Тепловые процессы при электрической сварке плавлением

Обновлено: 04.10.2024

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.

2.2. Тепловые процессы при сварке.

Энергия теплового источника (электрической .дуги, газового пламени и т.д.) расходуется на нагрев металла детали, на расплавление электрода или присадочного материала, на плавление защитного флюса (обмазки электрода ) и на тепловые потери. Распределение температуры в свариваемом металле зависит от мощности теплоисточника, физических свойств металла ( теплоемкость, температура плавления и др.), размеров конструкции, скорости перемещения и т.д.

На рис.2.4. показаны изотермы — овальные кривые, сгущающиеся впереди движущегося при сварке источника тепла (электрической дуги, пламени горелки,…) . Изотерма 1600 °С это температура плавления стали, она определяет ориентировочный размер сварочной ванны. Изотерма 1000 °С указывает на зону перегрева металла, 800 °С изотерма показывает зону закалочных явлений, а 500°С- зону отпуска.

Отличия сварочной ванны от металлургической ванны :следующие:

- малый объем и кратковременность существования ванны ,поэтому плохо перемешивается металл, возможны поры (не успевают выделиться газы ) и шлаковые включения в сварном шве;

-значительная поверхность контакта расплавленного металла с атмосферой., поэтому происходит выгорание « полезных» кремния и магния и образование окислов железа (наличие кислорода в стали приводит к снижению её прочности , пластичности и коррозийной стойкости и сообщает стали красноломкость) и насыщение сварного шва азотом (увеличивается хрупкость ).

Сварной шов образуется за счет расплавления металла электрода и частично основного металла (рис. 2. 5.). В зоне сплавления кристаллизуются зерна, принадлежащие как основному, так и присадочному металлу. В зоне термического влияния из-за быстрого нагрева и охлаждения металла происходят структурные изменения металла.

Свойства сварного соединения определяются характером тепловых воздействий на металл в околошовных зонах. Следовательно, может быть прочный, пластичный сварочный шов, но из-за термических воздействий на деталь качество сварки в целом низкое (рис 2.6) .

Величина зоны термического влияния составляет при ручной электродуговой сварке для обычного .электрода. 2. 2,5 мм, а для электродов с повышенной толщиной обмазки — 4. 10 мм. При газовой сварке зона термического влияния существенно возрастает (.до 20. 25 мм).

В зоне термического влияния могут быть участки :

-старения ( 200. 300 °С );

-отпуска ( 250. 650 °С );

-неполной перекристаллизации ( 700. 870 °С );

-нормализации ( 840. 1000 °С );

-перегрева ( 1000. 1250 °С );

-околошовный участок , примыкающий к линии сплавления (от 1250 °С до 1600°С).

При сварке возможны два предельных случая :

-резкая закалка при быстром охлаждении околошовного участка;

-перегрев при медленном охлаждении и образование крупных зерен аустенита.

Тепловые процессы при сварке.

Свариваемость металлов.

Свариваемость — комплексная технологическая характеристика, отражающая реакцию свариваемых материалов на технологический процесс сварки, и возможность получения сварных соединений, удовлетворяющих условиям эксплуатации.

Три группы факторов, определяющих свариваемость :

1.Химический состав и структура металла, наличие примесей, степень раскисления, предшествующие операции изготовления (ковка, прокатка, термообработка) деталей.

2.Сложность формы и жесткость конструкции, масса и толщина металла, последовательность выполнения сварных швов.

3.Технологический фактор : вид сварки и сварочные материалы, режимы термических воздействий на основной материал.

Степень свариваемости это качественная или количественная характеристика ответа на вопросы: «Как изменяются свойства металла при сварке?», «Выполнимо ли сварное соединение?».

Основной характеристикой свариваемости является отсутствие холодных или горячих трещин при сварке.

Трещины, образующиеся при температурах выше 800. 900 °С называются горячими, а при температурах ниже 200. 300°С — холодными. Холодные трещины образуются под влиянием трех факторов :закалочных явлений, присутствия атомов водорода и остаточными растягивающими напряжениями.

Чувствительность сварного соединения к образованиям холодных трещин оценивают эквивалентным содержанием углерода в детали:

Сэкв = С + Mn / 6 + (Cr + V + Mo) / 5 + (Ni + Cu ) / 15.

При Сэкв < 0,45 сталь сваривается без холодных трещин., а при Сэкв >0,45 — стали склонны к образованию холодных трещин. В этом случае необходим предварительный подогрев свариваемого изделия до температуры :

Т= 350 (С общ -0,25) ½ ,

где Собщ — общий эквивалент углерода , зависящий от Сэкв и толщины h свариваемых деталей:

С общ = Сэкв ( 1 + 0,005 h ) .

Пример: Определить возможность сварки деталей толщиной 5 мм из стали 40ХН.

