Тепловой баланс процесса сварки

Обновлено: 17.05.2024

Сварочная дуга характеризуется сосредоточенным выделением теплоты, обеспечивающей высокую эффективность нагрева и плавления металла.

6000 – 8000 0 С – при сварке плавящимся электродом;

10000 - 15000 0 С – при сварке неплавящимся вольфрамовым электродом;

25000 - 30000 0 С – при плазменной сварке и резке.

Количество теплоты, выделяемое сварочной дугой, рассчитывается по формуле:

где:

Эффективная тепловая мощность - количество теплоты, используемое на плавление и нагрев металла в единицу времени (полезно используемое количество теплоты):

где η - эффективный КПД нагрева, зависящий от способа сварки:

0,7 - ручная сварка

до 0,95 - сварка под флюсом

Например, при сварке под флюсомтепловой баланс характеризуется следующим распределением тепла:

• Поглощение основным металлом - 54%

• Перенос каплями - 28%

• Плавление флюса - 17%

Распределение температур (и количества теплоты) по зонам дуги неравномерно (см. рис. 6). Как видно, сильнее разогревается анод, меньше – катод.

Рисунок 6 – Тепловой баланс дуги. Полярность

При сварке может применяться постоянный и переменный ток. При использовании постоянного тока различают сварку на прямой и обратной полярности. При прямой полярности (см.рис.6) электрод подключается к отрицательному полюсу и служит катодом, а изделие – к положительному и служит анодом. При сварке на обратной полярности – наоборот.

Так как сильнее разогревается анод, то сварку на обратной полярности используют в тех случаях, когда есть опасность перегрева металла изделия, т.е. при сварке тонколистовых конструкций, высокоуглеродистых, коррозионностойких и жаропрочных сталей.

Процесс образования сварного шва.

Процесс переноса металла электрода к изделию включает этапы, показанные на рисунке 7, которые прокомментированы ранее (где объясняются способы возбуждения сварочной дуги). Этот процесс повторяется с переходом каждой капли.

Рисунок 7 – Схема переноса металла электрода на изделие

Перенос металла от электрода к металлу может быть разным (в зависимости от способа сварки, а, следовательно, и силы сварочного тока):

- крупнокапельный, характерный для ручной дуговой сварки покрытым электродом;

- мелкокапельный, наблюдается при сварке под флюсом и в защитных газах;

- струйный, имеет место при сварке в аргоне на больших токах.

В зависимости от положения свариваемых конструкций сварка может выполняться в различных пространственных положениях, что определяет выбор способа, режимов и технологии сварки (см. рис. 8).

Силы, действующие на каплю при её переходе в сварочную ванну:

• Силы тяжести- содействуют или препятствуют переходу – в зависимости от пространственного положения сварки;

• Силы поверхностного натяжения – («втягивают» каплю в сварочную ванну) – способствуют переносу металла в сварочную ванну;

• Газовое дутье - возникает за счет испарения металла электрода и давления газов от сгорания обмазки, направлено от электрода к изделию, т.е. способствует переходу капли металла от электрода в сварочную ванну;

• Внутренне газовое давление – газы внутри капли расширяются и разрывают каплю, что способствует переносу металла в сварочную ванну;

• Сжимающие электромагнитные силы – силовое поле стремится уменьшить поперечное сечение проводника в перешейке,отрывая каплю от электрода, т.е. способствуя переходу капли металла в сварочную ванну;

• Продольная электрическая сила – направлена от электрода - к изделию (плотность тока на электроде больше, чем на изделии), способствует переносу металла в сварочную ванну.

Рисунок 8 – Пространственные положения сварки

Сварочной ванной (см. рис. 9) называют объем металла, находящийся в данный момент времени в расплавленном состоянии. Размеры сварочной ванны: длина, ширина и глубина (провар), - зависят от способа сварки (см. рис. 9) и влияют на процесс формирования сварного шва, а также технологию сварки.

Рисунок 9 – Сварочная ванна

Контрольные вопросы:

1. Объясните, от чего зависит количество теплоты, выделяемое при сварке. Какая из величин в формуле (2) используется для повышения производительности процесса сварки (увеличения количества теплоты)?

2. Проанализируйте распределение теплоты (тепловой баланс) при сварке под флюсом и назовите полезные составляющие (с точки зрения сварочного процесса) и потери.

3. Что такое прямая и обратная полярность? В каких случаях и с какой целью используется сварка на обратной полярности?

4. Перечислите силы, способствующие и препятствующие переходу капли расплавленного металла электрода в сварочную ванну. Как Вы считаете, почему возможна сварка не только в нижнем, но и других пространственных положениях?

Тепловой баланс дуги. Магнитное «Дутье»

1) Катодную область, граничащую с катодным пятном, под которым понимается ярко святящееся белым цветом место на торце электрода во время горения дуги. Размер катодной области небольшой, порядка десятых – сотых долей миллиметра. Эта область характеризуется выходом с катода электронов, за счет термоэлектронной эмиссии.

2) Анодную область, граничащую с анодным пятном, под которым понимается так же ярко святящееся место в сварочной ванне. Размер анодной области на порядок меньше, чем катодной области и составляет сотые доли миллиметра. Эта область характеризуется входом электронов в анод.

3) Основное место в дуге занимает столб дуги, который находится между анодной и катодной областями. Эта область характеризуется тем, что здесь происходит ионизация газов воздушного промежутка.

Распределение температуры по областям следующее:

- в катодной области Т=2200-2400 град., т.е. выше температуры плавления железа (1539 град.), за счет чего металлический электрод плавится.

- В анодной области Т=2400-2600 град., выше на 200 град., т.к. ускоренные электроны в аноде тормозятся и кинетическая энергия их движения переходит в тепловую.

- В столбе дуги Т=5000-7000 град, наиболее высокая температура.

Это объясняется плазменным состоянием газов в столбе дуги, когда их частицы ионизированы и ускоренно направленно перемещаются.

Знание распределения температуры в дуге используются на практике. Например, сварку тонкого металла, во избежании прожогов, следует вести на постоянном токе обратной полярности. При сварке легированных сталей, когда используются более тугоплавкое основное покрытие электродов, так же ведут на обратной полярности.

Напряжение дуги складывается из суммы падений напряжений во всех трех областях: U d = U k + U c+ U a, которые можно представить в виде трех последовательно соединенных резисторов.

Причем, падение напряжения в катодной и анодной областях постоянны для данного процесса сварки и от длины дуги не зависит, а падение напряжения в столбе дуги во многом зависит от ее длины. Чем больше длина дуги, тем больше ее столб, а значит больше будет его сопротивление. Исходя из закона Ома U = I * R, чем больше R , тем больше будет U . И наоборот, чем меньше длина дуги, тем меньше будет ее напряжение.

Экспериментально установлено следующее соотношение между напряжением и длиной дуги

где, «а» и «b» - коэффициенты, для ручной дуговой сварки а = 10 В; b= 2 В\мм

Один из навыков сварщика ручной дуговой сварки, определяющий его квалификацию, умение поддерживать постоянную длину дуги, так как изменение ее длины сказывается на ширине шва и его внешнем виде.

Тепловой баланс дуги. Магнитное «Дутье»

Тепловой баланс дуги

Дуга в сварочной цепи является проводником электрической энергии и в ней, как и любом проводнике выделяется тепло, которое можно определить по закону Джоуля – Ленца

Если принять это тепло за 100 % и рассмотреть, как оно распределяется, то установлено, что около 50 % тепла расходуется для расплавления свариваемого металла около 30 % ( 15%+15%) – на расплавление электродного стержня и обмазки, около 20 % уходит на тепловое рассеивание и около 5 % (из 50% ), при сварке сталей, в окружающий металл за счёт теплопроводности. При сварке теплоёмких цветных металлов этот процент больший.

Поскольку ручная дуговая сварка относится к способам сварки плавлением, когда металл в зоне сварки необходимо иметь в расплавленном состоянии , 50% и 30% тепла необходимо, а 20% и 5 % - являются тепловыми потерями . Поэтому введён коэффициент полезного действия сварочной дуги (К.П.Д) , зависящий от способа дуговой сварки:

- при сварке покрытый электродами, он составляет 0.75 – 0.8

-при сварке угольным электродом – 0.5-0,6

- при сварке в защитных газах – 0,5-0,6

- при сварке под флюсом – 0,9-0,93

Меньший К,П,Д, при сварке угольным электродом объясняется тем, что используется длинная дуга и неизбежно связанные с этим тепловые потери. При сварке угольным электродом объясняется тем, что используется длинная дуга и неизбежно связаны с этим тепловых способов. При сварке в защитном газе к.п.д. так небольшой, а самый большой, при сварке под флюсом, когда дуга является закрытой с меньшими тепловыми потерями.

Эффективную тепловую мощность дуги, т.е. тепло в калориях, которое необходимо для расплавления металла, можно определить по формуле

где «n» это к.п.д. сварочной дуги, а поскольку он меньше единицы, то и эффективная тепловая мощность дуги, меньше полной мощности.

Особенностью сварочной дуги является то, что она является гибким проводником , в отличии от жёстких металлических . А поскольку, вокруг проводника по которому проходит ток, возникает направленное магнитное поле, то оно может оказать отклоняющее действие на дугу.

Таким образом, отклонением дуги от оси под действием направленных магнитных полей, называется магнитным «дутьем» . Причём проявляется магнитное «дутье» при сварке на постоянном токе и чем больше сила сварочного тока, тем больше дуга отклоняется от оси.

Причинами магнитного «дутья» являются:

А) несимметричный токоподвод, под которым понимается то, что обратный провод присоединён к свариваемому металлу далеко от места сварки и в металле возбуждается направленное магнитное поле, отклоняющее дугу от оси.

Б) Ферромагнитная масса, близко расположенная к месту сварки, приводит к тому, что дуга отклоняется в её сторону, она как бы притягивает ее. На практике, влияние ферромагнитной массы, чаще всего проявляется при сварке деталей разной толщины.

Влияние магнитного «дутья» показывает отрицательное воздействие на механические свойства шва и приводит к образованию дефектов, так как уменьшается глубина проплавления, ухудшается защита сварочной ванны, кроме того, дуга иногда блуждает и трудно управлять ею. Для того чтобы избежать магнитного «дутья» рекомендуется при сварке на постоянном токе:

1) Присоединять обратный провод близко к месту сварки.

2) Если это не удаётся, использовать дополнительную ферромагнитную массу.

3) Если сварку необходимо ввести вблизи феромагнитной массы, использовать несимметричный токопровод.

4) Вести сварку наклонным , в сторону отклонения дуги, электродом.

5) Использовать сварку на переменном токе, когда магнитного «дутья» практически не наблюдается.

КОЭФФИЦИЕНТЫ ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ДУГИ

К ним относится:

1) Коэффициент расплавления, который определяется по формуле

Кр = Рр.м./ I св * t (r/А*ч)

Он показывает, какое количество электродного металла расплавится, при силе тока в 1А., в течении 1 часа. Значение этого коэффициента можно определить, для каждой марки электрода по справочникам.

2) На практике, все же желательно знать, сколько металла наплавится при тех же условиях, т. е. при силе тока в 1 А. в течении 1 часа.

Для этого введен коэффициент наплавки, который обязательно определен для каждой марки электрода и приводится в справочниках, а иногда и на ярлыках пачек электродов. Коэффициент наплавки определяется:

Кн = Рн.м./ Iсв * t (r/А*ч)

3) Масса расплавленного метала всегда больше массы наплавленного, так часть металла уходит на разбрызгивание и угар и Кр всегда больше Кн.

Для определения потерь метала, введен коэффициент потерь, который показывает в % сколько электродного металла теряется. Он определяется:

Кп = Кр - Кн/ Кр * 100% или Кп = Рр.м. – Рн.м./Рр.м.*100%

При сварке плавящимся металлическим электродом Кп = 5 – 10%

Из трех коэффициентов, наиболее употребим Кн. Значение которого расшифровывается следующим образом:

Например, у электрода марки МР – 3 Кн = 7,8 г/А*ч, а у электрода марки

АНО-1 Кн = 15 г/А*ч. Допустим, сварка ведется при сварочном токе 200А

У электрода МР – 3 за 1 ч. наплавится 7,8*200=1560 г металла, а у электрода АНО – 1 при тех же условиях 15*200=3000 г.

Отсюда электрод марки АНО -1 производительнее МР – 3.

Основные факторы риска неинфекционных заболеваний: Основные факторы риска неинфекционных заболеваний, увеличивающие вероятность.

Примеры решений задач по астрономии: Фокусное расстояние объектива телескопа составляет 900 мм, а фокусное .

Поиск по сайту

Свойства сварочной дуги

5. 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
Сварочная дуга является мощным
концентрированным источником
теплоты

6. Полная тепловая мощность дуги Q (Дж/с)

• зависит от силы сварочного тока Iсв (А) и напряжения
дуги Uд (В):
Q = Iсв Uд.
• 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».
Полная тепловая
мощность дуги Q (Дж/с)

8. Тепловой баланс дуги

• Характер
распределения
полной
тепловой
мощности по
отдельным
статьям
расхода
определяют
термином
«тепловой
баланс дуги».
Тепловой баланс дуги

9. Эффективная тепловая мощность дуги - G

• 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.
• .
Эффективная тепловая
мощность дуги - G

10. Эффективная тепловая мощность дуги

определяется уравнением
q = Iсв Uд h,
h - 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
Эффективная тепловая
мощность дуги

11. Значение h для различных способов сварки

12. Вопросы для повторения

• Что такое полная тепловая мощность дуги?
Из чего она состоит?
• Что такое эффективная тепловая
мощность сварочной дуги?
• выведите формулу коэффициента
полезного действия сварочной дуги
• Приведите примеры КПД при различных
видах сварки
• В каких случаях сварщик должен
учитывать КПД дуги?
Вопросы для повторения

13. Перенос электродного металла на изделие

14. 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.
Нагрев и плавление
электрода

15. 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. 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.
Расплавляясь в процессе сварки, жидкий
металл с торца электрода переходит в
сварочную ванну в виде капель разного
размера

16. Силы, действующие на капли металла в дуговом промежутке

Вид переноса электродного металла (размер капель, частота их перехода)
определяется соотношением сил, действующих на расплавленный электродный
металл во время расплавления его на конце электрода и перехода через дуговой
промежуток в сварочную ванну.
Сила тяжести способствует перехода металла при сварке в нижнем положении и
препятствует при сварке в потолочном. Она оказывает наибольшее влияние на
перенос электродного металла при сварке на малых токах.
Силы поверхностного натяжения придают каплям металла сфероидальную
форму, удерживают капли на конце электрода, втягивают металл в жидкую
сварочную ванну.
При увеличении температуры силы поверхностного натяжения уменьшаются.
Электродинамические силы являются результатом действия магнитного поля,
возникающего при происхождении по электроду сварочного тока, оказывающего
сжимающее действие на электрод (рис.).
С увеличением сварочного тока величина сил увеличивается.
Силы, действующие на капли
металла в дуговом
промежутке

17. 8.Механизм действия электродинамических сил на расплавленную часть электрода

18. Режим струйного переноса

• Режим струйного (Spray Transfer) переноса металла.
При достаточно высоких плотностях постоянного по
величине (без импульсов или с импульсами)
сварочного тока обратной полярности и при горении
дуги в инертных газах (содержание аргона не менее
80%) может наблюдаться очень мелкокапельный
перенос электродного металла. Название
он получил потому, что при его наблюдении
невооруженным глазом создается впечатление, что
расплавленный металл стекает в сварочную ванну с
торца электрода непрерывной струей.
Режим струйного
переноса

19. режим струйного переноса

• Поток капель направлен строго по оси от электрода к
сварочной ванне. Дуга очень стабильная и ровная.
Разбрызгивание очень небольшое. Валик сварного
шва имеет гладкую поверхность. Энергия дуги
передается в металл в форме конуса, поэтому
наплавляемый металл имеет поверхностное слияние.
Глубина проплавления больше, чем при
циклическом режиме сварки короткой дугой, но
меньше, чем при крупнокапельном переносе.
режим струйного
переноса

20. Вопросы для повторения

21. Особенности сжатой дуги

• Основные показатели производительности процесса
сварки.
• Коэффициенты наплавки и расплавления.
Коэффициент потерь.
• Плазмообразующий газ. Особенности горения сжатой
дуги
Особенности сжатой
дуги

22. Сварка сжатой дугой

• применяется при изготовлении изделий из
высоколегированных сталей, титана, никелевых сплавов,
молибдена, вольфрама и многих других металлов и их
сплавов.
• Пятну нагрева при сварке сжатой дугой может быть
придана различная форма путем применения специальных
сопел
• Если необходимо иметь пятно нагрева вытянутой формы, то
в сопле делают два дополнительных отверстия. Через них
поступает холодный плазмообразующий газ. Он уменьшает
поперечный размер пятна нагрева и придает ему вытянутую
форму. При сварке таким соплом зона термического влияния
сужается, а скорость сварки возрастает на 50. 100 %.
• Соплом с дополнительными отверстиями создают
фокусирующий газовый поток направленный под углом к
оси столба дуги и дополнительно сжимающий дугу.
Сварка сжатой дугой

23. Примеры плазменной сварки и резки

24. Сжатая дуга применяется для плазменной сварки и резки металлов

• Для концентрации тепла дуги и повышения ее
температуры столб дуги сжимают с помощью
специальной конструкции сопла плазменной горелки
или потока газа. В этом случае уменьшается площадь
поперечного сечения столба дуги, а температура
дуговой плазмы повышается за счет увеличения
числа упругих соударений частиц (электронов, попов
и др.).
Сжатая дуга применяется для
плазменной сварки и резки металлов

25. Сжатая дуга бывает косвенного или прямого действия

• В первом случае электрическая дуга горит между
вольфрамовым электродом - катодом и соплом
горелки - анодом, при этом объект сварки не включен
в цепь сварочного тока. Поток инертного газа
выдувает дуговую плазму из сопла горелки в виде
яркого концентрированного пламени, температура
которого может достигать 20 000 ° С.
Сжатая дуга бывает
косвенного или прямого
действия

26. Сжатие дуги достигается уменьшением диаметра сопла плазменной горелки, а также действием инертного газа, который, проходя через

• При сжатой дуге прямого действия объект сварки
является одним из электродов. Обычно
вольфрамовый электрод плазменной горелки
является катодом, а анодом служит изделие.
• Во избежание перегрева сопла плазменной
горелки (плазмотрона) его изготовляют из меди и
охлаждают проточной водой, циркулирующей по
внутренним каналам.
Сжатие дуги достигается уменьшением диаметра сопла плазменной горелки,
а также действием инертного газа, который, проходя через сопло, дополнительно
уменьшает сечение столба дуги и в то же время изолирует плазму от стенок сопла
горелки.

27. Сжатой дугой можно производить сварку с глубоким проплавлением, образуя в сварочной ванне сквозное отверстие, по форме

• Столб дуги при этом погружается в ванну почти
на всю толщину кромки детали, выдавливая
жидкий металл. При движении дуга как бы
раздвигает расплавленный металл, направляя его
в хвостовую часть ванны. Процесс похож на
плазменную резку, но жидкий металл из ванны не
удаляется.
Сжатой дугой можно производить сварку с
глубоким проплавлением, образуя в сварочной
ванне сквозное отверстие, по форме
напоминающее сверху замочную скважину.

28. Сжатой дугой можно производить сварку с глубоким проплавлением, образуя в сварочной ванне сквозное отверстие, по форме

• С обратной стороны через отверстие вырывается
факел остывающего газа. Такой способ сварки
требует очень точного поддержания режимов
сварки и качественной подготовки стыка, так как
металл в ванне удерживается только за счет сил
поверхностного натяжения.
Сжатой дугой можно производить сварку с
глубоким проплавлением, образуя в сварочной
ванне сквозное отверстие, по форме
напоминающее сверху замочную скважину.

29. Основные показатели производительности процесса сварки

• Коэффициенты наплавки
• Коэффициент расплавления.
• Коэффициент потерь
Основные показатели
производительности процесса
сварки

30. Производительность расплавления электродов

Производительностью расплавления электродов
называют массу расплавленного сварочной дугой
электродного металла в единицу времени.
Производительность расплавления электродов
ПР зависит от количества тепла, сообщенному
электроду и определяется по формуле
ПР= Р I, г/ч
Производительность
расплавления электродов

31. коэффициент наплавки

• Для оценки процесса наплавки
применяется коэффициент
наплавки Н, определяемый по
формуле
коэффициент наплавки

• Для оценки величины потерь введен, так
называемый коэффициент потерь ,
показывающий какая доля расплавленного
металла теряется. Определяется по одной из
равнозначных формул
(5)
и

33. Вопросы для закрепления

Что больше для одного и того же
электрода:
• – коэффициент наплавки,
• - Коэффициент расплавления
• - коэффициент потерь?
Вопросы для
закрепления

34. Вопросы для закрепления

35. От чего зависят потери металла при сварке?

При проведении сварочных работ не вся масса расплавленного
электрода переносится в сварной шов. Причины:
• разбрызгивание расплавленного металла, его испарение, а
также угар, вызываемый горением сварочной дуги.
Уровень потерь металла электрода при сварке зависит от
нескольких факторов:
• от состава проволоки, используемой для изготовления
электрода
• от типа покрытия, применяемого при изготовлении
электрода
• от режима сварки
• от типа сварного соединения.
От чего зависят потери
металла при сварке?

36. Зависимость положения при сварке от толщины покрытия электрода и от коэффициента наплавки.

37. Зависимость положения при сварке от толщины покрытия электрода и от коэффициента наплавки

• Толщина покрытия электрода может быть средней,
большой и повышенной.
• Электроды с покрытием большой толщины
отличаются высокой производительностью –
коэффициент наплавки у них составляет до 12г/А-ч.
Они также могут, по большому счету, применяться в
любом пространственном положении, но наибольшую
эффективность они покажут при сварке в нижнем
положении, а шов при этом должен иметь достаточно
большую протяженность.
Зависимость положения при сварке
от толщины покрытия электрода и
от коэффициента наплавки

38. знание коэффициента наплавки электрода довольно важно при проведении сварочных работ

Именно от коэффициента наплавки зависит
качество подготовки к проведению сварочных
работ:
- подготовка нужного количества электродов, что
обеспечивает непрерывность работ,
- качество выполнения самого сварного
соединения, так как на основе знания
коэффициента наплавки сварщик может
определить, в каком положении ему лучше всего
производить работы и сколько времени для этого
потребуется.
знание коэффициента наплавки
электрода довольно важно при
проведении сварочных работ

39. Вопросы на сообразительность

• Как бы вы предложили определить
коэффициент наплавки?
• Коэффициент расплавления ?
• Коэффициент потерь?
Вопросы на
сообразительность

40. Подсказки- путанки

• Вспомните Архимеда
• На какое геометрическое
тело похож сварной шов?
• Какую геометрическую
фигуру напоминает сврной
шов?
Подсказки- путанки

Термодинамика сварки и баланс энергии при сварке

Анализ физико-химических особенностей получения сварных соединений позволяет установить наличие в зоне сварки двух основных физических явлений, связанных с необратимым изменением энергии и вещества (рисунок 1.4): введение и преобразование энергии; движение (превращение) вещества.

Рисунок 1.4 – Схема термодинамических превращений энергии

и вещества при сварке

Вид, интенсивность вводимой энергии и характер ее преобразования – вот главное, что определяет способ сварки. Введение энергии – всегда необходимое условие сварки, так как без этого невозможна активация соединяемых поверхностей; введение вещества необходимо только при некоторых видах сварки плавлением, причем энергия в этих случаях может быть введена также с расплавленным металлом.

Характер движения (переноса) вещества в зоне сварки сильно меняется от процесса к процессу. Движение значительно при сварке плавлением, особенно при наличии присадочного материала. При сварке давлением с нагревом металл в зоне стыка испытывает незначительные превращения и существенно только движение вещества через стык в результате диффузии. Холодная сварка реализуется практически без движения вещества, если не учитывать переползания дислокаций и выхода их на поверхность (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 – Схема получения монолитного соединения при

Исходя из сказанного, можно дать так называемое термодинамическое определение сварки: сварка – это процесс получения монолитного соединения материалов за счет термодинамического необратимого преобразования тепловой и механической энергии и вещества в месте соединения.

Кроме термодинамического, возможны и другие определения сварки. Например, согласно ГОСТ 2601-84: сварка – это процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном нагреве или пластическом деформировании либо при совместном действии того и другого.

Энергия и пути ее преобразования являются доминирующими факторами, которые определяют сварку как физико-химическое явление.

Рассмотрение термодинамической структуры сварочных процессов позволяет подразделить их по виду введенной энергии на термические, термомеханические и механические процессы.

На основании первого закона термодинамики можно подсчитать изменение внутренней энергии системы соединяемых элементов, теоретически необходимое для образования монолитного соединения при данных конкретных условиях, в которые входят источник энергии, материал изделий, конструкция соединения и т. д.

Типовой баланс энергии при сварке

Для количественной оценки процессов передачи и термодинамического преобразования энергии при разных видах сварки необходимо определить обобщенную схему баланса энергии. В нее входят следующие основные ступени передачи энергии (рисунок 1.6): сеть питания; источник энергии для сварки или преобразователь энергии ПЭ; носитель энергии – инструмент, передающий энергию от источника энергии к зоне сварки (резки или напыления); изделие – зона сварки (стык соединяемых деталей).

Рисунок 1.6 – Обобщенная схема баланса энергии сварочного

а) стыковых соединений

б) нахлесточных соединений

в) крестообразных соединений

Рисунок 1.7 – Схема выбора рабочей площади S для расчета удельной

При изучении преобразования энергии в сварочных процессах удобно использовать удельную энергию ε, определяемую в расчете на единицу площади сварного соединения S (рисунок 1.7).

Обозначения удельной энергии на различных стадиях преобразования в схеме баланса энергии (рисунок 1.6) приняты следующие:

ε_вх – энергия, получаемая сварочной установкой от сети питания; она может использоваться непосредственно на сварку (ε_св) и вспомогательные операции (ε_всп);

П₁ – потери энергии в сварочном источнике, с их учетом энергия ε_св составит: ε_св = ε_вх - П₁;

П₂ – потери в инструменте при передаче энергии изделию; ε_и – энергия,

П₃ – потери энергии в изделии теплопроводностью;

П₄ – потери уноса (с испарившимся или выплавленным материалом);

ε_ст – энергия, аккумулированная в зоне стыка: ε_ст = ε_и – (П₃ + П₄).

Потери уноса характерны главным образом для резки, но могут возникать и при высокоинтенсивных процессах лучевой сварки.

Отдельные ступени передачи энергии в схеме ее баланса в зависимости от вида сварочного процесса могут существенно изменятся и даже отсутствовать совсем. Например, носитель энергии (инструмент) в термических процессах – это луч, дуга или пламя, а при контактной сварке – сам нагретый металл в зоне контакта.

КПД сварочных процессов

Каждая ступень передачи энергии от источника к изделию может иметь свой коэффициент полезного действия (КПД). Из теории распространения теплоты при сварке известны эффективный (η_и) и термический (η_t) КПД сварочного процесса, которые принято выражать так:

Термодинамический КПД сварочного процесса:

который по форме аналогичен КПД процесса проплавления (например, при дуговой сварке листов), однако имеет более общий характер. Термодинамический КПД сварочного процесса показывает отношение минимальной удельной энергии ε_ст, необходимой в зоне сварки для выполнения данного соединения, к требуемой энергии сварочного источника, передаваемой инструменту. Удельная энергия ε_ст соответствует в данном случае изменению энергосодержания зоны стыка, отнесенному к площади получаемого сварного соединения.

Физический КПД процесса соединения металлов: η_ф = ε_р/ε_и .

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.

Читайте также: