книги из ГПНТБ / Безбах, Д. К. Сварка на открытых площадках в судостроении и судоремонте

При нагреве основного металла влияние пониженной температуры

тельного подогрева основного металла при сварке на открытых площадках можно не только компенсировать влияние неблагоприят­ ных факторов, но н достичь повышения производительности труда сварщика.

В настоящее время нагрев готовых электродов и электродной проволоки сплошного сечения изучен в большей мере, чем порошко­ вой проволоки. Так как порошковая проволока предназначена преимущественно для сварки на открытых площадках, ниже более подробно освещены закономерности ее нагрева.

В связи с недостаточной изученностью этого вопроса возникла

то тепловой баланс нагрева данного отрезка током можно предста­

где К — зависящий от температуры коэффициент нагрева электрод­ ного материала. Величина К является постоянной для данного элект­ родного материала. Таким образом, регулировать нагрев электрод­ ной проволоки можно только изменением плотности тока и времени нагрева.

20

Определение плотности тока. Для электродной проволоки одно­ родного сечения плотность тока определяется делением силы тока на площадь поперечного сечения проволоки. Порошковая электрод­ ная проволока имеет значительное количество металлического по­ рошка в сердечнике, роль которого в токопроводимостп оставалась

пературы окружающего воздуха до определенной конечной темпе­ ратуры Т, удобнее пользоваться не совокупностью истинных зна­ чений коэффициента К, а средним его значением К для диапазона температур Т 0 — Т. Зависимости средних значений коэффициента теплофизических свойств Кг, коэффициента нагрева электродных

21

материалов /(, плотности р, удельной теплоемкости с и удельного

электрического сопротивления рэ от температуры приведена на рис. 10. Эти данные служат основанием для расчета температуры нагрева электродов п электродных проволок.

Расчет температуры нагрева электрода и электродной проволоки. Из рис. 10 видно, что получить простое математическое выражение для зависимости К (Т) не представляется возможным даже для нор­ мальных условий сварки. На открытых площадках воздействие ветра и низких температур, кото­ рое можетпроявляться ираздельно, и в совокупности, еще больше усложняет картину процесса на-

Т,

°С

1200

800

000

грева. В необходимых случаях по выражению, полученному после интегрирования уравнения (10), путем расчета можно определить температуру нагрева электродов и электродной проволоки в зави­ симости от времени, т. е. Т (I). Однако расчет отличается большой трудоемкостью. Поэтому для практических целей зависимость Т (i) целесообразно разбить на интервалы, для которых математическое выражение имело бы удобную форму.

Изучение кривых Т (t) (температура—время, рис. 11) пока­ зало, что в диапазоне температуры примерно 300— 1400° С при плот­ ности тока свыше 30 А/мм2 они близки к прямой линии. Это значит, что для данного диапазона температуры коэффициент /С, определяе-

22

На основании уравнения (12) получена следующая полуэмпирическая формула для расчета температуры нагрева электродных материалов из углеродистой стали:

Формула (13) справедлива для диапазона температур 300—■ 1400° С, при этом максимальное расхождение с экспериментальными данными не превышает 4%. При отрицательной температуре окру­ жающего воздуха значение Т 0 необходимо брать со знаком минус.

Расчет температуры нагрева Т электродных материалов не яв­ ляется самоцелью. Ее значение необходимо знать для расчета про­ изводительности труда сварщика, определяемой коэффициентом расплавления а р.

Как показывает уравнение (5), коэффициент расплавления за­ висит от т]э, UR, температуры капель Тк и температуры подогрева электрода Тп. т. Последняя, в свою очередь, зависит от плотности тока i и времени нагрева i, которое определяется скоростью подачи электрода v3 и его свободным вылетом I. Если добавить к этому необходимость учета влияния погодных условий, то станет ясно, насколько громоздки будут расчеты. Для ускорения расчетов, повы­ шения их точности и для наглядности картины нагрева электрода и электродной проволоки были разработаны соответствующие но­ мограммы (рис. 12 и 13). Влияние ветра может быть учтено величи­ ной г|э, а температуры окружающей среды— величиной ± Т „ путем

ниями со стрелками. При правильно выбранных параметрах нагрева штриховые линии образуют прямоугольник.

Теплосодержание и гранулометрический состав капель электрод­ ного металла при некоторых способах сварки. Выше было сказано,

23

Рис. 12. Номограмма для определения параметров нагрева и расплавления электродов.

Рис. 13. Номограмма для определения параметров нагрева и расплавления электродной проволоки.