Находим по содержанию химических элементов в этой стали Сэкв : Сэкв=0,4+1/5+1/15=0,67 > 0,45 .

Следовательно, необходимо нагревать детали перед сваркой. С учетом поправки на толщину детали получаем значение Собщ:

Собщ= 0.67( 1+0,005 ´ 5)=0,69.

Далее определяем температуру, до которой деталь нужно нагреть перед сваркой:

Т=350 (0,67-0,25) ½ =232 °С.

Чувствительность сварного соединения HCS к образованию горячих трещин находится по формуле:

HCS = C ( S + P + Si/25 + Ni/100 ) 103 .

Для высокопрочных сталей коэффициент HCS должен быть менее 1,6. 2.

Деформации при сварке.

Деформации деталей конструкции при сварке происходят вследствие образования внутренних напряжений, причинами которых являются ( рис.2.7.):

1. Температурные деформации из-за местного нагрева изделия ;

2. Усадка наплавленного металла;

3. Фазовые превращения, происходящие в металле при охлаждении.

В результате местного нагрева при сварке происходит значительное местное расширение металла, в то время как остальная часть изделия остается в холодном состоянии. Это приводит к образованию внутренних напряжений и к изгибам элементов конструкции.

Усадка металла ,происходящая вследствие уменьшения объема жидкого металла при затвердевании, является второй по значимости причиной появлений внутренних напряжений .

Фазовые превращения при охлаждении нагретого при сварке металла также сопровождаются относительно небольшим изменением объема металла. Так ,для сталей переход a-железа в g -железо вызывает изменение объема примерно на 1 %., это (третья причина) также приводит к образованию внутренних напряжений.

Деформации изделия при сварке( рис. 2.8) могут быть уменьшены правильным выбором вида сварки и технологии её осуществления. Сварка, при которой изделие получает сосредоточенный нагрев, например, электродуговая сварка, вызывает коробления меньше, чем сварка, при которой нагревается значительный участок детали ,например, сварка газовым пламенем. Деформации при сварке плавлением больше, чем при сварке давлением.

Некоторое уменьшение коробления изделия достигается отводом тепла со свариваемого участка подкладыванием медной пластинки с обратной стороны шва, прикладыванием около шва асбеста, смоченного водой и т.п.

Коробление можно уменьшить и путем уравновешивания образовавшихся деформаций. При этом способе места соединения деталей разбивают на участки, сварка которых ведется в таком порядке, чтобы деформации, получаемые при сварке на отдельных участках, были равны по величине и противоположны по направлению. Например, при сварке двутавровой балки из трех частей можно применять очередность сварки отдельных участков, показанную на рисунке 2.9.

Значительное уменьшение деформации достигается способом «обратноступенчатой» сварки. При этом способе кромки деталей, подлежащие сварке, делят на части, которые сваривают в последовательности, показанной на рисунке 2.10. Коробление изделия в данном случае получается значительно меньше, т.к. деформации коротких швов не в состоянии вызывать значительную деформацию всего изделия.

Уменьшить коробление свариваемых изделий можно также способом «обратных деформаций». Он заключается в том, что соединяемые детали предварительно отгибают в сторону, обратную сварочным деформациям ( рис. 2.11). В процессе сварки они принимают требуемую, или очень близкую к требуемой, форму.

Широко применяется также способ жесткого закрепления свариваемых деталей при помощи специального приспособления или путем прихватки, т.е. предварительной сварки кромок в нескольких точках по длине сварки.

Полностью избежать деформаций при сварке не удается, но уменьшить их до приемлемых значений можно за счет использования следующих конструкторских и технологических мероприятий:

-рациональной конструкции сварного узла;

-припуска на усадку шва по размерам и форме изделия;

-рациональной сборки и подготовки к сварке;

-выбора наиболее рационального способа сварки;

-предварительного, сопутствующего и последующего подогрева изделия;

-проковки зоны сварного шва (в горячем состоянии или после остывания);

-общей термообработки сварного изделия.

На 85 …90% остаточные напряжения при сварке снижаются при высоком отпуске сварных конструкций ( нагрев до 550… 680 °С и охлаждение на воздухе). При местном отпуске нагревается часть конструкции около сварного соединения ; после остывания ее остаточные напряжения останутся, но будут меньшие по величине. Иногда проводят поэлементный отпуск отдельных сборочных элементов конструкции, а после этого окончательная сборка конструкции.

Снижение деформаций происходит при проковке металла после сварки по горячему металлу или после полного остывания детали.

Наиболее эффективными являются конструкторские и технологические мероприятия до сварки: рациональное конструирование изделия , обоснование минимально допустимых размеров швов, выбор способов сварки с наименьшими погонными энергиями, предотвращение одностороннего расположения сварных швов, использование соединений с отбортовкой кромок вместо нахлесточных или стыковых соединений, выбор рациональной последовательность сварки.

