергия сварочной дуги

Обновлено: 15.05.2024

Погонная энергия сварки (Дж/см) характеризует количество теплоты в джоулях, введённое в однопроходный шов или валик длиной в 1см и может быть определена как отношение эффективной тепловой мощности дуги Qэф к скорости её перемещения v

установлено, что поперечное сечение однопроходного шва, выполненного дуговой сваркой будет находиться в прямой зависимости от погонной энергии.

Рассмотрим как связаны масса наплавленного металла Gн , время горения дуги tо , скорость перемещения v и сечение валика F, в см 2 :

Где γ – плотность г/см 3 ;

l – длина шва в см.

скорость перемещения дуги может быть выражена следующим уравнением:

подставим это уравнение в уравнение погонной энергии (10), получим

Рассмотрим полученное выражение погонной энергии для случая ручной сварки электродом УОНИ-13/45: напряжение на дуге ……. Uд = 25 В

эффективный к.п. д. дуги …….. η = 0,8

коэффициент наплавки ……..αн = 9,0 г / (А٠ч)

и для случая автоматической сварки под слоем флюса ОСЦ-45, когда:

напряжение на дуге ………… Uд = 36 В

эффективный к.п. д. дуги …….. η = 0,85

коэффициент наплавки ……..αн = 13 г / (А٠ч)

подставим в выражение погонной энергии значения составляющих величин для электродов УОНИ-13/45, получим

Qэф / v = (25·0,8·7,8·3600 / 9,0) · F = 62 400·F

Где 3600 введено для перевода 1ч в секунды,

а при сварке под флюсом ОСЦ-45

Qэф / v = (36·0,85·7,8·3600 / 13) · F = 66 000·F

Учитывая, что значение таких величин, как αн иηпридуговой сварке может колебаться в больших пределах, чем разница между коэффициентами 62 400 и 66 000, для обоих способов сварки можно принять

Qэф / v = 65 000·F (15)

В тех случаях, когда расчёт погонной энергии производится по площади сечения шва, выраженной в мм 2 , уравнение (15) примет вид

Q = Qэф / v = 650·F (16)

Найденная зависимость между сечением и погонной энергией позволяет без длительных расчётов определить , зная значение погонной энергии, сечение валика и наоборот, зная сечение валика, погонную энергию.

Пример: Определить погонную энергию q, если сечение валика F = 60 мм 2 .

Известно, что qп = Qэф / v = 650·F, тогда Qэф / v = 650·F = 650·60 =

Пример 2. Известно, что погонная энергия составляет qп = 26 000 Дж/см. Найти сечение валика F.

Известно, что qп = Qэф / v = 650·F, тогда F = 26 000/650 = 40,0 мм 2 .

Вопросы для самопроверки ( контрольные вопросы)

1. Что такое сварочная ванна ?

2. Из чего состоит металл сварного шва при сварке плавящимися и

3. Какие функции выполняют плавящиеся и неплавящиеся электроды ?

4. Для чего необходима защита сварочной ванны, дуги и конца нагретого

5. На какие виды подразделяется сварка по способу защиты ?

6. В чём сущность сварки покрытыми ?

7. За счёт чего осуществляется защита зоны горения дуги при сварке под

8. В чём сущность сварки в защитных газах ?

9. В чём сущность процесса электрошлаковой сварки ?

10. Каковы особенности электроннолучевой сварки ?

11. Каковы особенности лазерной сварки ?

12. Как называется четвёртое агрегатное состояние вещества в

электрической сварочной дуге ?

13. Что понимается под тепловой мощностью электрической дуги Q ?

14. Что понимается под эффективной тепловой мощностью электрической

15. Что представляет собой эффективный к.п.д. нагрева изделия – η ?

16. Что характеризует собой погонная энергия (Дж/см) и как она определяется ? qп = Qэф / v = IUдη / v;

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Погонная энергия дуги является одной из основных характеристик сварочного процесса и имеет важное значение при определении рационального режима сварки. Поперечное сечение однопроходного шва находится в прямой зависимости от величины погонной энергии. [1]

Погонная энергия дуги и количество жидкого металла в ванне уменьшаются. Это, в свою очередь, уменьшает ширину наплавляемого валика и может вызвать непровар вдоль его кромок. [2]

Оптимальная погонная энергия дуги при сварке стали 14Г2 составляет 10 000 - 12 000 кал / см, при этом получаются вполне удовлетворительные показатели ударной вязкости, твердости, а также размеры зерна. Применение электродов марки ОММ-5 ( тип Э42) дает неудовлетворительные результаты. [3]

Погонной энергией дуги называют количество теплоты, вводимое в 1 см длины однопроходного шва или валика. [4]

Погонной энергией дуги называют количество тепла, вводимого в 1 см длины однопроходного шва или валика. [5]

Сварку вести при повышенной погонной энергии дуги за счет увеличения сварочного тока на 10 - 15 % и уменьшения скорости перемещения дуги вдоль кромок. [7]

Это отношение характеризует погонную энергию дуги . [8]

Это отношение называется погонной энергией дуги . [9]

Эти номограммы выражают зависимость между погонной энергией дуги QCB и скоростью охлаждения w0 с учетом возможных различных значений Т0 - начальной температуры свариваемого металла. [10]

Сварку сплавов Ni стремятся вести на минимально возможной погонной энергии дуги . Для увеличения перехода упрочняющих легирующих элементов ( Al, Ti, Mo, W и др.) в шов эти электроды имеют покрытия с повышенным отношением CaF, к CaCOj и высоким содержанием Mn, A1 иТ1, что обеспечивает их низкую окислительную способность. При сварке под галоидными флюсами в них ограничивают содержание NaF до 5 - 10 %, к-рый реагирует с А1 и Ti. Кроме того, при этом повышается эффект модифицирования и стойкость швов против горячих трещин. [11]

Сварку сплавов Ni стремятся вести на минимально возможной погонной энергии дуги . Для увеличения перехода упрочняющих легирующих элементов ( Al, Ti, Mo, W и др.) в шов эти электроды имеют покрытия с повышенным отношением CaF2 к СаСОз и высоким содержанием Mn, AlnTi, что обеспечивает их низкую окислительную способность. При сварке под галоидными флюсами в них ограничивают содержание NaF до 5 - 10 %, к-рый реагирует с А1 и Ti. Кроме того, при этом повышается эффект модифицирования и стойкость швов против горячих трещин. [12]

Сварку сплавов Ni стремятся вести на минимально возможной погонной энергии дуги . Для увеличения перехода упрочняющих легирующих элементов ( Al, Ti, Mo, W и др.) в шов эти электроды имеют покрытия с повышенным отношением CaF, к СаСО3 и высоким содержанием Mn, Al nTi, что обеспечивает их низкую окислительную способность. При сварке под галоидными флюсами в них ограничивают содержание NaF до 5 - 10 %, к-рый реагирует с А1 и Ti. Кроме того, при этом повышается эффект модифицирования и стойкость швов против горячих трещин. [13]

Сварку сплавов Ni стремятся вести на минимально возможной погонной энергии дуги . Для увеличения перехода упрочняющих легирующих элементов ( Al, Ti, Mo, W и др.) в шов эти электроды имеют покрытия с повышенным отношением CaF2 к СаСОз и высоким содержанием Mn, A1 и Ti, что обеспечивает их низкую окислительную способность. При сварке под галоидными флюсами в них ограничивают содержание NaF до 5 - 10 %, к-рый реагирует с А1 и Ti. Кроме того, при этом повышается эффект модифицирования и стойкость швов против горячих трещин. [14]

Погонная энергия сварки позволяет регулировать длительность охлаждения начиная от 300 С, но ее действие в рассматриваемых условиях менее эффективно, чем - в высокотемпературной области. В то же время предварительный подогрев независимо от толщины свариваемого металла и режима сварки значительно замедляет охлаждение сварного шва. [1]

Погонной энергией сварки называется количество тепла, выделяемое дугой на один сантиметр длины однопроходного сварного шва или валика. [2]

Повышение погонной энергии сварки ( рис. 113) сопровождается расширением разупрочненной зоны и снижением твердости металла в ней. Это вызвано увеличением объема металла, подвергавшегося высокому сварочному нагреву, и замедлением темпа охлаждения. [3]

Снижение погонной энергии сварки за счет применения более экономичных режимов или способов сварки, например автоматической сварки тонколистового металла взамен ручной. В некоторых случаях, если необходимо увеличение деформаций с целью компенсации деформации противоположного знака, погонную энергию сварки увеличивают. [5]

Повышение погонной энергии сварки ( рис. 6.6) сопровождается расширением разупрочненной зоны и снижением твердости металла в ней. Это вызвано увеличением объема металла, подвергавшегося высокому сварочному нагреву, и замедлением темпа охлаждения. [7]

С повышением погонной энергии сварки увеличивается ширина участка разупрочнения и уменьшается предел прочности сварного соединения. При одинаковой эффективной погонной энергии электроннолучевая сварка по сравнению с аргонодуговой дает более узкий разу-прочненный участок и более высокие значения прочности сварных соединений, так как прочность соединений зависит не от уровня твердости разупрочненного участка, а от его ширины. При этом следует учитывать, что участок разупрочнения имеет плавный переход к более прочным участкам зоны термического влияния. Для каждой толщины металла и способа сварки существует определенная ширина разупрочненного участка, при которой обеспечивается максимально возможное контактное упрочнение и достигается равнопрочность сварного соединения основному металлу. [8]

При уменьшении погонной энергии сварки и увеличении интенсивности охлаждения в металле шва и зоны термического влияния возрастает вероятность распада аустенита с образованием закалочных структур. [9]

Влияние подогрева и погонной энергии сварки на скорость охлаждения резче сказывается в пластинах, чем в массивных телах. [10]

Следовательно, повышение погонной энергии сварки обычно целесообразно в случае сварки сравнительно низколегированных сталей типа I. Для сталей типа I благоприятное влияние этих изменений преобладает над отрицательным влиянием, обусловленным развитием перегрева при повышении погонной энергии сварки. [11]

Влияние подогрева и погонной энергии сварки на скорость охлаждения сильнее сказывается в пластинах, чем в массивных телах. [12]

При понижении значений погонной энергии сварки хлодостойкостъ разупрочнешюго участка улучшается. [14]

Следовательно, с повышением погонной энергии сварки расширяется разупрочняемая зона, характеризуемая в данном случае понижением твердости. [15]

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКИ

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 qэ — 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 ηэ 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 υсв.

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

Читайте также: