7.4. Тепловой баланс электрической дуговой сварки

Сварочные процессы в металле, определяющие производительность сварки и качество сварных соединений, протекают под действием тепла в условиях быстро меняющейся температуры. Пределы изменения температуры весьма широки: от начальной температуры детали минус 30–40 при сварке на морозе до температуры испарения металла (около 3000 для стали).

При изменении температуры в этом интервале происходят различные процессы. К ним относятся: плавление основного и присадочного металлов, кристаллизация расплавленного металла и др. Чтобы управлять этими процессами, необходимо знать, как влияют на них все основные факторы, в том числе и скорость перемещения электрода относительно детали.

Электрическая мощность N, расходуемая при дуговой сварке может быть проконтролирована с помощью амперметра и вольтметра:

N = U·I·, (7.8)

где U – напряжение, I – ток,  – КПД, учитывающий потери.

Поскольку практически вся электрическая энергия переходит в тепловую, электрическая мощность эквивалентна тепловому потоку Ф: N = Ф.

Рис. 7.16. Схематизация тепловых потоков в электрод и деталь:

а) вдоль сварного шва, б) в сечении, перпендикулярном сварному шву

При сварке тепло затрачивается на расплавление электрода, уходит в деталь путем теплопроводности, рассеивается в окружающую среду, теряется при разбрызгивании капель, либо переходит в деталь при заполнении расплавленными каплями. Некоторая, совсем небольшая часть, уходит в электрод путем теплопроводности. Тепловой баланс зависит от скорости перемещения электрода (дуги) и рациональная скорость перемещения электрода может быть вычислена на основании анализа теплового баланса.

Рассмотрим конкретный пример (рис. 7.16).

Пусть необходимо заварить сварным швом две стальные пластины. Длина шва L_Ш, шов разделан фасками под 45 шириной f .

Объем металла, необходимого для заполнения сварного шва равен

. (7.9)

Количество тепла, необходимое для нагрева этого объема металла до температуры плавления

(7.10)

где – удельная объемная теплоемкость, – температура плавления, – начальная температура (температура окружающей среды).

Количество тепла, необходимое для плавления этого объема металла

(7.11)

где L – удельная теплота плавления,  – плотность.

Время сварки  найдем как отношение длины сварного шва L_ш к скорости сварки v_св

. (7.12)

Таким образом, тепловой поток Ф_пл, необходимый для плавления металла при сварке, равен:

(7.13)

Определим теперь тепловой поток, поступающий непосредственно в сварочный электрод теплопроводностью. Электрод будем рассматривать как полуограниченный изолированный с поверхности стержень, торец которого находится при постоянной температуре, равной температуре плавления электрода.

Температура такого стержня определяется выражением (см. формулу 9.2., ч. I)

,

а плотность теплового потока на его торце и количество тепла, поступившее через торец, – выражениями (см. формулы 9.3 и 9.4, ч. I)

С учетом этого количество тепла, поступившее в электрод, будет:

. (7.14)

Выражая время нагрева электрода  через скорость перемещения электрода (7.12), найдем тепловой поток Ф_Э, поступивший в сварочный электрод за время :

(7.15)

И, наконец, оценим тепловой поток, поступающий в деталь. Поскольку источник тепла движется относительно детали со скоростью v_св, здесь может быть применен метод быстродвижущихся источников тепла. Согласно этому методу узкие пластины (или «стержни»), выделенные в быстродвижущейся относительно равномерно распределенного источника тепла детали (рис. 7.16), можно считать изолированными друг от друга. Поскольку поверхности нагрева сварного шва соприкасаются с расплавленным металлом, температуру на этих поверхностях примем равной температуре плавления _пл.

Для перехода от времени  к координате Y достаточно заменить время нагрева  отношением координаты Y к скорости перемещения источника тепла:

(7.17)

Согласно данным Н. Н. Рыкалина, длина источника тепла l_a зависит от рабочего тока I_р и от удельной плотности тока I_a, приходящейся на единицу площади, через которую тепло поступает в деталь:

(7.18)

Учитывая, что место сварного шва предварительно подготовлено путем снятия фасок шириной f под углом 45 , будем считать что полуплоскости, относительно которых движется источник тепла, расположены перпендикулярно поверхностям фасок (рис. 7.16б).

Зависимость площади нагрева от координаты Y определяется формулами:

. (7.19)

Плотность теплового потока на поверхностях нагрева определяется формулой (9.3). С учетом этого тепловой поток Ф_д, поступающий в деталь, будет:

(7.20)

Определим длину электрода, соответствующую требуемому объему наплавки металла при заданном диаметре электрода:

. (7.21)

Найдем скорость перемещения электрода вдоль него, необходимую для сохранения постоянной длины дуги:

(7.22)