1. Закономерности плавления электрода

При рассмотрении действия сварочной дуги на плавящийся электрод в первую очередь необходимо установить основные закономерности его плавления под действием вводимой тепло­вой мощности. Известно, что скорость плавления электродного стержня связана с вводимой мощностью следующим уравне­нием [105]:

Р = vF-( (SK — Sm), (1.3)

где SK — теплосодержание отрывающихся капель;

Sm — теплосодержание стержня от нагрева током.

Уравнение (1.3) не позволяет найти однозначной зависимо­сти между вводимой мощностью и скоростью плавления, так как в него входит еще одно неизвестное — теплосодержание отрывающихся капель. В то же время такая однозначная зави­симость существует, так как при данных теплофизических ха­рактеристиках стержня и известной величине подогрева током S,,, каждой заданной мощности Р соответствует единственное значение скорости плавления электрода v.

Для нахождения такой зависимости примем ряд допущений:

1. Предположим, что температура в тонком поверхностном слое капли, прилегающем к активному пятну дуги, достигает температуры кипения стали и затем спадает по направлению к стержню по экспоненциальному закону.

2. Теплоотдачей с поверхности капли пренебрегаем. Если принять для проволоки диаметром 4 мм неблагоприятные ус­ловия: весьма большую длину капли 1 см, время ее существо­вания 1 сек и температуру 2500° С, то количество тепла, теряе­мое в воздух поверхностью такой капли при коэффициенте полной теплоотдачи гг™ = 0,084 дж/см2сек-°К, равно 26,0 дж/сек, или всего около 2% мощности, обычно поступающей в элек­трод.

3. Скорость перемещения границы плавления между каплей п стержнем (скорость плавления в момент роста капли) при­мем постоянной. Это допущение требует пояснений. А. А. Еро­хин с помощью скоростной киносъемки методом реперного

отсчета установил, что по мере роста отдельной капли скорость перемещения границы плавления несколько уменьшается [29].

Подпись: Продолжительность существования капли

Если данные А. А. Ерохина по ряду последовательно обра­зующихся капель совместить на одном графике, то можно за­метить. что скорость роста капель колеблется от капли к капле, но-внднмому, но случайным причинам. В среднем скорость роста капель можно принять постоянной.

Рис. 24 Перемещение границы «капля стержень» трех последовательно об-
разовавшихся капель при сварке проволокой Св-08Л диаметром 4 мм при
токе 200 а па обратной полярности:

1 — первая капля; II — вторая капля; /// — третья капля

Опыты автора по скоростной киносъемке в процессе плав­ления проволоки Св-08А диаметром 4 мм при токе 200 а на обратной полярности с применением методики реперного отсчета также позволяют считать скорость роста капель постоянной (рис. 24). Наблюдения за перемещением границы жидкого ме­талла по кадрам киносъемки не обеспечивают необходимой точности из-за трудности визуальной фиксации этой границы ее отклонений от перпендикулярного положения по отношению к оси стержня. Более точным является метод рентгеновской скоростной киносъемки разрезанного электрода, примененный И. К. Походней и Б. А. Костенко [98], которые установили, что при сварке электродами УОНИ13 центральная часть границы плавления перемещается по электроду с постоянной скоростью.

Рассмотрим тепловую схему расплавления электродного стержня с учетом принятых допущений. Температурное поле в части капли, оставшейся на электроде сразу после переноса металла, приведено на рис. 25, а пунктиром. Такое начальное ноле должно установиться в связи с разрывом шейки, образу­ющейся при переносе металла (в месте разрыва из-за высокой плотности тока должна достигаться температура кипения Ткип). По направлению к стержню (начало координат совме­щаем с концом капли) температура капли в начальный момент ее роста спадает по закону

Т = Ткип<-’**, (2.3)

где k0 — коэффициент, характеризующий темп падения темпе­ратуры по направлению к стержню в начальный мо­мент образования капли в 1 /см.

Подпись: Рис. 25. Изменение температурного ноля в капле при плавлении электрода: (і — при экспоненциальном распределении температуры; б — при равномерном нагреве капли

За время роста капли tK расплавится часть электрода дли­ной vtK, где v — скорость перемещения границы плавления в см/сек. По мере роста капли закон распределения температуры

в ней будет меняться в соответствии с рис. 25, а. На конечном этапе образования капли перед ее переносом распределение температуры в капле будет иметь следующий вид:

Т = Ткип<-^, (3.3)

где к — коэффициент, характеризующий темп падения темпе­ратуры по направлению к стержню на конечной ста­дии образования капли в 1/слг.

НАГРЕВ И РАСПЛАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДА ДУГОЙ НАГРЕВ И РАСПЛАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДА ДУГОЙ НАГРЕВ И РАСПЛАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДА ДУГОЙ

Количество тепла, которое будет передано капле и стержню от источника нагрева за время образования одной капли, как видно из рис 25, а, составит

Подпись: (4.3)З ЄіцСпл

где Спл — теплота плавления стержня в дж/г

S, n — теплосодержание стержня от его предварительного

нагрева током (с учетом потерь от теплоотдачи в воздух) в дж/г;

х0 — часть расплавленного металла, оставшаяся на стержне сразу после переноса капли, в <лц С теплоемкость стержня в дж/г °К;

F — сечение стержня в см2.

Интегралы в выражении (4.3) легко взять

Подпись:Подпись: + (5.3) Т ___ Т e~kA4Xvt«)

1 кип 1 кипс_______________

*1

і viКСПА vtKSn

Подпись:НАГРЕВ И РАСПЛАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДА ДУГОЙ
Для получения из уравнения (5.3) зависимости только меж­ду мощностью источника, скоростью плавления электрода и

тепловой поток через границу капля—стержень должен иметь постоянную величину. Этот тепловой моток можно рассчитать по правилу Ньютона:

Q = 1.F(Т„р — — ТП1), (6.3)

где и — коэффициент теплопередачи через границу между каплей и стержнем в дж/см2сек°К. Физический смысл и размерность этого коэффициента анало­гичны применяемым в теплотехнике коэффициен­там теплопередачи между жидкостью и стенкой, газом и стенкой;

Тпр— температура капли на начальном участке жидкой прослойки вблизи границы плавления в °К (см. рис. 26);

Тпл —температура плавления стержня в °К.

Тепловой поток через границу плавления определяет ско­рость плавления стержня в соответствии с уравнением

Fy(S^-Sm) ’

где Snjl — удельное теплосодержание стержня при темпера­туре плавления, включая скрытую теплоту плав­ления, в дж/г.

Из уравнений (6.3) и (7.3) граничное условие выразится формулой

Подпись: а - 7,, 7) Т (Sn « — Sm)(8.3)

Из выражения (8.3) следует, что при постоянной скорости плавления v и постоянных значениях а и S,„ температура капли вблизи границы плавления Тпр в процессе роста капли должна сохраняться постоянной. Поэтому из (2.3) и (3.3) имеем

Т =Т O-koXo—’J’ c-k,(x0 + vt ) (9 3)

1 tip 1 кип — 1 Kurt — h

Из (5.3) и (9.3) после несложных преобразований получаем

Р = (“ S"‘ ) vF {- (10-3)

• ‘п Т пр — In Т кип J

Определяя Тпр из граничного условия (8.3) и подставляя в

(10.3)

НАГРЕВ И РАСПЛАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДА ДУГОЙ Подпись: vFY. (11.3)

, получаем зависимость только между мощностью, вво­димой в стержень, скоростью плавления и теплосодержанием стержня от нагрева током:

Для начального момента расплавления низкоуглероднстой проволоки диаметром 4 мм (первые 15—20 сек), когда тепло­содержание от нагрева током мало (Sm<^S„J, зависимость имеет вид, показанный на рис. 27 сплошными линиями.

При малых а скорость плавления при увеличении мощности Р, вводимой из дуги, нарастает медленно, и капля быстро пере­гревается. Пересечения сплошных и пунктирных кривых на

Подпись:рис. 27 соответствуют ус­ловиям закипання капель во веем объеме, когда дальнейшее увеличение скорости плавления не­возможно и все дополни­тельно вводимое тепло за­трачивается на испаре­ние.

По мере увеличения а зависимость между мощностью и скоростью плавления приближается к линейной, а закипание капель наблюдается при более высоких мощностях и скоростях плавления. При и-о-оо достигается предельная теоретически возможная скорость

Подпись: к.ср НАГРЕВ И РАСПЛАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДА ДУГОЙ Подпись: v 12.3)

плавления при данной мощности источника в связи с отсутствием термического сопро­тивления па границе капля—стержень. Закипание капли при этом становится невозможным при любой вводимой мощности В уравнении (11.3), по аналогии с (1.3), множитель перед С представляет собой среднюю температуру отрывающихся капель:

Средняя температура капель не зависит от диаметра элек­тродной проволоки, числа переносов, от количества жидкого металла, остающегося на стержне после переноса, и является функцией только скорости плавления проволоки, интенсивности подогрева стержня током и теплофизических характеристик ме­талла стержня.

Зависимость (12.3) между средней температурой капельиско-
ростью плавления проволоки из низкоуглеродистой стали при 5,„ = 0 выражается серией лучевых линий, близких к прямым, каждая из которых соответствует определенной величине а. Такая зависимость показана сплошными линиями на рис. 28. С увеличением а температура кипения капель достигается при большей скорости плавления.

Подпись: a,J6Подпись: Г*ср7/а"2 3 6 то " ■“ Подпись: 2500Подпись: 2000Подпись: 1500Подпись: 1,5 V см/секПодпись:image38Средняя температура капель при принятой схеме распределе­ния температуры в капле (рис.

25, и) никогда не может быть ниже температуры

Подпись:Т, а,п — In Тпл

НАГРЕВ И РАСПЛАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДА ДУГОЙ Подпись: т„ Подпись: + Т0. Подпись: (13.3)

Аппроксимируя кривые на рис. 28 к прямым линиям, мож­но записать

Это уравнение более удобно для расчетов, чем выражение

(12.3) , так как оно содержит величину скорости только в виде множителя. Используя упрощенную зависимость (13.3), легко показать, что кривые на рис. 27 могут рассматриваться как се­рия парабол вида

P-=v{Av М) F;, (14.3)

где .1 и М — коэффициенты, зависящие только от теплофизи- ческих свойств стержня и предварительного по­догрева током,

НАГРЕВ И РАСПЛАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДА ДУГОЙ НАГРЕВ И РАСПЛАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДА ДУГОЙ

Тп

Подпись:Подпись: vFyэто удельная энергия, затрачиваемая

на расплавление и перегрев 1 г металла стержня. Обозначим эту удельную энергию So вт/г.

На расплавление дугой 1 г электрода без его перегрева не­обходимо затратить энергию (Sr]jl— Sm) вт/г. Отношение

— пл—- =1]™, является тепловым №. и. д. плавления электрод­

 

НАГРЕВ И РАСПЛАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДА ДУГОЙ
НАГРЕВ И РАСПЛАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДА ДУГОЙ

 

рости плавления электрода (повышении мощности, действую­щей на каплю) даже при неизменной мощности приэлектрод — ного источника, действующего на ванну.

Рассмотренная схема плавления электродного стержня мо­жет быть упрощена, если принять, что вся капля имеет по­стоянную температуру по объему благодаря быстрому переме­щению по поверхности капли активного пятна и интенсивному перемешиванию металла. В этом случае Tnv = TK. Решая урав­нение (8.3) относительно Тк и подставляя полученное значение в выражение (1.3), после преобразований с учетом, что SK — — СТК +С„,,, получим

image40(18.3)

Подпись: где В = —— Су

Параболы, соответствующие этому уравнению, на рис. 27 не­сколько смещаются в сторону меньших мощностей (пунктир­ные линии), т. е., для плавления электрода с равномерно нагре­той каплей с той же скоростью требуются несколько меньшие мощности. Температуру равномерно нагретой капли получаем из уравнения (8.3), полагая Тп1, = Тк:

image41(19.3)

Подпись: а- + оО rjfm = 100%.Зависимости температуры капель от скорости плавления, как и при расчетах по уравнению (13.3), выражаются пучком прямых (пунктирные линии на рис. 28). Однако температуры капель во всех случаях оказываются меньшими. Минимально возможная температура нагрева капель при упрощенной схеме стремится к температуре плавления Тпл. Уравнение (19.3) яв­ляется частным случаем соотношения (13.3), если принять Т0=Тпл. Значения rcm и цпер при равномерном нагреве капель указаны на рис. 29 пунктирными линиями. В этом случае при

Если весь объем капли достигает температуры кипения, то схема с экспоненциальным распределением температуры в кап­ле превращается в схему с равномерным нагревом, так как при этом Тпр=ТКип и коэффициенты в показателе степени уравне­ний (9.3) k0 и kі обращаются в нули, т. е. экспонента стано­вится прямой линией. Поэтому при достижении каплей темпе­ратуры кипения во всем объеме значения температур, опреде­ленные по первой и второй схемам, совпадают (рис. 28). Момент достижения всем объемом капли температуры кипения характеризуется также точками пересечения сплошных и пунк­тирных кривых на рис. 27 и 29.

Использование упрощенной схемы нагрева капель, по-види­мому, целесообразно в случае высоких плотностей тока, когда блуждание активного пятна по поверхности капли становится очень интенсивным. В случае сварки на малых плотностях тока, особенно при наличии втулочки из покрытия, фиксирую­щей активное пятно в нижней части капли, более целесообраз­на схема с экспоненциальным распределением температуры в капле.

В приведенных выше расчетах теплофизичеекпе коэффици­енты С и а приняты постоянными для всех значений темпера­туры капель, что делает полу­ченные уравнения линейными. Если величина коэффициента С известна вплоть до высо­ких температур 1600 1700°С

и допущение о его нос гоянст — ве оправдано, то значения ко­эффициента и неизвестны, и предположение о постоянном значении этого коэффициента при разном количестве тепла, вводимого в каплю, требует доказательства.

Подпись: (20.3)

Величина коэффициента а была найдена из следующего опыта. Одна и та же элект­родная проволока расплавля­лась щриэлектродным источ­ником одинаковой мощности после ее предварительного на­грева до разных температур. Очевидно, что более нагретая про­волока должна расплавляться быстрее, так как се исходное теплосодержание Sm выше. В каждом случае плавление про­волоки будет происходить в соответствии с уравнением (14.3). Приравнивая в этом уравнении мощности и делая преобразо­вания, получим

где’ 1 V — скорость плавления стержня при его тетосо — держании до плавления S’n; t’2 — скорость плавления стержня при его теплосо­держании до плавления $‘т

Мг и Mr—коэффииенты в уравнении (14.3) при предва­рительном теплосодержании стержня до плав­ления соответственно S"m и Sm.

Определение коэффициента а производилось при расплавле­нии подогретой до разных температур низкоуглеродистой про­волоки Св-08А диаметром 4 мм при двух значениях тока 150 и ‘200 а (табл. 18).

Подпись: см/сек Рис. 30. Теоретическая зависимость скорости плавления от мощности, введенной в электрод, и экспериментальные данные для проволоки Св-USA диаметром 4 мм с различной обработкой поверхности, ток прямой и обратной полярности 140- 195 я, нагрев стержня током мал (Sm=0)

Из табл. 18 видно, что значения коэффициента теплопере­дачи и могут быть приняты равными 8 дж/см2 ■ сек° К. Хорошее совпадение теоретических расчетов при этом значении коэффи­циента теплопередачи с экспериментальными данными видно из рис. 30. На этом рисунке приведены экспериментальные значе­ния скорости плавления проволоки Св-08Л диаметром 4 пм с

различной обработкой поверхности при токах от 140 до 195 а для прямой и обратной полярности, взятые из табл. 12, в зави­симости от мощностей приэлектродных источников тепла по данным табл. 15. Кривая на рис. 30 соответствует теоретической зависимости (14.3) для низкоуглеродистой проволоки диаметром 4 мм при значении « = 8 дж/см2-сек° К. Теоретическая кривая и экспериментальные значения хорошо совпадают во всем исследованном диапазоне режимов сварки.