СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ

ИСТОЧНИКИ ТЕПЛА ПРИ СВАРКЕ

Неразъемность соединения сваркой достигается путем рас­плавления соответствующих кромок свариваемых элементов при помощи сосредоточенного источника тепла, способного обеспечить мгновенный мощный местный нагрев металла. Расплавленные участки кромок свариваемых элементов, образуя общую ванну, при последующем остывании по мере удаления источника обес­печивают неразъемность соединения на всем остывшем участке позади источника.

В качестве таких источников тепла используются.

1. Электрическая дуга прямого действия, горящая между сва­риваемым изделием и металлическим или угольным электродом. При сварке металлическим электродом расплавляются как кромки свариваемых элементов, так и металл электродного стержня, обра­зуя общую ванну расплавленного металла. Сварка с помощью элек­трической дуги прямого действия с металлическим электродом является наиболее распространенным видом сварки, а дуговая сварка угольным электродом применяется редко.

2. Электрическая дуга независимого действия, горящая между тугоплавкими электродами в струе водорода, — атомно-водород­ная сварка. Этот вид сварки не нашел широкого применения.

3. Пламя высококалорийных газов, сгорающих в кислород­ной струе — газовая сварка. Преимущественно применяется кис­лородно-ацетиленовая сварка для сварки листов малой толщины.

4. Тепло Джоуля, выделяемое при прохождении электричес­кого тока через местное сопротивление контакта на поверхности изделия, — сварка сопротивлением. Сюда относятся точечный, шовный и стыковой способы сварки.

5. Тепло, возбуждаемое трением.

6. Тепло токов высокой частоты (радиочастотная сварка).

7. Тепло, возбуждаемое квантовым генератором.

8. Тепло, возбуждаемое электронным лучом в вакууме.

Вместе с развитием техники найдут широкое применение но­вейшие способы сварки (радиочастотная сварка, сварка элект­ронным лучом в вакууме, сварка квантовым генератором), при-

2 Г. Б. Талыпов

менительно к которым теория сварочных тепловых процессов не разработана [105, 115] и требует дальнейших усилий исследова­телей.

В последующем будем рассматривать электродуговую сварку, имеющую наибольшее применение на практике.

При сварке неплавящимся (угольным) электродом на нагрев изделия расходуется тепло, выделяемое на анодном пятне (при прямой полярности тока), и тепло, передающееся на изделие от столба дуги путем теплообмена. Причем температура анодного пятна при сварке стали доходит до 3000—4000° С, т. е. до ее тем­пературы кипения. При сварке плавящимся электродом кроме указанного на изделие передается тепло вместе с каплями рас­плавленного металла электрода. Количество тепла, расходуемое электрической дугой на нагрев изделия в единицу времени, опре­деляется формулой

q — 0,24т)1//

и называется эффективной тепловой мощностью дуги. В этой формуле V — напряжение на дуге, которое в зависимости от со­четания материала электрода с атмосферой дуги колеблется от 15 до 150 в; J — сила сварочного тока, изменяющаяся в широких пределах (от 10 до 4000 и более ампер); т] — эффективный коэффи­циент полезного действия процесса нагрева изделия дугой, ко­торый в зависимости от свойств металла и способа сварки колеб­лется в пределах от 0,5 до 0,85 (см. РТМ РС-707—67).

Скорость v основного перемещения дуги при сварке стали ко­леблется в широких пределах — до 20 м/ч при ручной сварке, до 200 міч при автоматической сварке угольным электродом с раз­дельным процессом плавления.

Опыт показывает, что при установившемся режиме сварки (V = const, J — const, v = const) количество тепла q, вводимого в изделие в единицу времени, практически остается постоянным.

При сварке электрической дугой имеет место высокая кон­центрация тепла, которое вводится в изделие в основном через анодное пятно при прямой полярности тока и катодное пятно при обратной. Наибольший диаметр анодного пятна при силе тока 4000 а и ее плотности 10 а/мм2 раве^ 22,5 мм, а наибольший диа­метр катодного пятна при плотности тока 20 а/мм2 равен 16 мм. При силе тока 200—300 а диаметр анодного пятна не превышает 6 мм [103, 104].

Таким образом, при сварке приходится иметь дело с неподвиж­ным или подвижным сосредоточенным источником тепла большой мощности. Характер температурного поля, создаваемого источ­ником, зависит от формы и размеров свариваемых элементов, мощности источника и скорости его перемещения, от свойств ос­новного металла и металла электрода. Решающее влияние на характер температурного поля оказывают форма и размеры сва­риваемых элементов. В зависимости от этого температурное поле может быть пространственным, плоским и линейным. Простран - 18
ственное температурное поле возникает при сварке толстых плит, плоское — при сварке топких пластин и оболочек, линейное — при сварке встык тонких стержней. Так как электрическая дуга представляет собой резко сосредоточенный источник тепла, то для изучения температурного поля сварки используют [103] модель бесконечного тела с точечным источником, бесконечной пластины с линейным источником и бесконечно длинного тонкого стержня с плоским источником.