Джерела нагрівання та
.pdf
В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні
зовні холодним газом) або зменшенням перерізу дуги, наприклад, діаметром сопла пальника, або збільшенням струму в дузі.
Іноді, особливо при зварюванні кольорових металів і сплавів, практикують також зменшення величини поверхневого натягу металу крапель ( σ) шляхом створення окислювального середовища. Для цього в газову фазу до інертного захисного газу додають невелику кількість (3…5 %) вуглекислого газу або кисню, або навіть їх суміш. Зварювання, таким чином, проводиться в сумішах газів: Ar + O2 , Ar + CO2 або Ar + O2 + CO2 . Неве-
лика кількість окислювачів значно зменшує поверхневий натяг металу крапель і, відповідно, величину критичного струму переходу до струменевого переносу. Щоправда, як для вільних, так і для стиснених дуг в середовищі захисних газів, створення подвійного або потрійного газового захисту пов’язане із значними технічними труднощами і економічно досить переобтяжливо для виконавців таких рекомендацій.
Універсальні методи: примусове перенесення крапель електродного металу. Сутність примусового переносу полягає в тому, що створюється таке діяння на краплю, яке заставляє її відриватись від торця електроду і переходити в зварювальну ванну. Звичайно, і в цьому випадку доводиться залишатись в полі сил, які традиційно діють на краплю. Першими виникли ідеї механічного впливу на краплі електродного металу. Такий механічний вплив може бути реалізований шляхом переривчастої подачі електрода в дугу, коли в момент різкої зупинки подачі дроту крапля силами інерції зривається з електрода. Також застосовуються методи вібрації всього подавального механізму (вібро-дугове наплавлення), коли амплітуда вібрацій вибирається такою, щоб виникали короткі замикання крапель з розплавленим металом зварювальної ванни, в моменти яких якраз і відбувається перехід металу з електрода у ванну.
351
В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні
Але такі чисто механістичні способи впливу на перенос не набули широкого поширення через необхідність досить точного регулювання відповідних механізмів і відсутність скільки-небудь достовірних математичних моделей таких процесів. Це вимагало всякий раз виконання значного об’єму дослідів для встановлення оптимальних співвідношень швидкостей подачі електрода, частоти і тривалості зупинок подачі або частоти та амплітуди вібрацій подавального механізму і т. п. Крім того, значні динамічні навантаження на пристрої, які подають електрод в дугу, приводять до передчасного зношування механізмів, вимагають додаткових кваліфікованих налагоджувань, відповідно, часто ламаються, що послужило додатковою причиною для несприйняття таких систем виробничниками-практиками.
Натомість був розроблений більш ефективний спосіб управління пе-
реносом − імпульсно-дугове зварювання. Суть його полягає в тому, що під час дугового зварювання плавким електродом (струм Iд , див. рис.) на дугу від джерела живлення особливої конструкції подаються додаткові імпульси струму
значної амплітуди ( Iімп), але малої тривало-
сті ( tімп ). В проміжки часу між імпульсами
( t ) електрод плавиться при невеликому струмі ( Iд ). В моменти накла-
дення імпульсів струму дуга практично миттєво переходить в стиснену форму з різким збільшенням діаметру. Рівнодіюча електромагнітних сил в цей момент виявляється направлена від електрода до виробу і, будучи пропорційна другій степені величини струму, зриває краплю з торця електрода й скидає її у зварювальну ванну.
Спосіб імпульсно-дугового управлінця переносом електродного металу виявився настільки ефективним, що дозволяє організувати керований перенос не тільки в будь-якому просторовому положенні електрода і зва-
352
В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні
рювальної ванни, але й на підставі особливих засобів програмування робить можливим перехід металу електрода в зварювальну ванну, наприклад, при зварюванні неповоротних стиків труб. Це той випадок, коли зварювальний апарат рухається навколо стику труб, виконуючи зварний шов від долішнього положення у верхній частині стика до горішнього в нижній його частині і далі знову до долішнього.
Залишається лише досить складна задача вибору частоти подачі імпульсів та їх тривалості таким чином, щоб у момент подачі імпульсу крапля була уже достатніх розмірів, але щоб співвідношення діаметрів струмоведучих частин в ланцюгу електрод-крапля-дуга-ванна складалося так, щоб рівнодіюча електромагнітних сил була направлена в потрібний бік. Сучасні комп’ютерні засоби програмування цілком спроможні забезпечити таку можливість, якщо, звичайно, є в наявності успішно діюча математична модель процесу.
Підсумовуючи зазначимо, що розмаїття факторів, які своєю дією на краплі розплавленого електродного металу створюють той чи інший вид переносу, не є достеменно відомим і дотепер. Особливо це стосується таких складних для теоретичного аналізу сил, як реактивні, електростатичні, аеродинамічні. Також недостатньо дослідженою є й динаміка росту крапель і зміна розподілу сил, які діють на краплю, в зв’язку з цим ростом. Тому тут обмежимось лише викладеним достовірним матеріалом, залишаючи простір для допитливості майбутніх дослідників.
