7.3. Нагрев металла дугой

Интенсивность нагрева металла дугой определяется в первую очередь мощностью дуги. Она зависит и от ряда других факторов, таких как род и полярность тока, материал электрода, расположение дуги по отношению к металлу и др. Не вся мощность дуги используется для нагрева металла - неизбежны потери мощности на излучение, теплообмен с окружающей средой, потери вместе с испаряющимся и разбрызгиваемым металлом, на нагрев шлаков и т. д.

Мощность дуги, расходуемая на нагрев металла, называется эффективной мощностью Q_эф, кал/сек.

Значение отношения эффективной мощности к полной называется эффективным к. п. д. процесса нагрева металла дугой и выражается формулой .

Для различных случаев дуговой сварки это отношение приведено в таблице.

Электрод	Неплавящийся	Плавящийся с тонким покрытием	Плавящийся с качественным покрытием	Плавящийся для сварки под флюсом
эф	0,5-0,65	0,65-0,75	0,7-0,85	0,80-0,90

Величина к.п.д. может колебаться в довольно широких пределах. Тепловая мощность дуги Q_эф расходуется на плавление основного металла и электрода.

Электрод в дуге нагревается двояким путем. Конец электрода нагревается за счет бомбардировки его заряженными частицами. При постоянном токе I = const мощность, расходуемая на оплавление конца электрода, остается приблизительно постоянной. Вследствие быстроты плавления электрода нагрев конца электрода не успевает распространиться на длину более 1 см. Кроме того, электрод дополнительно прогревается равномерно по всему объему за счет джоулева тепла проходящего по электроду тока:

q=0,24 I² R t,

где R - сопротивление электрода.

Нагрев вызывает увеличение сопротивления электрода и соответственно увеличение количества джоулева тепла.

Несмотря на постоянство тепловыделения на конце электрода, скорость его плавления растет за счет нагрева джоулевым теплом. Значительное ускорение плавления электрода нежелательно, так как нарушается нормальное соотношение между количеством расплавленного основного и электродного металла.

Чрезмерное ускорение плавления электрода к концу его использования является одним из факторов, ограничивающих увеличение тока для данного электрода. Равномерность плавления электрода способствует покрытие электрода, оно не проводит тока, не нагревается джоулевым теплом и охлаждает стержень электрода, не давая ему разогреться.

Значительно сложнее процесс нагрева дугой свариваемого изделия. Здесь суммируются непосредственное воздействие дуги на основной металл и перенос тепла вместе с каплями электродного металла. Для проведения расчетов и создания общей картины процесса прибегают к упрощенным моделям, при следующих условиях:

1) нагреваемый металл принимают за полубесконечное тело, т.е. его толщина значительно превышает глубину расплавления;

2) источник тепла считают точечным, что допустимо при рассмотрении нагрева в точках, находящихся от источника тепла на расстояниях, значительно превышающих радиус пятна нагрева;

3) допускают, что источник тепла действует непрерывно с постоянной тепловой мощностью.

Рассмотрим сначала нагрев металла неподвижным источником тепла при установившемся стационарном состоянии процесса нагрева. Установившееся состояние теоретически наступает через длительное время нагрева. Практически состояние, близкое к установившемуся, для обычных объектов сварки наступает через промежуток времени от нескольких секунд до нескольких минут. При длительном нагреве поверхности полубесконечного тела неподвижным непрерывно действующим точечным источником тепла температура любой точки тела, находящейся на расстоянии R от источника тепла, определяется выражением

,

где q - тепловая мощность источника, кал/сек;  - коэффициент теплопроводности нагреваемого металла, кал/смсекград; R – расстояние от рассматриваемой до точки от источника тепла, см.

Рис. 7.4. График распределения температур

При расстоянии R  0 температура Т  , что показывает неприемлемость данной модели при приближении к источнику. По мере удаления от источника температура уменьшается пропорционально расстоянию R. Зависимость температуры от расстояния иллюстрируется гиперболой (рис. 7.4).

Если источник движется, то формула приобретает вид:

.

Обозначим через  коэффициент ,

где V - скорость перемещения источника, см/сек;  - коэффициент теплопроводности металла, см/сек;

 =/c,

с - удельная теплоемкость, кал/ гград;  - плотность, г/ см³ .

Множитель  всегда меньше единицы, поэтому температура в точке впереди источника меньше, чем сзади на том же расстоянии.

В направлении, перпендикулярном движению источника,

. Обозначим коэффициент через Z, тогда очевидно, что 1e^Zе^У .

Если подставить численные значения в формулы, то мы получим график распределения температуры (рис. 7.5). Изотерма температуры плавления металла "очерчивает" контур сварочной ванны, но неточно, поскольку схема становится неточной на малых расстояниях от источника.

Рис. 7.5. температурное поле движущего источника

При рассмотрении процессов нагрева, близких к источнику, необходимо перейти к модели, в которой тепловая мощность распределена по нормали к нагреваемой поверхности и нагреваемый участок имеет форму круга. В этом случае удельная тепловая мощность распределяется по следующему закону:

,

где q_r - удельный тепловой поток на расстоянии r от центра пятна, кал/см² сек; q_max -максимальный удельный тепловой поток в центре пятна, кал/см² сек; k - коэффициент сосредоточенности, являющийся характеристикой источника, см^-2.; r - расстояние от центра пятна нагрева, см.

Общая тепловая мощность .

Чем больше k, тем быстрее падает удельный тепловой поток с удалением от центра пятна и тем меньше радиус пятна (рис. 7.6).

Рис. 7.6. Распределение удельного теплового потока и эквивалентное ему пятно

Для оценки этого коэффициента возьмем источник с той же тепловой мощностью Q, что и заданный, но с потоками, равномерно распределенными по пятну, с радиусом r (рис. 7.6), тогда , откуда .

Подставим в полученную формулу значение общей тепловой мощности Q, получим .

Из формулы видно, что чем больше k, тем меньше r. Коэффициент k колеблется в пределах 110.