Газовым пламенем или другими способами после сварки иногда проводят местный нагрев тех зон, последующая усадка которых также уменьшает деформации изделия.

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ - конструкции, предназначенные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Папиллярные узоры пальцев рук - маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

© cyberpedia.su 2017-2020 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!

Тепловые Процессы При Электрической Сварке Плавлением

Сварочная дуга является мощным концентрированным источником теплоты, температура столба дуги по его продольной оси составляет более 6000 °С, при этом большая часть электрической энергии, потребляемая дугой, превращается в тепловую. Распределение теплоты вдоль дугового промежутка происходит в соответствии с падением напряжения в его областях (см. рис. 13). При электрошлаковой сварке теплота получается за счет прохождения тока по шлаковой ванне. Электрическая мощность (Вт) в общем виде выражается уравнением:
Р = I _СВU _СВ,
где I_СВ – ток, протекающий в сварочной цепи, А;
U_СВ – напряжение на дуге или шлаковой ванне, В.
Электрическая энергия, потребляемая при электрической сварке, в основном превращается в тепловую. Поэтому полную тепловую мощность сварочной дуги или шлаковой ванны можно определить по уравнению (Вт):
Q = kI _СВU _СВ
где k – коэффициент, учитывающий влияние, оказываемое несколько меньшим напряжением зажигания дуги, чем напряжение холостого хода.
При сварке на постоянном токе коэффициент принимается равным единице, а при сварке на переменном токе – 0,70—0,97 (в зависимости от состава атмосферы дуги, состава шлаковой ванны, теплофизических свойств электродов и соотношения между напряжением холостого хода источника питания дуги и напряжением дуги). Не вся теплота используется полностью на расплавление металла, часть ее расходуется непроизводительно. Характер использования полной тепловой мощности процесса можно установить по тепловому балансу, показывающему, как и на что расходуется полная тепловая мощность при дуговой или электрошлаковой сварке. Эффективная тепловая мощность процесса электрической сварки плавлением есть количество теплоты, введенное в изделие в единицу времени. Непроизводительная часть расходуется на теплоотдачу в окружающую среду, на нагрев ползунов (при электрошлаковой сварке) и т. д.; эта часть составляет потери теплоты при сварке. Эффективная тепловая мощность определяется из уравнения:
Q_эф = Q_? = kI _СВU _СВ?;
где ? – эффективный КПД нагрева изделия, который представляет отношение эффективной тепловой мощности дуги (или электрошлакового процесса) к полной тепловой мощности.
Ниже приведены значения КПД для некоторых способов сварки:
для дуговой сварки тонкопокрытым электродом……………………0,50—0,65
неплавящимся электродом в защитном газе…………………………..0,50—0,60
толстопокрытым электродом………………………………………………..0,80—0,95
под флюсом………………………………………………………………………..0,80—0,95
для электрошлаковой сварки………………………………………………..0,70—0,85
Эффективная тепловая мощность зависит от способа сварки, состава покрытия и флюса, материала электрода, а также типа сварного шва. Так, например, при одной и той же электрической мощности КПД дуги будет больше при сварке стыкового соединения с разделкой кромок, чем при наплавке на плоскость. Теплота, выделяемая в дуге, наиболее рационально используется при автоматической сварке.
При дуговой сварке нагрев и расплавление электрода осуществляются за счет энергии, выделяемой дугой в активном пятне, расположенном на его торце. Нагрев вылета электрода происходит за счет теплоты, выделяемой при прохождении по нему тока по закону Джоуля-Ленца. Вылетом называется участок электрода от места контакта с токоподводящим устройством до его конца. Например, при сварке вручную вылет электрода в начале сварки составляет 200– 400 мм и в конце сварки 30—40 мм. При автоматической и механизированной сварке под флюсом и в защитных газах вылет электродной проволоки составляет 12—70 мм в зависимости от ее диаметра и теплофизических свойств. Количество теплоты, выделяемое в электроде в единицу времени, будет тем больше, чем больше плотность тока, удельное сопротивление и вылет электрода. При ручной сварке это приводит к значительному повышению температуры электрода, что ограничивает величину тока, применяемую при этом способе сварки. Качество шва будет обеспечено только тогда, когда температура электрода в момент расплавления его торца не будет превышать 600—700 °С. Нагрев электрода до более высоких температур приводит к отслаиванию покрытия, ухудшению формирования шва и увеличению потерь на разбрызгивание. Механизированные способы сварки, благодаря малому вылету электрода, позволяют применять большую плотность тока и поэтому более производительны. Производительность сварки характеризуется погонной энергией. Погонная энергия сварки представляет собой отношение эффективной тепловой мощности дуги к скорости ее перемещения
gn = Q_эф/V = I_свU_д? /V.
Исходя из этой формулы устанавливаем, что поперечное сечение однопроходного или многопроходного шва (валика), выполненного дуговой сваркой, будет находиться в прямой зависимости от ее погонной энергии.
Контрольные вопросы:
1. По какой формуле можно определить эффективную тепловую мощность?
2. Что характеризует коэффициент в формуле тепловой мощности сварочной дуги?
3. Что вы знаете об эффективном КПД нагрева изделия?
4. При каком виде сварки наиболее рационально используется теплота, выделяемая в дуге?
5. Какая температура нагрева электрода является оптимальной для формирования качественного сварного шва?
6. Что такое погонная энергия сварки и на что она влияет?