P.S. Автор буде щиро вдячний всім, хто висловить критичні зауваження, конструктивні пропозиції, судження, побажання, думки вголос, вказівки на можливі помил-
ки, неточності чи невідповідності, надіслані за адресою:
kopersak@hotmail.com, vkopersak@ukr.net
або залишені на Форумі зварювального факультету НТУУ «КПІ»:
www.weld.kpi.ua
353
В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні
ПИТАННЯ ДЛЯ САМОПЕРЕВІРКИ
1.Що називається зварюванням?
2.Що є головною характеристикою зварного з’єднання?
3.Чи можлива присутність в зварному з’єднанні поверхонь розділу?
4.Що потрібно для виникнення сил міжатомного (міжмолекулярного) зв’язку?
5.Чому поверхневі частки не вступають у взаємодію при зближенні поверхонь?
6.Які причини зумовлюють виникнення енергетичного бар’єру при спробі з’єднанні двох поверхонь?
7.Як відбувається активація поверхневих атомів?
8.Чи потрібне обов’язкове розплавлення з’єднуваних поверхонь при зварюванні?
9.Що означає термін «осадка»?
10.Який зв’язок між нагріванням і осадкою при зварюванні?
11.Чому не можна зварювати деревину?
12.Чому не можна зварювати графіт?
13.Який вид енергії застосовує спосіб зварювання: дуговий?
14.Який вид енергії застосовує спосіб зварювання: електроннопроменевий?
15.Який вид енергії застосовує спосіб зварювання: лазерний?
16.Який вид енергії застосовує спосіб зварювання: індукційний?
17.Який вид енергії застосовує спосіб зварювання:дифузійний?
18.Який вид енергії застосовує спосіб зварювання: ультразвуковий?
19.Який вид енергії застосовує спосіб зварювання: контактний?
20.Який вид енергії застосовує спосіб зварювання: газовий?
21. .Який вид енергії застосовує спосіб зварювання: термітний?
354
В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні
22.Який вид енергії застосовує спосіб зварювання: вибухом?
23.Який вид енергії застосовує спосіб зварювання: ковальський?
24.Який вид енергії застосовує спосіб зварювання: холодний?
25.Який вид енергії застосовує спосіб зварювання: тертям?
26.Чому один з видів електричного розряду в газі називається дугою?
27.Як називають позитивний електрод?
28.Як називають негативний електрод?
29.Чим відрізняється дуговий розряд від інших видів електричних розрядів?
30.Якими параметрами визначають стан електричної дуги?
31.Яку дугу називають вільною?
32.Яку дугу називають стисненою?
33.Який з видів дугового розряду підкоряється закону Ома?
34.Який з видів дугового розряду не підкоряється закону Ома?
35.Довжина якої з областей дуги є найбільша?
36.Довжина якої з областей дуги є найменша?
37.Що спричиняє появу об’ємного позитивного заряду в катодній області?
38.Які частки переносять струм в катодній області?
39.Які частки покидають поверхню катода при горінні дуги?
40.Як змінюється напруга по довжині дуги?
41.Чому при малих значеннях густини струму вольт - амперна характеристика круто - спадаюча?
42.Чому при середніх значеннях густини струму ВАХ дуги пологоспадаюча?
43.Чому при підвищених значеннях густини струму ВАХ дуги зростаюча?
44.Якою є приблизна величина катодної області?
355
В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні
45.Яку область називають катодною?
46.Як визначається кінетична енергія зарядженої частки, яка рухається в електричному полі?
47.Яке співвідношення кількості іонів і електродів характерне для катодної області?
48.Що називається катодною емісією?
49.Що називається роботою виходу?
50.Яка величина характеризує процес емісії електрону з поверхні катода?
51.Що називається потенціалом виходу?
52.Які види емісії електронів з поверхні катоду вам відомі?
53.Що є головним показником процесу емісії електронів з катоду?
54.Яке явище описує рівняння Річардсона - Дашмена?
55.Що означає значок ϕ в рівнянні Річардсона - Дашмена?
56.Що означає значок T в рівнянні Річардсона - Дашмена?
57.Що означає значок e0 в рівнянні Річардсона - Дашмена?
58.В чому полягає ефект Шотткі?
59.Що зменшує роботу виходу електронів з катода?
60.Яка причина викликає явище автоелектронної емісії?
61.Яке явище описує рівняння Фаулера - Нордгейма?
62.Що означає значок E в рівнянні Фаулера - Нордгейма?
63.Яка причина викликає фотоемісію?
64.Співвідношення яких енергій розглядається при дослідженні явища фотоелектронної емісії?
65.Що називають вторинною електронною емісією?
66.Що є головним чинником емісії електронів з катода відповідно до аналізу С.Мак-Коуна?
356
В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні
67.Наведіть головний висновок з аналізу С.Мак-Коуна емісії електронів з катода?
68.Що викликає лавиноподібну емісію електронів з поверхні катоду?
69.Чому катодна пляма хаотично рухається по поверхні катода?.
70.Дайте визначення терміну «гарячий катод»?
71.Дайте визначення терміну «холодний катод»?
72.Що таке стовп дуги?
73.Який фізичний процес є головним в стовпі дуги?
74.Яке явище називають іонізацією зіткненням?
75.Яке явище називають термічною іонізацією?
76.Яке явище називають фотоіонізацією?
77.Яка умова повинна виконуватись для можливості іонізації зіткненням?
78.Яка умова повинна виконуватись для можливості фотоіонізації?
79.Яка умова повинна виконуватись для можливості термічної іонізації?
80.Що називають ступенем іонізації?
81.Яке явище описує рівняння Сага?
82.Наведіть логістику виводу рівняння Сага.
83.Що означає значок Ai в рівнянні Сага?
84.Наведіть логістику виводу залежності ступеню іонізації дугового газу за методом В.І. Дятлова.
85.Який показник застосовують для характеристики іонізації суміші газів?
86.Що називають рухливістю частки?
87.Що називають дрейфом частки?
357
В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні
88.Який параметр характеризує рух зарядженої частки в напрямку електричного поля і як він визначається?
89.Що називають перетином взаємодії Рамзауера?
90.Які частки переважно переносять струм в стовпі дуги?
91.Наведіть логістику виводу залежності, яка характеризує густину струму в стовпі дуги.
92.Охарактеризуйте процеси, які протікають в анодній області дуги.
93.Які заряджені частки переважно переносять струм в анодній області дуги?
94.Дайте визначення каналової моделі дуги К.К. Хрєнова.
95.Які припущення використовуються при виведенні вольт-амперної характеристики вільної дуги?
96.Яка залежність пов’язує падіння напруги на стовпі дуги і струм в дузі?
97.Охарактеризуйте принцип мінімуму Штейнбека.
98.Наведіть логістику виводу залежності температури стовпа вільної дуги.
99.Як можна вирахувати температуру вільної дуги?
100.Що є головним фактором у створенні стисненої дуги?
101.Охарактеризуйте залежність, яка пов’язує напруженість електричного поля стисненої дуги і ступінь іонізації?
102.Наведіть можливі способи створення стисненої дуги? Які з них застосовуються на практиці і чому?
103.З яких складових формують баланс енергії на аноді зварювальної дуги?
104.З яких складових формують баланс енергії на катоді зварювальної дуги?
358
В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні
105.З яких складових формують баланс енергії в стовпі зварювальної дуги?
106.Як визначається сила Лоренца, яка діє на заряджену частку в магнітному полі?
107.Яку траєкторію описує заряджена частка в однорідному магнітному полі?
108.Що називають «пінч-ефектом»?
109.Як впливає на результуючу силу пінч-ефекту струм в дузі?
110.Як визначається напрямок основної сили пінч-ефекту в провіднику різновеликого перетину?
111.Яка з сил пінч - ефекту не врівноважується хаотичним рухом часток?
112.Що називають терміном «магнітне дуття»?
113.Чи завжди потрібно підтримувати швидкість подачі плавкого електрода в дугу рівну
114.швидкості його плавлення?
115.Що називають коефіцієнтом саморегулювання?
116.Наведіть логістику виводу коефіцієнту саморегулювання.
117.Охарактеризуйте складові, які входять до виразу коефіцієнту саморегулювання.
118.Який вигляд має залежність швидкості плавлення електроду від струму в дузі в межах режимів саморегулювання?
119.В яких випадках коефіцієнт саморегулювання має максимальні значення?
120.Що характеризує показник температури і в яких межах його можна застосовувати?
121.Який фізичний стан часток тіла прийнято за 0 (нуль) шкали температур Кельвіна?
359
В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні
122.Що являє собою одиниця температури 1 (один) Кельвін?
123.Що називається температурним полем?
124.Яка фізична величина характеризує різницю температур між точками тіла в деякому напрямку?
125.Яку спеціальну назву носить напрямок максимальної зміни температур?
126.Що називають питомим тепловим потоком?
127.В яких одиницях вимірюється питомий тепловий потік?
128.Що називається конвекцією?
129.В яких випадках існує конвекційний тепловий потік?
130.За яким правилом визначають чисельні (кількісні) характеристики конвекційного теплового потоку?
131.Дайте визначення коефіцієнту конвекційної тепловіддачі. Від чого залежить ця величина?
132.Що називають радіаційним (променевим) теплообміном?
133.В яких випадках існує радіаційний (променевий) тепловий потік?
134.За яким правилом визначають чисельні (кількісні) характеристики радіаційного (променевого) теплового потоку?
135.Дайте визначення коефіцієнту радіаційної тепловіддачі. Від чого залежить ця величина?
136.Що називають ступенем чорноти тіла? Від чого залежить ця величина?
137.Дайте визначення теплопровідності.
138.За яким фізичним законом визначають параметри теплопровідності?
139.Дайте визначення коефіцієнту теплопровідності. Від чого залежить ця величина?
140.Дайте визначення поняття «температурне поле».
360