Основы сварочного дела

Тепловые свойства сварочной дуги

Энергия мощных потоков заряжен­ных частиц, бомбардирующих катод и анод, превращается в тепловую энер­гию электрической дуги. Суммарное количество теплоты Q (Дж), выделяе­

мое дугой на катоде QK, аноде QB и в столбе дуги Qc, определяется по фор­муле

Q = / Uat,

где / — сварочный ток, A; Uд — на­пряжение дуги, В; t — время горения дуги, с.

При питании дуги постоянным то­ком (рис. 11) наибольшее количество теплоты выделяется в зоне анода. Это объясняется тем, что анод под­вергается более мощной бомбардиров­ке заряженными частицами, чем ка­тод, а при столкновении частиц в стол­бе дуги выделяется меньшая доля общего количества теплоты.

При сварке угольным электродом температура в катодной зоне дости­гает 3200° С, в анодной — 3900°С, а в столбе дуги среднее значение температуры составляет 6000° С. При сварке металлическим электродом температура катодной зоны состав­ляет около 2400° С, а анодной зоны — 2600° С.

Разная темп-ература катодной и анодной зон и разное количество теп­лоты, выделяющейся в этих зонах, используются при решении технологи­ческих задач. При сварке деталей, требующих большого подвода теплоты для прогрева кромок, применяют прямую полярность, при которой анод (плюсовая клемма источника тока) подсоединяют к детали, а катод (ми­нусовая клемма источника тока) — к электроду. При сварке тонкостен­ных изделий, тонколистовых конструк­ций, а также сталей, не допускающих перегрева (нержавеющие, жаропроч­ные, высокоуглеродистые и др.), при­меняют сварку постоянным током об­ратной полярности. В этом случае катод подсоединяют к свариваемой де­
тали, а анод — к электроду. При этом не только обеспечивается меньший нагрев свариваемой детали, но и уско­ряется процесс расплавления элек­тродного материала за счет более вы­сокой температуры анодной зоны и большего подвода теплоты. Поляр­ность клемм источника постоянного тока определяют с помощью раствора поваренной соли (половина чайной ложки соли на стакан воды). Если в такой раствор опустить провода от клемм источника тока, то у отрица­тельного провода будет происходить бурное выделение пузырьков во­дорода.

При питании дуги переменным то­ком различие температур катодной и анодной зон и распределение теплоты сглаживаются вследствие периодичес­кой смены катодного и анодного пятна с частотой, равной частоте тока.

Практика показывает, что в сред­нем при ручной сварке только 60...70% теплоты дуги используется на нагре­вание и плавление металла. Осталь­ная часть теплоты рассеивается в ок­ружающую среду через излучение и конвекцию.

Количество теплоты, используемое на нагрев и плавку свариваемого ме­талла в единицу времени, называется эффективной тепловой мощностью дуги <?э (Дж). Она равна полной тепловой мощности дуги, умноженной на эффективный коэффициент полез­ного действия т} нагрева металла дугой:

Q3 = / НдТ).

Величина г} зависит от способа сварки, материала электрода, состава электродного покрытия и других фак­торов. При ручной дуговой сварке электродом с тонким покрытием или угольным электродом Ї] составляет 0,5...0,6, а при качественных электро­дах — 0,7...0,85. При аргонодуговой сварке потери теплоты значительны (ті = 0,5...0,6). Наиболее. полно ис­пользуется теплота при сварке под флюсом (т] = 0,85...0,93).

Для характеристики теплового ре­жима процесса сварки принято оп­ределять погонную энергию дуги, т. е. количество теплоты, вводимое в ме­талл на единицу длины однопроход­ного шва, измеряемое в Дж/м. Погон­ная энергия Qn равна отношению эффективной тепловой мощности Q3 к скорости сварки и:

Qn = Qs/v = I UAT)/v.

Потери теплоты при ручной дуго­вой сварке составляют примерно 25%, из которых 20% уходят в окру­жающую среду через излучение и кон­векцию паров и газов, а 5% — на угар и разбрызгивание свариваемого металла. При автоматической сварке под флюсом потери составляют только 17%, из которых 16% расходуются на плавление флюса и 1 % на угар и разбрызгивание..