ТЕОРИЯ сварочных процессов

Первая схема нагрева

При первой схеме нагрева в общем случае (рис. 7.7) электрод конечной длины имеет в точке А токоподвод. По электроду проте­кает ток, который его подогревает; в точке О электрод дополни­тельно нагревается источником теплоты - дугой (рис. 7.7, а) или шлаком (рис. 7.7, б) и плавится.

Рассмотрим отдельно процесс нагрева электрода протекающим током. Уравнение теплового баланса элементарного участка dx стержня площадью сечения F имеет вид

dQ = dQj-dQa. (7.40)

Левая часть уравнения (7.40) представляет собой накопление теплоты в элементе стерж­ня:

dQ = cpFdxdT. (7.41)

Первый член правой части уравнения (7.40) выражает количество теплоты dQp выделяе­
мой в элементе стержня от прохождения тока I в течение времени dt. Согласно закону Джоуля - Ленца

dQj = I2dRdt, (7.42)

где dR - сопротивление участка проводника длиной dx, которое можно выразить через его площадь сечения F и удельное сопро­тивление материала г.

dx

dR = г—. (7.43)

Второй член правой части уравнения (7.40) выражает потери теп­лоты dQa в окружающую среду с поверхности стержня с перимет­ром сечения р:

dQa = а(Т - Tc)pdxdt. (7.44)

Подставляя выражения (7.41)-(7.44) в уравнение теплового баланса (7.40) и сокращая обе части на cpFdxdt, получаем дифференциальное уравнение процесса нагрева проводника проходящим током:

•2

ар {Т-Тс) = 2— Ь(Т-ТС), (7.45)

dt cpF) cpF ср

г^е j - плотность тока; b - коэффициент температуроотдачи стержня.

Следует отметить, что входящие в уравнение (7.45) удельное сопротивление г, объемная теплоемкость ср и коэффициент по­верхностной теплоотдачи а зависят от температуры, поэтому дос­таточно хорошее приближение к точному решению уравнения (7.45) можно получить только методами компьютерного модели­рования.

Влияние нагрева электрода теплотой дуги сказывается только в непосредственной близости от расплавляемого торца электрода (рис. 7.8). Быстрый спад температуры впереди дуги обусловлен значительной скоростью ее перемещения. Распределение темпера­туры Т(х) в электроде вблизи дуги описывается уравнением (6.29) предельного состояния процесса распространения теплоты от под­вижного плоского источника в стержне. Учитывая, что температура

АТт

Т(х)

(ГК-Г„-ДГТ)

Рис. 7.8. Распределение температуры вдоль оси электрода при первой

схеме нагрева:

а - при ручной сварке и малом времени нагрева t; б - при ручной сварке и значи­тельном времени нагрева /2; в - при электрошлаковой сварке пластинами

на торце электрода равна температуре капель расплавленного ме­талла Гк, уравнение 6.29 для области впереди источника, т. е. при х > 0, можно записать в виде:

Т(х) = Тн + ДГТ +(ГК - Гн - ДГт)ехр( (7.46)

V а )

где ДГХ - приращение температуры от подогрева электрода проте­кающим током; v - скорость плавления электрода.

Таким образом, при первой схеме нагрева распределение темпе­ратур вдоль большей части длины электрода является равномерным и определяется тепловыделением, обусловленным протеканием тока (см. рис. 7.8). Чтобы избежать чрезмерного нагрева электродов, приводящего к разрушению или потере свойств их защитного по­крытия, ограничивают сварочный ток. Допустимый ток в основном зависит от состава покрытия электрода. Для электродов с органиче­ским покрытием допустимый ток значительно меньше, чем для электродов с минеральным покрытием.