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

Основы тепловых процессов при сварке

2. Токи, применяемые для сварки. Преимущества сварки на постоянно токе?

3. Строение дуги постоянного тока.

4. Процесс переноса металла в дуге.

5. Способы возбуждения сварочной дуги?

6. Температурные условия в дуге?

7. Что такое баланс теплоты в сварочной дуге?

8. Понятие устойчивости сварочной дуги?

9. Что такое вольт-амперная характеристика сварочной дуги?

10. Средства повышения устойчивости сварочной дуги?

11. Виды переноса металла в дуге?

12. Что такое пинч-эффект?

13. Ручная дуговая сварка.

14. Процесс сварки метало под слоем флюса.

Почти все существующие виды сварки основаны на местном концентрированном нагреве участков изделия до температуры расплавления или до пластического состояния. Необходимую для этой цели теплоту получают от источников энергии, которые различаются между собой по характеру выделения теплоты, мощности, продолжительности действия, скорости движения и другим признакам. Свариваемые изделия различают по свойствам материала и геометрическим размерам. Если принять во внимание условия, при которых происходит сварка - подогрев, искусственное охлаждение, теплоотдачу, то количество независимых параметров, подлежащих учёту в расчётах тепловых процессов при сварке, окажется довольно значительным.

Один из основных вопросов, рассматриваемых в теории тепловых процессов при сварке, - определение условий, при которых достигается необходимый нагрев изделия и его сваривание. Однако этим не исчерпывается назначение теории [1, 6].

Нагрев и охлаждение вызывают разнообразные физические и химические процессы в материале изделия – плавление, кристаллизацию, структурные превращения, объёмные изменения, появление напряжений и пластических деформаций. Эти процессы приводят к глубоким изменениям свойств и состояния материала и влияют на качество всей конструкции в целом. Чтобы определить характер протекания указанных процессов, необходимо знать распределение температур в теле и изменение его во времени в каждом отдельном случае. Это второй основной вопрос, рассматриваемый в теории тепловых процессов при сварке. Согласно программе подготовки инженера-кораблестроителя учебным планом предусмотрено более подробное изучение дисциплины «Тепловые процессы при обработке металлов».

Схемы нагреваемых тел. Формы тел, нагреваемых при сварке, весьма разнообразны. Распространение теплоты существенно зависит от формы и размеров тела [ 1 ]. Точный учёт конфигурации тела может привести к таким усложнениям расчёта, что его практическое использование окажется затруднительным. Поэтому во всех случаях, когда пренебрежение второстепенными особенностями формы тела не приводит к большим погрешностям расчёта, целесообразно упрощать формы рассматриваемых тел, сводя их к простейшим. Грамотное применение такой схематизации должно основываться на чётком понимании физической сущности процесса в целом. Обычно выбирают одну из следующих основных схем.

Бесконечное тело.Если границы тела не влияют на распространение теплоты, его можно заменить бесконечным телом, у которого имеется неограниченная протяженность по всем трём направлениям x, y, z (Рис.3.1,а).

Полубесконечное тело.Этой схеме соответствует массивное тело с одной ограничивающей плоскостью z = 0 (Рис.3.1, б). Остальные поверхности находятся на значительном удалении и не влияют на распространение теплоты.

Бесконечная пластина.Представляет собой тело, ограниченное двумя параллельными плоскостями z= 0 и z = δ. При использовании этой схемы всегда предполагают, что температура по толщине листа равномерна, а теплота может распространяться только в плоскости с координатными осями x и y(Рис.3.1,в).

Полубесконечная пластина.Представляет собой тело, ограниченное двумя параллельными плоскостями z = 0, z = δ и плоскостью y = 0 (Рис.3.1, г). Остальные условия те же, что и у бесконечной пластины.

Плоский слой.Представляет собой пластину, у которой температура точек тела по толщине не является равномерной. Эту схему применяют в тех случаях, когда толщина тела не настолько велика, чтобы можно было пренебречь влиянием ограничивающей плоскости z = δ и считать тело полубесконечным (Рис.3.1,д).

Стержень.Представляет собой тело с прямолинейной или криволинейной осью, когда температура равномерна в пределах поперечного сечения стержня (Рис. 3.1,е).

Читайте также: