Билет 14

Вопрос 1 Тепловая мощность дуги Нагрев

Тепловую энергию сварочная дуга получает за счет превращения электрической энергии, которая составляет 0,24 U x I кал/с, где 0,24 кал/Вт x с - коэффициент перевода из электротехнических единиц в тепловые. U x I - напряжение и ток дуги.

Эффективная (действующая) тепловая мощность дуги всегда меньше ее полной мощности на величину непроизводительных потерь тепла в окружающую среду, разбрызгивание, нагрев электрода, и т. д.

Эффективный коэффициент полезного действия Кэ показывает, какая часть тепла используется на расплавление металла. При сварке металлическими электродами Кэ = 0,7-0,75; при сварке под флюсом Кэ = 0,8-0,95.

Нагрев при электрошлаковой сварке осуществляется за счет расплавленного, сильно перегретого токопроводящего шлака, который находится в зазоре между свариваемыми деталями. Температура шлака превышает 2000ºС. При прохождении электрического тока от электрода к расплавленному металлу происходит преобразование электрической энергии в тепловую. Тепловая мощность, так же как и при электродуговой сварке, равна 0,24 U x I кал/с. Почти вся электрическая мощность расходуется на расплавление шлака, электрода и кромок основного металла.

Перенос электродного металла

Процесс образования капли на конце электрода весьма сложен и зависит от многих факторов, имеющих разную природу, например, силы тяжести, силы поверхностного натяжения, электродинамические силы поля, силы давления газов в дуге от обмазки электродов, силы давления струи защитного газа.

Основные виды переноса электродного металла:

1. Крупнокапельный с короткими замыканиями дугового промежутка.

2. Крупнокапельный без коротких замыканий.

3. Перенос каплями среднего размера без коротких замыканий.

4. Струйный перенос.

При крупнокапельном переносе большая капля образуется на электроде постепенно и долго удерживается на нем. Если капля больше дугового промежутка, то при ее переходе в ванну происходит кратковременное замыкание. Этот вид переноса происходит в основном за счет силы тяжести и силы поверхностного натяжения. У различных металлов силы поверхностного натяжения в жидком состоянии различные.

С повышением температуры поверхностное натяжение уменьшается.

Размер капель зависит от материала электрода, диаметра, состава обмазки, состава защитного газа, напряжения на дуге, силы тока, полярности.

С увеличением тока растет сжимающее действие электромагнитных сил, ускоряющих отделение капли, уменьшается размер капель, изменяется характер переноса металла от крупнокапельного к мелкоструйному из-за быстроты нагрева торца электрода. Затем при определенном значении тока, называемом критическим, процесс переноса капли переходит в струйный. Струйный перенос капель отличается высокой стабильностью размера капель и мелким разбрызгиванием. Основная причина разбрызгивания капли металла при сварке - это электрический взрыв перемычки из жидкой капли между электродом и ванной с выбросом металла за пределы сварочной ванны.

Для уменьшения разбрызгивания металла, повышения стабильности процесса, улучшения формирования шва, повышения каплеобразования при сварке стали в среде аргона добавляют 10-18% углекислого газа СO₂.

Добавка окислительного газа в смесь значительно снижает поверхностное натяжение жидкого металла электродного материала, уменьшаются размеры капель, увеличивается в 3-5 раз их количество за тот же отрезок времени, снижается критический ток перехода к струйному переносу металла, диапазон токов стабильного процесса сварки расширяется, повышается глубина провара с одновременным уменьшением ширины шва по сравнению со сваркой в чистом аргоне.

При увеличении содержания СO₂ в смеси до 25-40% стабильность процесса заметно снижается. При содержании СO₂ 40-50% в смеси аргона с углекислым газом процесс сварки практически не отличается от сварки в чистом СO₂, при котором сложно обеспечить струйный перенос электродного металла из-за уменьшения количества капель с одновременным ростом их размера и повышением поверхностного натяжения жидкого металла капли.

Снизить разбрызгивание и получить другие важные технологические достоинства можно за счет принудительного управления переносом электродного металла импульсами сварочного тока при сварке в импульсно-дуговом режиме, а также за счет наличия в дуге активизирующих веществ, например, калия, натрия, цезия, рубидия и других элементов, обеспечивающих ведение струйного процесса при сварке в СO₂.

Процесс сварки в смеси СO₂ + O₂ неоднозначный, и недостаточно изучен, поэтому рекомендовать его к применению не следует. Добавление кислорода к углекислому газу меняет течение процесса незначительно, сохраняет тот же размер капель и ту же степень разбрызгивания, как и при сварке в СО₂