1. Некоторые особенности передачи тепла дуги основному металлу при плавящемся электроде

В соответствии со схемой трех источников па основной ме­талл действует только тепло прпэлсктродпых областей. Тепло столба расходуется па потери в окружающую среду. Один из приэлептродных источников, расположенный у ванны, вносит тепло непосредственно в ванну, другой, расплавляющей элек­трод, вносит тепло с каплями металла и шлака, падающими в вапну.

Во-первых, необходимо выяснить, можно ли считать действие при электродного источника у ванны непрерывным. Вопрос о про­должительности перерывов в горении дуги имеет существенное значение для оценки теплового воздействия на основной металл потому, что энергия, выделяемая в момент короткого замыкания, примерно в 25—30 раз меньше, чем при горении дуги. В табл. 26—28 показана продолжительность горения дуги для ряда рассматривавшихся электродов, подсчитанная по осциллограм­мам напряжения и тока. В большинстве случаев перерывы в горении дуги в результате коротких замыканий не превышают 5% общей продолжительности сварки. Только при малом гоке (электроды ЦМ7, табл. 27), а также в случае сварки электро­дами Флитвелд 5 (табл. 26) перерывы достигли І 2.8%.

Полученные данные показывают, что при сварке электро­дами, несмотря па наличие коротких замыканий, приэлектрод — пый источник, расположенный на ванне, с точки зрения тепло­вого воздействия па основной металл может считаться пепре-

Таблица 26

Напря — жение дуги в в

Продолжительность

В с ’К

Суммарная

Отношение

продолжи-

Электрод

Ток в а

сварки (за­пись на осцилло­грамме)

горения

дуги

продолжи­тельность ко­ротких замы­каний в сех

телыгосш ГО рения дги к продолжи­тельности сварки в %

ВН48

225

23

5

4,825

0,175

96,5

ОММ5

215

22

5

4,74

0,26

95

Флитвелд 5

210

29

4

3,49

0,51

87,2

ЦЦ1

210

30

5,5

5,26

0,24

95,7

УП2/45

225

22

5,3

5,08

0,22

90

ЦНИИЛС Э 42

225

22

5,3

5,03

0,24

95,5

СМ11

225

2]

5,64

5,4

0,24

95,8

У ОНИ 13/45

220

23

5,0

5,44

0,155

97

Примечание. Диаметр электрода 5 мм, положение сварки нижнее, ток по­стоянный, полярность обратная.

і

Нижнее положение

Потолочное

положение

И

Продол ж и-

■ й £

К ъС. S °

Продолжи-

. V

к

• к о

X

и

гелыюсть Н Сек

Р О V) О Р,

*

О И 5 ,

оо-Ч

тельность в с ек

9т о. а о S_

Р X, X § к

Электрод

Ток в я

о

к

X

со

а

X

Р.

Е

X

сварки (за­пись на ос­циллограмме)

горения дуги

с л 5

К О) Я

ГО с х X х л Р. х 2 го t: го 2 О «

5s X и £ £

Отношение пр жительности г. дуги к продол ТЄЛМІОСТИ СРЭ]

сварки (за­пись иа ос­циллограмме)

горения дуги

а

X

к й S 2 g а &S г

го ^ э s £ * и й г

О. і — п £. 1 сх°£.

= £ С.5 X 9 с ь CJ л о

a**g

$ * X А

г; t и, г — Э ^ чн

ЦМ7

100

27

3,44

3,4

0,04

98,8

4

3,49

0,51

87,2

ЦМ7

130

27

3,5

3,34

0,16

98,4

3,7

3,42

0,28

92,5

ЦМ7

160

28

3,4

3,35

0,05

98,5

3,7

3,64

0,05

98,4

УОНИ13/55

100

22

3,5

3,41

0,00

97,4

3,88

3,5

0,38

92

1У ОНИ 13/55

1 ,0

22

3,64

3,56

0.08

97,7

3

2,9

0,1

96,7

УОНИ 13/55

і

1(0

23

3,4

3,3

0,1

97

3,5

3,49

0,01

99,8

Примечание. Диаметр электрода 4 мм, ток постоянный, полярность обратная.

Таблица 28

Продолжительность в cet

Суммарная продолжи­тельность ко­ротких замы­каний в Сек

Отношение

Элек род

Ток н а

Напря­жение дуги в в

сварки (за­пись на ос — ішілограмме)

горения

дуги

продолжи­тельности го­рения дуги к продолжи­тельности сварки в %

СММ5

130

23

3,0

8,44

0,16

95,6

1ІМ7

120

27

5,5

3,36

0,14

96

цннмлс-э

12

130

21

3,6

3,52

0,08

97,8

Ї! .) и меча п и о. Диаметр электрода 4 мм, положение сварки нижнее, ток по­стоянный, полярность прямая.

рь? с.ю действующим. Действие такого источника подробно изу­чено Н. Н. Рыкалиным и не требует специальных пояснений [105].

Тепловое действие источника, расположенного у электрода, обладает рядом особенностей. Этот источник вносит тепло в ванну вместе со значительными массами дополнительного ме­талла, увеличивающими объем ванны, т. е. наряду с теплопере­дачей происходит массопередача. Важным является то, что металл-теплоноситель, вносимый в сварочную ванну, не может передать ванне всего тепла, полученного на электроде. Для случая наплавки па пластину электродной проволокой без по­крытия это может быть пояснено следующим образом (рис. 46). Капли с электрода, попадая в сварочную ванну, ин­тенсивно перемешиваются с металлом ванны. Одновременно часть металла ванні, і выносится давлением в хвостовую часті

Подпись: (1 Ф) / 3600
Подпись: G.v = %
Подпись: (25.3)

где кристаллизуется (точка В) в виде усиления шва. Вес ме­талла, поступившего с электрода в ванну за 1 сек, равный весу металла, закристаллизовавшегося в усилении за 1 сек, со­ставит

где ир — коэффициент расплавления в г/с-ч; г[з — потери на угар и разбрызгивание;

image62,image63

I — сварочный ток в а.

Подпись: Qy Подпись: (26.3)

Поэтому количество тепла, выносимое из ванны с потоком металла и аккумулируемое в усилении шва в момент кристал­лизации, за 1 сек равно

где SnA —теплосодержание стали при температуре плавления,
включая скрытую теплоту плавления, в дж/г.

Легко показать, что тепло, аккумулируемое усилением шва, равно

Qy — Ри (a)rirm G Ф)> (27.3)

где Рк (а)~—мощность приэлектродного источника у электрода при прямой (обратной) полярности; г)ст — тепловой к. п. д. плавления стержня (рис. 29) .

Поэтому через стенки ванны BCD основному металлу может быть передана только часть тепла, поступившая с электрода с каплями металла, которая равна

Qi =- Рк (а)УШср (1 — б). (28.3)

Тепло Qu будет увеличивать зону проплавления, дополняя этим действие приэлектродного источника у ванны.

Тепло Q,„ сосредоточенное в усилении, будет постепенно передаваться основному металлу через плоскость АВ по мере 102

ТЕПЛОВОЕ И ПРОПЛАВЛЯЮЩЕЕ ДЕЙСТВИЕ ДУГИ НА ОСНОВНОЙ МЕТАЛЛ

охлаждения шва при удалении дуги (рис. 46). Воздействие этой части тепла на зону проплавления практически очень мало.

При сварке покрытыми электродами в процессе передачи тепла участвует также шлак. Рассуждая аналогичным образом, находим, что на проплавление основного металла используется тепло капель металла

(l у1п)Рк (а)т1пг/Л 1 40

и дополнительно тепло, содержащееся в перегретом шлаке, со­ответствующее его теплосодержанию выше температуры плав­ления стали.

Таким образом, применительно к источнику, действующему на электрод, можно отметить следующее: тепло, полезно расхо­дуемое на плавление электрода, не используется для проплав­ления изделия. В проплавлении изделия участвует только та часть мощности приэлектродного источника, которая затрачи­вается на перегрев металла капель и шлака выше температуры плавления стали.

Из выражения (28.3) видно, что повышение потерь на угар и разбрызгивание снижает проплавление. Формирование зоны проплавления происходит только под действием тепла, распро­страняющегося в изделии через стенки ванны. Поэтому при плавящихся электродах для расчетов размеров зоны проплав­ления следует пользоваться не полной калориметрической мощ­ностью <7„, а ее эффективным значением с/3ф:

ЯэФ = qu — (1 ~ Ч-) ^ — ди — 0,37з П — 4) /. (29.3)

Поправка U,37ccP(1—ф)7 может достигать 25—30% Яи — Не­обходимость применения поправки к q„ для расчета размеров зоны проплавления хорошо подтверждается опытами А. А. Еро­хина [26]. В работах Н. Н. Рыкалнна и А. А. Ерохина показано, что в случае плавящихся электродов при использовании полной калориметрической тепловой мощности дуги qи величина зоны проплавления, определенная по уравнениям теории распростра­нения тепла при сварке, обычно превышает фактическую. Соответствие опыта с расчетом наблюдается лишь при негла — вящемея электроде [107]. Совпадение опыта с расчетом для плавящихся электродов оказывалось удовлетворительным лишь при введении эмпирического поправочного коэффициента, сни­жающего тепловую мощность дг1. Этот коэффициент, по данным А. А. Ерохина, оказался различным для разных марок электро­дов. Произведенные автором расчеты площади зоны проплав­ления по методике Н. Н. Рыкалнна [105] с использованием экспериментальных данных А. А. Ерохина [26] и заменой q„ на яЭф показали удовлетворительное совпадение теоретических

и экспериментальных значении Fnp без введения какого-либо эмпирического коэффициента (рис. 47). Возможность определе­ния размеров зоны проплавления по методике Н. Н. Рыкалнна с использованием уравнения (29.3) представляет практический интерес.

image65

Отличигелыюй особенностью второго прнэлектродпого источ­ника является также дискретность внесения тепла в изделие. Расчленение дуги на отдельные источники тепла позволяет

Подпись: Т1 (R, к) Подпись: Pi 2-KR ТЕПЛОВОЕ И ПРОПЛАВЛЯЮЩЕЕ ДЕЙСТВИЕ ДУГИ НА ОСНОВНОЙ МЕТАЛЛ Подпись: те vR  2а 2а ) Подпись: (30.3)

учесть расчетом влияние дискретного характера переноса тепла с каплями металла на характер температурного поля в изде­лии. С точки зрения теории распространения тепла расчет может быть произведен следующим образом (без учета влияния массопередачи, существенно усложняющей расчет). В случае полубесконечного тела точечный источник тепла на ванне мощностью Р, перемещающийся по поверхности тела со ско­ростью V, будет создавать квазистаиионарпое температурное поле с началом координат в источнике [105]:

На это поле будет накладываться температурное поле, воз­никающее в изделии от тепла капель, падающих в ванну с

периодичностью, где п — число переносов в 1 сек. Если п

Р2—мощность источника, действующего на каплю, то при единичном переносе в ванну будет одновременно вноситься количество тепла, равное Р?[п.

Подпись: Гнс. 48. Схема расчет?, тепловых полей в по- лубесконсчном теле от равномерно падающих капель

Рассмотрим температурное поле от падающих капель при нахождении источника в произвольно взятой точке О (рис. 48). Температуру в точке C(R. х) можно рассматривать как резуль-

тат совокупного действия бесконечно большого количества

Р 2

мгновенных точечных источников мощностью —, приложенных

11

в точках Оь 02 03; и т. д. в моменты, отличающиеся от

. .т. 1+т

рассматриваемого времени / соответственно па / — ; і — ——;

п п

2+т

I———— И Т. д.

п

ТЕПЛОВОЕ И ПРОПЛАВЛЯЮЩЕЕ ДЕЙСТВИЕ ДУГИ НА ОСНОВНОЙ МЕТАЛЛ Подпись: (31.3)
image68

Температура от мгновенного источника, действующего в точке О; [105],

где Щ=х+у+г\

Ґ — время, прошедшее с момента приложения мгновен­ного источника.

