При автоматической сварке электродная проволока расплавляется со скоростью w см/сек, близкой к скорости непрерывной подачи про­волоки. Поддержание равенства этих скоростей и тем самым посто­янства длины дуги пред­ставляет основную задачу автоматических регулято­ров сварочных головок. Вылет электродной про­волоки, т. е. концевой ее участок длиной I см от токоподающего

контакта до дуги находится подтоком (фиг. 122). К этому участку подается из бухты проволока с начальной температурой Т0. Нахо­дясь под током на пути от контакта А до дуги О в течение t=ljw сек9 проволока постепенно нагревается и поступает к дуге с температурой подогрева током Тт На весьма коротком участке ОВ, непосредственно примыкающем к дуге, проволока нагревается также теплом дуги вплоть до температуры Тк на конце электрода.

Температурное поле в проволоке будем относить к подвижной системе координат ОХ с началом, совпадающим с торцевым сечением электрода, оплавляемым дугой. При установившемся состоянии про­цесса, т. е. при постоянной скорости подачи проволоки и при постоян­ных токе 1 и напряжении дуги U распределение температуры в вылете проволоки остается постоянным. В начале горения дуги, а также вследствие неизбежных при сварке отклонений режима от средних значений, температура может отличаться от установившейся, но эти отклонения, вызванные переходными процессами выравнивания температуры, не имеют существенного практического значения.

Установившуюся температуру Т(х) в вылете электрода от нагрева током и дугой будем рассматривать как сумму температуры Тт (х) нагрева током и температуры Тд(х) нагрева дугой, ко — горые определим раздельно. Температуру Тт{х) рассчитаем в пред­положении, что проволока, поступающая к контакту А с темпера­турой Т0> нагревается на участке О А током L Температуру Тд(х) рассчитаем, полагая, что тепло дуги распространяется в стержне, равномерно нагретом до температуры Тт = Тт (0), равной темпера­туре торца О проволоки при нагреве только током. В действительно­сти тепло дуги повышает температуру вылета на участке ОБ и вследствие повышения удельного сопротивления, которое увеличи­вает работу тока на этом участке. Местное взаимодействие процесса распространения тепла дуги и процесса нагрева проволоки током в нашем расчете не учитывается.

Температура нагрева током. Как показывают предварительные расчеты, распределение по длине вылета температуры Тт(х)9 вызван­ной нагревом током, близко к линейному. Поправка, вносимая теплопроводностью в направлении оси ОХ в тепловом балансе лю­бого элемента dx длины вылета, незначительна в сравнении с коли­чеством тепла, выделяемым током. Поэтому процесс нагрева вы­лета проволоки током можно в первом приближении рассчитывать, пренебрегая влиянием теплопроводности в направлений оси ОХ.

Выделим элемент объема проволоки Pdx. По высказанному пред­положению этот элемент не может обмениваться теплом через грани, перпендикулярные оси ОХ. В элементе объема выделяется тепло от работы тока, его боковая поверхность обменивается теплом с окру­жающей средой (воздухом или флюсом). При этих предположениях процесс нагрева током элемента объема движущейся электродной проволоки, перемещающегося за время t от контакта А до оплав­ляемого торца О, принципиально не отличается от процесса нагрева током неподвижного элемента объема электродного стержня за тот же промежуток времени. Изменение температуры TT{t) подвижного элемента объема проволоки можно поэтому рассчитывать методами, развитыми для расчета нагрева током электродных стержней — чи­сленным (§ 33) или приближенным (§ 34). Тогда распределение температуры по длине вылета выразится

Пример. Диаметр малоуглеродистой проволоки d —4 мм; ток — 800 а, вылет электрода — 80 мм, скорость плавления проволоки — 3,8 см/сек. Рассчитать распределение температуры по длине вылета.

Длительность нагрева любого сечения проволоки

^зл^2-1 сек-

Рассчитаем установившуюся температуру нагрева током в середине вылета и у оплавляемого торца. Этим расстояниям соответствуют длительности нагрева сечения проволоки 1,05 и 2,1 сек. Расчет ведем приближенным методом (§ 34). Для голого электрода и переменного тока А = 3,7• ІСГ2; Пг = 300°; т =2,65.

Плотность тока/ = — 64 а/жж2. Предельная температура нагрева ТПр —

■" (з5о + ®оо)’3’7- “г,-64,“ <°’0<шз +

+0,00002) *3,7* 64s —0,505 1/сек,— см. (34.5). и (34.7), Коэфициент Tnp/Dx = “43 400:300 —138.

Безразмерные критерии

для t—1,05 сек; /г^ =0,505»1,05 —0,53;

для t~2,1 сек; nt~0,505*2,1 —1,06.

Соответствующие безразмерные критерии температуры TjDly определенные по номограмме фиг. 120, и температуры нагрева Т(х) выразятся: для t =1,05 сек; r/Dj= 0,71; 7>(4) = 0,71-300= 213°; для t= 2,1 сек; T/D^ 1,85; Тт{0) = = 1,85*300 = 555°.

Нагрев вылета проволоки током продолжителен. Поэтому при высоких плот­ностях тока / > 40 — т~ 50 а/мм% оказывается возможным упростить расчет и прене­бречь теплоотдачей боковой поверхности. Тогда, полагая в уравнении (34,6) Dg = Тпр—> со, получим

Для условий примера: Т0 =0; Т1 (0 = 300 (е0,505^— 1);

Т (1,05) “0,7-300 = 210°;

Г (2,1) == 1,88-300 = 565°.

Температуру нагрева торца электродной проволоки током получим из уравнения (37.2), полегая і ~ l/w

Тт (0) = (D, — г0) exp (4L*. Dj _ Dl. (37.3)

здесь Di и Л —постоянные нагрева проволоки; Т0 — начальная температура про­волоки тоже практически постоянная. Температура 7+(0) зависит от условий режима сгарки: плотности тока /, скорости плавления w и длины вылета L

Скорость плавления в свою очередь связана с плотностью тока соотношением

w.— q^:1Q0Q/ SSOOyD *

Подставив выражение (а), в уравнение (37.3), получим

ТТ (0) = (D, + Т0) exp (г) — Dl (37.4)

Если предположить, что козфициент расплавления ар в узких пределах из­менения температуры подогрева током остается постоянным, то температура по­догрева повышается с увеличением плотности тока / и длины вылета I (фиг 123) При значительном повышении Ту (0) козфициент ар в свою очередь увеличивается (см. ниже).

т°с т°с

Фиг. 123. Распределение температуры в вылете мало — углеродистой электродной проволоки диаметром 4 мм при различных условиях режима (Б. Е. Патон).

Температура нагрева дугой. Распределение температуры Тд (х), вызываемое нагревом торца О дугой, ощущается только на малом участке ОВ. Температуру То {х) этого участка рассчитаем по уравне­нию (36Л), считая что проволока, равномерно подогретая током до температуры подогрева ее торца Тт (0), нагревается подвижным плоским источником тепла qgy нагревающим торец до температуры Тк, уравнение (36.3),

WX

Тд(х) = [Тк’~Тт(0)]е“. (37.5)

Полная температура вылета на участке ОВ, обусловленная нагре­вом током и дугой,

Т(х) = Тг(х) + Тд (х). (37.6)

Пример. Вычислим распределение температуры То (я) от нагрева дугой для услови разобранного примера, считая температуру торца Тк=2100°; а *= 0,06 см2/сек;

То (х)~ (2100—555) е 1545.є.

X см

е~&вх

Тд (X) °С

Тт (х) °С

7 (х) °С

0

1

1545

555

2100

0,01

0,532

835

555

1390

0,02

0,284

438

555

993

0,05

0,047

73

555

628

0,1

0,00184

3

555

558

4

0

213

213

8

—*■

0

0

0

Результаты расчета приведены в табл, 12а (фиг. 124).

Таблица 12а

§ 3S. РАСПЛАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДНОЙ ПРОВОЛОКИ

Скорость плавления проволоки w определяется заданными током и длиной вылета; скорость подачи подбирают возможно близкой к скорости плавления. Поэтому для упрощения наладки практически интересно знать зависимость скорости плавления w от тока и длины вылета.

Электродная проволока, по­догретая в вылете током, рас­плавляется теплом дуги. Про­изводительность gp расплавле­ния проволоки описывается теми же уравнениями (35.3)—

(35.5) , что и производитель­ность расплавления электрод­ного стер лен я. Чем выше тем­пература Тт подогрева про­волоки током, тем больше при прочих одинаковых условиях скорость w, производитель­ность gp и коэфициент ар расплавления электродной проволоки.

Скорость расплавления. Рассчитаем зависимость скорости рас­плавления электродной проволоки диаметром d от длины вылета I при токе I и напряжении дуги U. Примем при этом, что падение напряжения т]э U, пропорциональное согласно выражению (35.1) затрате тепла дуги qB на нагрев электрода, и теплосодержание

SK отрывающихся от электрода капель остаются практически по­стоянными при изменении длины вылета.

Скорость плавления проволоки согласно уравнению (36.3) зави­сит от температуры подогрева Тj

С другой стороны, температура Ту=Ту (0) подогрева торца про­волоки током, определяемая выражением (37.3), зависит от длитель­ности t—ljw нагрева током, т. е. в свою очередь от скорости плавле­ния w. Решая совместно уравнения (38.1) и (37.3), получим зави­симость скорости плавления w и температуры подогрева 7> от усло­вий режима.

Введем удобное для расчета понятие — скорость w0 расплавле­ния проволоки при температуре подогрева, равной нулю, 0; тогда из выражения (38.1) получим

Яэ

cFTk *

Температуру подогрева Тт, соответствующую заданной скорости плавления w, определим из выражения (38.1)

(38.3)

Чтобы установить зависимость скорости плавления to от длины вылета I при прочих неизменных условиях режима, исключим температуру подогрева торца Ту из выражений (38.3) и (37.3).

К (l ~5)= (D1 + T0)e% — Dv

Перегруппируем члены в уравнении (а)

nl

Тк 4- Dt — , TKwо nl

T0+Dt ~tnl(T0+ DJ w

я введем безразмерные критерии процесса

м ^ TV-4- £>і. __ TKw0 Ці — г

To+Dг* ** nl (Т0 Di) 9 w

тогда, из уравнения (б) получим их простую связь

v — + [їх, (38 5)

представленную номограммой фиг. 125. Задаваясь критериями v и щ зависящими от условий режима и длины вылета, получим кри­терий т, из которого определяется скорость плавления. Прямой рас­чет такого типа возможен, если для данных условий сварки известны У]в и Trt.

Опытные данные о падении напряжения т]а U и средней темпера­туре отрывающихся капель Тк весьма немногочисленны. Поэтому

выведенные зависимости целесообразно применить для обработки и обобщения результатов опытов.

Определение производительности*расплавления по данным опытов. Пусть требуется найти зависимость коэфициента расплавления сср от вылета I, если остаются постоянными род и диаметр проволоки, марка флюса, ток и напряжение дуги. Для определения ве­личин у}э U и Тк, при­нимаемых постоянными в пределах рассматри­ваемых значений выле­та, следует произвести два опыта при различ­ных значениях вылета h и h и определить со­ответствующие скорос­ти плавления w± и равные установившимс я скоростям подачи.

Рассчитаем по урав­нению (37.3) темпера — тУры Тп (lvwi) и Тф, ву2) нагрева тор­ца проволоки, COOT ветствующие вылетам 1г И /2 И скоростям W-L и w2, и запишем для обоих исследуемых режимов уравнение (38.3)

%/’ I

71 —7 ( і___ ЦІЇ]

7 *?* — 1 щ) )

W„

В этих уравнениях величины ТТг, Wi и № известны из опыт­ных данных, а величины Тк и до0, считающиеся постоянными в преде­лах рассматриваемых значений вылета, подлежат определению. Система (в) двух уравнений линейна относительно двух неизвестных

к и

— Щ + ТТі^-=и

(г)

… _ wiw>(TT2-TTl) ^ w2Tt2 — WlTTi °“ ЪТг-ъТ — ’ 1к

Выражения (38,6) дают возможность вычислить принимаемые по­стоянными значения начальной скорости w0 и средней температуры капель Тк по данным двух опытов по расплавлению проволоки при различных значениях вылета. Зная ш0 и Тк, легко m выражениям

(38.2) и (35.1) рассчитать падение напряжения тзЛ U, эквивалентное затрате тепла на расплавлена электрода

_ «W Тк 0,24/ ‘

и эффективный к. п. д, г3 процесса расплавления электрода дугой.

При изменении вылета в практически применяемых пределах можно принимать расчетные значения тэ и Тк постоянными. Однако с изменением плотности тока в широких пределах (от 20 до 80 а/мм2) при постоянном вылете электродной проволоки расчетные значения т)а и Тк не остаются постоянными, и не удается подобрать постоян­ных расчетных значений этих величин, повидимому, вследствие зна­чительного изменения условий расплавления электрода (М. С. Ку­ликов).

Пример. При опытах по наплавке валиков под флюсом ОСЦ-45А малоугле­родистой электродной проволокой диаметром 5 мм при токе 820 а и напря­жении дуги 36 в коэфициент расплавления &р оказался равным 17,0 г/а-час при вылете 60 мм и 21,5 г/а-час при вылете 150 мм (М. С. Куликов, ЦНИИТ МАШ). Найдем постоянные Тк и чэ и установим зависимость коэфициента расплавления от длины вылета при указанных условиях сварки.

Следует отметить, что рабочая длина вылета / отличается от расстояния L между мундштуком и поверхностью изделия (фиг. 122). Для того, чтобы получить рабочую длину вылета /, нужно расстояние L уменьшить на вели­чину внешней составляющей длины дуги 1вн и увеличить на половину длины кон­такта 1L.

Скорость плавления w определим по коэфициенту расплавления из уравнений (35.4) и (35.6)

(38,8)

При диаметре электрода 5 мм площадь его поперечного сечения F= С * 52~ = 20 лш2~ 0,2 с лі2.

При заданных условиях режима зависимость (38,8) скорости w в CMjceK от коэфициента ар в г/а-час

820

m=g*366o-7.e:o;2 = 0-146g*-

При вылете 60 мм скорость плавления составляет гюг^ 0,146.17,0^=2,48 см/сек» а длительность нахождения под током

*1 = £й^2’42 сек"

0,146*21,5=3,14 см/сек; 15

Таким образом, при увеличении вылета в 2,5 раза длительность нагрева 4,77 0

током возросла только в ^-^£=г-2раза вследствие увеличения скорости плавления,

обусловленного повышением температуры подогрева током.

Рассчитаем зависимость температуры ТТ подогрева торца электродной проволоки током от длительности нагрева t, пренебрегая тепло­отдачей боковой поверхности. Постоянные нагрева малоуглеродистой проволо­ки переменным током выберем из табл. 10 (§ 34):А =3,7* 10~2мм4 °С/а2 сек; Dx=300°. Начальную температуру проволоки примем равной 7,о = 20°. При плот — 820

ности тока / —"go" “41 а/лш2 постоянная нагрева и температура нагрева T(t) выразятся по формуле (37.2)

п==-^7—^—— = 0,207 1/сек., Г(*)=(300+20) е-°’20И-300.

оОО

Температура нагрева током торца проволоки при вылетах 60 и 150 мм ТTj=320 е0’207’2’42—300=320 е°-50—300=320-1,649—300=228°; тгг=320 е0>207’4Л—300=320 е0,988 —300=320-2,686—300=560°.

Увеличение вылета в 2,5 раза повысило температуру торца тоже почти в 2,5 раза.

Постоянные процесса расплавления электродной проволоки рассчитаем по выражениям (38.6)

3,14-2,48 (560—228)

3,14-560—2,48-228 ’ 7 ’ к 3,14-2,48

Падение напряжения, эквивалентное затрате тепла на расплав­ление электродной проволоки см. уравнение (38.7)

2,16-1,25-1810 — Л

rii)U—■ 0,24-41-100 “ ’° в’

здесь объемная теплоемкость С[ малоуглеродистой стали принята равной 1,25 кал/см^°С, а эффективный к. п. д. процесса расплавления электродной про­волоки

5,0-100 1ДП(

Г1э“ зб~“-14/°-

Величины 7+ и % определены косвенным расчетом из опытов по расплавле­нию электродной проволоки при постоянных условиях режима, поэтому их можно использовать для расчета скоростей плавления и коэфициента расплавле­ния, соответствующих другим значениям вылета, но лишь при тех же условиях режима (ток, напряжение, марка флюса, состав и диаметр проволоки).

Рассчитаем коэфициент расплавления для условий режима, указанных в начале примера, но при промежуточном относительно исследо­ванных значении вылета / —100 мм. Для этой цели целесообразно использовать номограмму (фиг. 125). Предположим, что характеристики процесса расплавле­ния wо и Тк сохраняют вычисленные выше для вылетов 60 и 150 мм значения также и для промежуточного вылета 100 мм. Безразмерные критерии (38.4) процесса расплавления

1810+300 1810-2,16

V 20+300 ’ U’ 11 0,207-10,0(20+300)“й, Уи’

_ 2,73
а*~0Д46:

По этим данным из номограммы (фиг. 125) находим т — 0,76, откуда скорость плавления

Из опытов непосредственно определили Ор =18,3 г/а-час, т. е. на 1,7% меньше. Зависимость коэфидиента расплавления от длины вылета, рассчитанная, как показано выше, по данным двух опытов (при вылетах 60 и 150 мм) на фиг. 126.

Фиг. 126. Зависимость коэфидиента расплав­ления малоуглеродистой электродной прово­локи диаметром 5 мм от длины вылета; ток 820 а, напряжение дуги 36 ву флюс ОСЦ-45А.

Кружки — данные опытов М С. Куликова; сплошная