СВАРКА И РЕЗКА МЕТАЛЛОВ

Плавление и перенос металла в дуге

Электрическая дуга дает яркий свет и выделяет значительное количество тепла, которое образуется вследствие превращения энергии движения частиц ^тепловую энергию при столкновении их с анодом, катодом и друг с другом. Тепло, выделяясь на аноде и катоде, расплавляет свариваемый металл и конец электрода. В катодной и анодной зоне выделяется основное количество тепла дуги. В самой дуге выделяется меньшая часть тепла, расходуемого на испарение материала электрода и частично теряемого в окружа­ющую среду.

Выделяя большое количество тепла и имея высокую температу­ру, электрическая дуга вместе с тем обеспечивает очень сосредото­ченный нагрев металла. Поэтому металл во время сварки остается сравнительно мало нагретым уже на расстоянии нескольких сан­тиметров от сварочной дуги.

Под действием дуги металл расплавляется на некоторую глубину, обозначенную на рис. 19, а буквой h и называемую глубиной проплавления или проваром.

При сварке на постоянном токе угольным электродом коли­чество выделяющегося на аноде тепла составляет около 42%, на ка­тоде около 38% от общего количества тепла дуги. Остальные 20% тепла выделяются в столбе дуги. Наибольшее количество заряжен­ных частиц выбрасывается катодом, поэтому анод подвергается бо­лее сильной бомбардировке частицами, благодаря чему на нем всег­да выделяется большее количество тепла.

Температура дуги также различна и составляет при использо­вании угольных электродов для катода около 3200е, для анода око­ло 3900°, при использовании стальных электродов—для катода око­ло 2400е, для анода около 2600е. Полная тепловая мощность дуги q0 подсчитывается по формуле__________ _____

q0== 0,24/ • Ua кал! сек,

где I — сварочный ток, а;

Уд — напряжение дуги, в;

0,24 — коэффициент перевода электрических единиц в тепло­вые, кал/вт • сек.

Количество тепла, вводимое дугой в свариваемый металл в еди­ницу времени, называется эффективной тепловой мощностью дуги. Она меньше полной тепловой мощности Дуги и слагается из следующего: тепла, выделяющегося в пят­не дуги на свариваемом металле; тепла, вводимого в металл за счет теплообмена со столбом дуги и ее пятном на свариваемом металле; тепла, вносимого в свариваемый металл с каплями расплавленно-

го металла электрода, электродного покрытия и флюса. Эффектив­ную тепловую мощность дуги q можно подсчитать по формуле

q = 0,24- t/д•/•■»] кал! сек.

Здесь буквой tj обозначен эффективный коэффициент полезного действия нагрева металла дугой. Коэффициент ц равен:

при сварке открытой дугой метал­лическим электродом:

с тонким покрытием........................ 0,50—0,60

с толстым покрытием...................... 0,70—0,85

при сварке под флюсом.......................... 0,80—0,92

при сварке угольным электродом. , 0,50—0,65

при сварке в среде аргона....................... 0,50—0,60

Тепловой режим сварки характеризуется количеством тепла, вводимого в металл на единицу длины шва. Эта величина назы­вается погонной энергией сварки и выражается отно­шением — (кал/см), где v — скорость сварки, смісек. ,

V

Величиной погонной энергии характеризуют режим, назначае­мый при сварке данного металла.

Примерные балансы использования тепла сварочной дуги при­ведены в табл. 2.

Таблица 2

Из данных табл. 2 следует, что при автоматической сварке под флюсом наиболее полно используется тепловая мощность свароч­ной дуги.

Электродный металл стекает в сварочную ванну в виде капель; при ручной дуговой сварке таким образом переносится до 90% элек­тродного металла. Остальные 10% представляют собой брызги и па­ры, значительная часть которых теряется. Дуга расплавляет элект­род с достаточно большой скоростью, так, например, электрод дли­ной 450 мм расплавляется за 1,5 — 2 мин.

Капля расплавленного металла собирается на конце электрода и принимает грушевидную форму. Затем у основания капли обра­зуется тонкая шейка, в которой плотность тока резко увеличивается, металл разогревается, шейка делается тоньше, длиннее, и, наконец, капля касается сварочной ванны, на мгновение замыкая электрод и металл накоротко. Шейка рвется, а давлением паров и газов капля отбрасывается ч вперед, по направлению к кратеру. Вслед за этим дуга возникает вновь, и процесс образования капли повто­ряется.

В секунду с электрода на металл переносится от 20 до 50 капель примерно одинакового размера. Наряду с крупными каплями элект­родный металл переносится на изделие также в виде потока мелких капель (струйный процесс переноса металла). Чем больше свароч­ный ток и чем толще слой покрытия на электроде, тем большая часть металла переносится в виде потока мелких капель. В электродах с тонким покрытием и при сварке на малых токах процесс переноса в основном крупнокапельный. Давлением газов дуги жидкий металл отбрасывается со дна ванночки на ее боковую поверхность, что вы­зывает образование углубленного кратера. Это происходит перио­дически, поэтому жидкий металл откладывается отдельными пор­циями, вследствие чего поверхность шва получается чешуйчатой. Чем толще покрытие' электрода, тем больше будет слой шлака над расплавленным металлом шва и тем чешуйки будут тоньше, а по­верхность шва — более ровной и чистой. Особенно чистая поверх­ность шва получается при автоматической сварке под флюсом.

Количество электродного металла, расплавленного за опреде­ленное. время, можно определить по формуле

ор = /ср././,

где Gр — количество расплавленного металла электрода, г

Кр — коэффициент расплавления, г/а • час,

I — величина сварочного тока, а; t — время горения дуги, час.

Из формулы следует, что количество расплавленного электрод­ного металла определяется током и продолжительностью горения Дуги. Чем больше ток и чем длительнее горит дуга, тем большее ко­личество металла будет расплавлено.

Коэффициентом расплавления Кр называется количество расплавленного электродного металла в граммах в те­чение одного часа, приходящееся на один ампер сварочного тока. Коэффициент расплавления зависит от материала электродного стержня, состава покрытия, а также от рода и полярности тока. Для стальных электродов коэффициент расплавления колеблется в пре­делах от 8 до 14 г/а■ час.

При сварке вследствие частичного окисления кислородом воз­духа, испарения и разбрызгивания наблюдаются потери электрод­ного жидкого металла. Поэтому в наплавленный металл шва пере­ходит только часть электродного металла. Для подсчета количества наплавленного металла нужно в приведенной выше формуле коэф­фициент расплавления Др заменить меньшей величиной Кт на­зываемой коэффициентом наплавки. Коэффициент наплавки меньше коэффициента расплавления Кр на величину потерь электродного металла при сварке, составляющих от 1 до 3 г/а ■ час. При сварке на переменном токе электродами с тонким меловым покрытием коэффициент наплавки. Кв — 6 — 7 г/а - час, а при сварке электродами с толстыми покрытиями Ки = 6,5 — 12,5 г/а ■ час.

Пример: сварка производится толстопокрытыми электродами, током 300 а. Величина /(„=11 г/а ■ час. За 1 час горения дуги сварщик может наплавить металла:

11 ■ 300 = 3300 г, или 3,3 кг.

Знать величину коэффициента наплавки очень важно для нормирования сварочных работ Обозначим через v — скорость сварки, см/час-, F — площадь поперечного сечения шва, см2. Тогда скорость сварки можно подсчитать по форйіулб

где число 7,85 обозначает вес 1 см3 наплавленного металла (стали) в г.

Следовательно, скорость сварки будет тем выше, чем выше коэффициент наплавки Ка и чем больше ток /

Пример: /(„=11 г/а-час, / = 300 а; Д = 1,1 см2 Скорость сварки составит:

11 • 300

v =--------------- = 382 см/час, или 3, 82 м/час.

7,85 • 1,1