Температура от действия ряда таких источников, вносимых в тело с периодичностью по времени 1/п и одновременным

скачкообразным перемещением на величину— , выразится сле­дующим рядом (начало координат совмещаем с движущимся

Подпись: T‘/(R, х) Подпись: псу г (Ата)3 Подпись: ехр
image69 image70

источником, принимаем бесконечно долгое перемещение источ­ника до рассматриваемого момента):

Этот знакоположительный ряд сходится, так как при к >оо член ряда ак —>-0 и так как

image71,image72,image73

Температура в точке с(/г„г) в подвижной системе координат от действия обоих прнэлектродных источников составит

Уравнение (33.3) для некоторых частных случаев было ре­шено на электронно-вычислительной машине. При этом были заданы следующие теплофизические коэффициенты для низко­углеродистой стали: с = 0,84 дж/г • °К; у = 7,8 г/см3, Я.=

—0,42 дж/см •°К-сек; д=0,1 см2/сек. Скорость сварки 0,2—• 1,0 см/сек. Число переносов металла п= 1-у 100 в 1 сек. Суммар­ная мощность приэлектродных источников была принята во всех случаях 4180 вт, что при сумме катодного и анодного падений напряжений 25—28 в соответствует сварочному току 150—170 а. Рассматривался случай, когда мощности приэлек­тродных источников, вводимые в ванну Р и в каплю Р2> равны и составляют по 2090 от.

При равномерном капельном переносе металла с электрода температурное поле в изделии должно пульсировать синхронно с переносом металла. Для того чтобы оценить эти пульсации, рассматривались мгновенные температурные поля в различные моменты времени после переноса металла с электрода.

На рис. 49 показана пульсация температурного поля в по­движной системе координат с началом в источнике при пере­мещении источника между двумя последовательными перено­сами металла. Показаны сечения поля по осям ОХ и OY. Число

image74

Рис. 49. Пульсации температурного поля между отдельными переносами металла (я=1, Рі = Р2==2090 вт):

а — £я*=0,2 см/сек-, б — t>=0.5 см/сек: в — и=1.0 см/сек

переносов во всех случаях составляет н = 1; скорости сварки равны 0,2; 0,5 и 1 см/сек. Для сравнения нанесено распределе­ние температур от единого точечного источника мощностью 2090X2 = 4180 вт по классической схеме [105]. Из рис. 49 видно, что пульсации температурного поля наиболее интенсивны ибли

зи источника. Температуры колеблются в обе стороны от изо­термы классического распределения (сплошная линия). Пульса­ции температурного поля имеют наибольшую амплитуду вбли­зи источника и затухают по мере удаления от источника. Уве­личение скорости сварки приводит к возникновению пульсаций

image75

Рис. 50. Влияние числа переносов капель на пульсации тем­пературного поля (е> = 0,Г> см/сек-, Р, — Р_= 2090 от):

Я — я= I; б — я-2; в — п=5; г — л—20: д — я = 30: £ — п =100

температур не только в сварочной ванне, но и на границе плав­ления и в нерасплавленном основном металле вблизи шва. Аналогично влияние уменьшения ‘Числа переносов металла (рис. 50).

Таким образом, капельный характер переноса перегретого металла приводит к пульсациям температурного поля вблизи источника с частотой, равной частоте переносов капель. При режимах, характерных для ручной сварки, эти пульсации лока­лизуются в основном в ванне и могут проявляться па границе плавления и в нерасплавленном металле лишь впереди источ­ника. Увеличение скорости сварки и уменьшение частоты пере­носов металла расширяют области пульсаций температуры за пределы ванны.

Проблема пульсации температурного поля может иметь су­щественное значение при исследовании проплавления тонкого металла в случае его сварки плавящимся электродом, а также при автоматической сварке на больших скоростях. Известно, что в обоих этих случаях весьма трудно обеспечить равномер­ное проплавление, а при сварке на больших скоростях (более 80 100 м! ч) возникает проблема пееплавленпя кромок. При

сварке неплавящимсм электродом эти проблемы обычно не возникают (например, при сварке вольфрамовым электродом в аргоне встык без присадочного металла [58]).