Сварочные работы: современное оборудование н техноло­гия работ

Дуга, ее тепловая мощность

В тепловую энергию электрической дуги преобразуется энергия мощных потоков заряженных частиц, бомбардирующих катод и анод.

Суммарное количество теплоты Q (Дж), выделяемое дугой на катоде, аноде и столбе дуги, определяется по формуле:

о-да,

где: 1св — сварочный ток, А; ид — напряжение дуги, В; t —время горения дуги, с.

При этом не вся теплота дуги затрачивается на расплавление металла, другими словами — на саму сварку. Значительная часть ее расходуется на теплоотдачу в окружающую среду, расплавле­ние электродного покрытия или флюса, разбрызгивание и т. п.

Термином «тепловой баланс дуги » определяют характер распре­деления полной тепловой мощности по отдельным статьям расхода.

Наибольшее количество теплоты выделяется в зоне анода (42-43%) при питании дуги постоянным током. 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.

В столбе дуги среднее значение температуры составляет 600°С. При сварке угольным электродом температура в катодной зоне достигает 3200‘С, в анодной — 3900°С. При сварке металли­ческим электродом температура анодной зоны составляет около 2600°С, а катодной — 2400*С.

При решении технологических задач используются разная температура катодной и анодной зон и разное количество тепло­ты, выделяющееся в этих зонах. Прямую полярность, при кото­рой анод (плюсовая клемма источника тока) подсоединяют к де­тали, а катод (минусовая клемма источника тока) — к электроду, применяют при сварке деталей, требующих большого подвода теплоты для прогрева кромок.

Сварку постоянным током обратной полярности применяют при сварке тонкостенных изделий, тонколистовых конструкций, а также сталей, не допускающих перегрева (нержавеющие, жаро­прочные, высокоуглеродистые и др.). В этом случае катод подсо­единяют к свариваемой детали, а анод — к электроду. При этом не только обеспечивается относительно 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 может быть определена 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.

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

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

Эффективной тепловой мощностью дуги называется количе­ство теплоты, используемое на нагрев и плавку свариваемого металла в единицу времени. Она равна полной тепловой мощности дуги, умноженной на эффективный коэффициент полезного действия на­грева металла дугой. Коэффициент полезного действия зависит от способа варки, материала электрода, состава электродного покры­тия и других факторов. При ручной дуговой сварке электродом с тонким покрытием или угольным электродом он составляет 0,5-0,6, а при качественных электродах—0,74),85. При аргонодуговой свар­ке потери теплоты значительны и составляют 0,5—0,6.

Наиболее полно теплота используется при сварке под флюсом.

Для характеристики теплового режима процесса сварки при­нято определять погонную энергию дуги, иначе говоря, колйче - ство теплоты, вводимое в металл на единицу длины однопроход­ного шва, измеряемое в Дж/м. Погонная энергия равна отношению эффективной тепловой мощности к скорости сварки. Потери теплоты при ручной дуговой сварке составляют пример­

но 25%, из которых 20% уходят в окружающую среду дуги через излучение и конвекцию паров и газов, а остальные 5% — на угар и разбрызгивание свариваемого металла. Потери теплоты при автоматической сварке под флюсом составляют только 17%, из которых 16% расходуется на плавление флюса, а на угар и раз­брызгивание затрачивается около 1% теплоты.

Эффективной тепловой мощностью дуги q (Дж/с) называ­ют часть общей тепловой мощности дуги, расходуемой непосред­ственно на нагрев и расплавление основного и присадочного ме­таллов. Она всегда меньше полной тепловой мощности дуги. Эффективная тепловая мощность сварочной дуги представляет со­бой количество теплоты, введенное дугой в свариваемую деталь в единицу времени. Она определяется уравнением:

q=W

где ц является коэффициентом полезного действия дуги, представляющим собой соотношение эффективной теп­ловой мощности к полной тепловой мощности дуги.

Эффективная тепловая мощность зависит от способа сварки, материала электрода, состава покрытия или флюса и ряда дру­гих факторов.

Данные значений для различных способов сварки приведе­ны в таблице.

Эти данные показывают, что теплота дуги наиболее рацио­нально используется при автоматической сварке под флюсом.