Термический к. п. д, процесса прогрева зоны теплопроводящего тела подвижным сосредоточенным источником выше любой заданной температуры Тт легко определить из уравнения процесса распростра­нения тепла. Площадь Fт поперечного сечения зоны нагрева выше

Фиг. 131. Очертание расчетной зоны проплавления при наплавке узкого валика на поверхность массивного изделия.

Тт ограничена кривой постоянной максимальной температуры, т. е. геометрическим местом точек, максимальная температура которых за время перемещения источника достигала Тт. При скорости v пере­мещения источника тепла производительность^ прогрева металла выше заданной температуры выразится у и^т:ДСравнивая расход тепла па прогрев зоны до температуры Тт с эффективной мощностью источника <7, получим термический к. п. д. процесса (41.2).

Наплавка валика на массивное изделие мощной быстродвижущейся дугой. Распространение тепла описывается схемой точечного источ­ника, перемещающегося по поверхности полубесконечного тела. Зона прогрева до температуры Тт теоретически представляет собой полу­цилиндр с образующими, параллельными оси перемещения источ­ника. Поперечное сечение расчетной зоны проплавления ограничено геометрическим местом точек с максимальной температурой Тт, рав­ной температуре плавления ТПЛ (фиг. 131),

Для определения площади расчетной зоны проплавления восполь­зуемся уравнением (16.1) максимальных температур при наплавке Еалика на массивное изделие мощной быстродвижущейся дугой

Тт(г)—в——- (42.1)

VCJ-J

здесь су—объемная теплоемкость металла в кал1г°С; — площадь

полукруга, ограниченного кривой максимальной температуры Тт. Источник проходит за 1 сек расстояние о см. Выражение— о пред­ставляет объем, все точки которого нагреваются выше заданной тем­пературы Тт (г) (фиг. 131). Температура всех точек тела вне этого

объема не достигает Тт(г). Следовательно, ~vc~[Tm{r) выражает

количество тепла, которое необходимо затратить, чтобы весь рассмат­риваемый объем был равномерно нагрет до заданной температуры

Тп(г). /..о 1 v

Вместо Тт(г) подставим в уравнение (42.1) температуру плавле­ния Тпл, а вместо г — глубину проплавления Нпр, тогда

vHlpc{Tn^q. (а)

выражающееся левей частью уравне­ния (а), представляет лишь

часть q всего тепла qy

которое вводится источни­ком в изделие

Термический к. п. д. процесса проплавления представляет отнешение количества тепла, необхо­димого для проплавления, ко всему теплу, вводимо­му в изделие дугой. При наплавке валика на по­верхность массивного из-

делия Fnp— у Hip, по­этому термический к п. д процесса

На проплавление поверхности массивного изделия при на­плавке узкого валика мощной быстродвижущейся сварочной дугой затрачивается теоретически только 0,368 от эффективной тепловой

мощности q, вводимой дугой в изделие. Остальная же часть тепловой мощности 0,632*7 представляет с точки зрения процесса проплавления потери на перегрев металла в зоне проплавления и на подогрев металла вне этой зоны.

Сварка листов встык мощной быстродвижущейся дугой. Распро­странение тепла описывается схемой линейного источника q, переме­щающегося со скоростью v по неограниченной пластине толщиной 8. Зона прогрева до температуры Тт представляет теоретически пло­ский слой, ограниченный плоскостями z±zy, параллельными плоско­сти XOZ перемещения линейного источника (фиг. 132). Максимальная температура в пластине без теплоотдачи (6—0) Тт (у) согласно урав­нению (16.7)

Г.(й=]/’|-гЕ^¥. (42.3)

Теплоотдачей пренебрегаем, так как ширина зоны проплавления обычно невелика, а на температуру близкой к источнику зоны по­теря тепла через поверхности пластины существенно не влияет.

Подставим в уравне — ние (42.3) Тпл==Тт (у) и В—2у (фиг. 132), тогда

(б)

Левая часть уравне­ния (а), представляю­щая собой количество тепла, необходимое для проплавления при свар­ке тонких листов встык, равна площади прямо­угольника &х(фиг. 133).

Остальная часть тепла q, вводимого источником, идет на пере­грев металла внутри зоны проплавления (площадь Й2) и на по­догрев металла вне зоны проплавления (площади й3).

Термический к. п. д. процесса проплавления при сварке листов встык мощной быстродвижущейся дугой

Значения — fy, выражаемые формулами (42.2) и (42.4), выведены из уравнений для мощных быстродвижущихся источников тепла — точечного и линейного. Если источник движется быстро, то тепло вблизи оси или плоскости его перемещения распространяется только в плоскостях, перпендикулярных направлению перемещения источ­ника. Если же источник движется медленно, то часть тепла успевает распространиться и в направлении его перемещения, поэтому потеря

тепла возрастает и как следствие этого термический к. п. д. умень­шается. Значения гь равные 36,8% и 48,4%, являются соответственно максимальными для случаев наплавки валика или сварки листов встык.

Сварка и наплавка дугой, движущейся с произвольной скоростью. Значения т], были рассчитаны по уравнениям (13.2) и (14.2) предель — ного состояния процесса распространения тепла от точечного и линей­ного источников, перемещающихся с произвольной скоростью V. Тер­мический к. п. д. процесса проплавления тц при наплавке валика на поверхность массивного тела представлен в зависимости от без­размерного критерия

(42.5)

пропорционального произведению мощности дуги на скорость ее пере­мещения, и от отношения Н/В, характеризующего очертание зоны проплавления (фиг. 134). Зд^сь 8’пл = ^8пл = —теплосодержа­

ние единицы объема расплавленного металла, включая скры­тую теплоту плавления; для малоуглеродистой стали 5,^ — = 7,8 (260 + 65) = 2500 кал/см*.

Термический к. п. д. при сварке тонких листов встык (#/S = 0) представлен в зависимости от безразмерного критерия

(42.6)

(фиг. 135), где о-—толщина пластины в см.

При безразмерных критериях є3 и є^>, стремящихся к бесконеч­ности, значения термического к. п. д. приближаются к предельным значениям: 0,368—для наплавки узкого валика мощной быстродви — жущейся дугой на массивное изделие и 0,484 — для сварки тонких листов встык мощной быстродвижущейся дугой. При скоростях сварки больше 20—30 м/час безразмерные критерии є3 и е2 обычно настолько велики, что соответствующие им значения rt близки к предельным.

Уширенный валик и углубленная дуга. При наплавке узкого ва­лика (без поперечных колебаний) на массивнее изделие значения rt рассчитывали в предположении, что зона проплавления представляет полукруг (фиг. 134,6) с отношением Н/В—0,5. В этом случае тепло распространяется радиально по всей площади поперечного сечения изделия. При наплавке уширенного валика на массивное изделие дуга совершает поперечные колебательные движения, очер­тание зоны проплавления становится вытянутым (фиг. 134,а). В этом случае условия теплоотвода будут иными, чем при полукруглой зоне проплавления. Здесь источник тепла уже не сконцентрирован в точке, а распределен по участку поверхности шириной В0. По мере увеличе­ния S0 зона проплавления вытягивается, общий теплоотвод умень­шается, потери тепла снижаются, а термический к. п. д. возрастает. Поэтому значения?]/ при наплавке уширенного валика па массивное изделие (tf/S<T0,5) превышают значения tj/ при наплавке узкого ва­лика (Я/£=0,5),

По мере увеличения размаха колебаний точечного источника по* лучим в пределе схему нагрева линейным источником (фиг. 135, б), характеризующуюся конечной глубиной проплавления Я и беско­нечной шириной зоны проплавления В (поэтому отношение Н! В—0), В этом предельном случае тепло в поперечном сечении распростра­няется только в глубь тела, но не в направлении, параллельном источнику.

Если дуга углублена в изделие, например, при сварке погруженной дугой или при автоматической сварке под флюсом,

Фиг. 135. График для расчетного определения термического к. п. д. гр а — сгарка тлгких листов естык р один пр^х^д, HflB* — оо; б— канлагка весьма іш-рокито га лика на массньное тело, HjB “ 0.

очертание зоны проплавления соответствует схеме линейного источ­ника конечной глубины и характеризуется отношением Н/В^>0,5 обычно не более 0,7—0,8 (фиг. 134,в). Предполагая, что дуга углуб­лена на всю толщину изделия, в пределе получим схему беско­нечного линейного источника, HjB = оо (фиг. 135,а). Эта схема в отношении распространения тепла и по эффективности процесса проплавления соответствует сварке встык. При сварке встык тепло распространяется в одном направлении, тепловой поток как бы заключен между нижней и верхней плоскостями листа. Возмож­ность теплоотвода меньше, чем при наплавке валика, поэтому тер­
мический к, п. д. при сварке встык (#/5 = оо) выше, чем при наплавке (сю Н/В д>0).

Схема линейного источника тепла q, распределенного по отрезку конечной ширины В, совпадает со схемой линейного источника тепла 27, распределенного по отрезку конечной глу­бины Н’—В/2 (фиг. 136).

Дополним обе схемы их отражениями в граничной плоскости MN, составим таким образом бесконеч­ные тела с линейными источниками одинаковой ширины (В в схеме а и 2#’ в схеме б) равной интен­сивности 2q, Очевидно, что процессы распространения тепла в обеих схемах сов­падают, если одну из них повернуть на угол 90°. Но эти схемы тождественны только при определенном соотношении глубины и ширины зоны проплавления, а именно:

н’ів’=тт — <42-7>

Поэтому на графике т]Дфиг. 134) каждой кривой соответствует два значения отношения глубины и ширины зоны проплавления Н/В и

. Для точечного источника с полукруглой зоной (Я/Я = 0,5); Я7Я’=1/4-0(5 = 0Д

Процесс проплавления тем эффективнее, чем равномернее распре­делен тепловой поток дуги по ширине или глубине изделия. Сосредо­точенным источником тепла нельзя равномерно прогреть весь объем свариваемого изделия. К идеальному случаю равномерного объем­ного прогрева (у^—і) приближается нагрев стержня током.

Пример. Валик наплавляли вручную на лист толщиной 30 мм при режиме: ток постоянный, / =376 а, напряжение дуги £/=17 в, полярность прямая, ско­рость сварки v =5,8 м/час= 1,62 мм/сек, электрод диаметром 6 мм, обмазка /У 1 Д меловая.

"Т~ , ж v І’* У / Приняв эффективный к. п. д. процесса

^ х нагрева изделия дугой rju равным 0,75, опре-

Ж” делим эффективную мощность дуги а =

=0,24*0,75-17*376^ 1150 кал/сек.

—____ for___ Непосредственным измерением на шлифе

были определены (фиг. 137) площадь зоны проплавления Рпр~Ы мм2, ширина зоны про­плавления Я=1§,5 мм, глубина зоны про­плавления Н =4,0 мм.

Расчет по условиям режима сварки. Для определения rt по графику фиг. 134 необходимо знать безразмерный критерий ц и

В данном случае только 15% тепла, развиваемого дугой, идет на гроплавле» ние основного металла, Остальное тепло (85%) теряется в дуговом промежутке и в электроде и расходуется на перегрев металла в зоне проплавления и на подо ірев металла вне этой зоны.