ченин металлургических процессов, протекающих при переиосё металла в сварочной дуге, важно знать не только теплосодержание п температуру, но и размер капель, определяющий длительность пребывания нх на торце электрода п площадь их поверхности. В по­ следнее время появились новые сварочные материалы (проволока марок ПП-Ю8с, ПВС-1Л и др.), предназначеннные преимущественно для открытых площадок, для которых необходимые сведения по те­ плосодержанию и массе капель отсутствовали.

Ниже изложены результаты определения зависимости тепло­ содержания и гранулометрического состава капель электродного

капель с торца покрытых электродов и электродной проволоки, сварку производили на стальном быстровращающемся диске с гори­ зонтальной осью вращения. Гранулометрический состав и тепло­ содержание капель электродного металла при ручной п механизи­ рованной сварке приведены в табл. 7 и 8 (/св = 150 А, £/д = 25 В, кроме случаев, оговоренных особо). Влияние рода тока, количества железного порошка в покрытии и типа покрытия на теплосодержа­ ние SK и массу капель тк электродного материала (металла и шлака) при ручной сварке покрытыми электродами представлено на рис. 17.

Из теории металлургических процессов известно, что, для сни­ жения в сварном шве количества азота и кислорода, капли металла должны быть сравнительно крупными и иметь малое теплосодер­ жание. Этому условию удовлетворяет применение рутиловых по­ крытий с возможно большим количеством железного порошка, особенно при сварке на постоянном токе.

Влияние режимов и других характеристик процесса на тепло­ содержание 5 К и массу тк капель электродного металла при меха­ низированной сварке порошковой проволокой марки ПП-Ю8с по­ казано на рис. 18. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что, для укрупнения капель и снижения их теплосодержания, в порошковую проволоку необходимо вводить больше железного

25

^rj П р и м е ч а н и е . Величины С и т те же, что и в табл. 7.

порошка при оптимальном количестве флюорита и ограничить силу тока и напряжение дуги.

Как показывают данные табл. 8, при сварке порошковыми про­ волоками теплосодержание капель 5 К несколько ниже, а масса капель тк больше, чем при сварке проволоками однородного сечения, поэтому порошковая проволока для сварки на открытых площадках более предпочтительна. При сварке порошковой проволокой тепло-

с добавлением в шихту фтористого соединения CaF. С увеличением процента железного порошка в покрытии электродов и в сердеч­ нике порошковой проволоки происходит укрупнение капель и сни­ жение их теплосодержания. При сварке на открытых площадках, с целью уменьшения количества газов в расплавленном металле, необходимо снижать температуру капель и уменьшать их относи­ тельную поверхность, т. е. увеличивать массу капель mK. С этой

28

целью следует в оптимальных пределах уменьшать сварочный ток / св, напряжение дуги UR, вводить определенное количество фтористых соединений (CaF) и металлического порошка в сердечник порошко­ вой проволоки, а также увеличивать ее диаметр с1э и применять постоянный ток обратной полярности.

Средняя температура капель на торце электродных материалов. В капле на торце электродной проволоки идут металлургические реакции, растворяются газы. Температура капли Тк оказывает существенное влияние на их ход. С другой стороны, температура капли необходима для расчета коэффициента расплавления электрод­ ных материалов ар. При сварке покрытыми электродами, проволо­ кой однородного сечения и с порошковым сердечником темпера­ туру капель исследовали неоднократно [19,45,51]. Однако дан­ ных о влиянии на этот параметр движения воздуха не имелось. Поэтому автором были проведены исследования [3], в которых температура капель определялась методом калориметрирования при использовании водяного калориметра с сухим медным стаканом (см. рис. 15). Другие исследователи [19,45,51] применяли отбор капель либо в воду, и тогда сложно было учесть потери воды, израс­ ходованной на испарение и разбрызгивание, либо в массивные мед­ ные «бомбы», обладающие, однако, малой теплоемкостью и не поз­ воляющие собирать достаточного количества капель без существен­ ного нагрева калориметра. Водяной калориметр с сухим стаканом для сбора капель не имеет ни того, ни другого недостатка. Наличие в составе капель шлака с неизвестной теплоемкостью усложняет определение их температуры. Исключение же шлакообразующих компонентов из порошковой электродной проволоки и из обмазки электродов привело бы к нежелательному изменению температуры капель. Попытки определить теплосодержание шлака математиче­ скими методами не дали положительных результатов, так как коли­ чество шлака в каплях носит случайный характер, и практически невозможно получить разный процент шлака при одинаковой темпе­ ратуре капель (или наоборот), чтобы составить и решить систему уравнений. Возникла необходимость определить отношение тепло­ содержания шлака к теплосодержанию металла. С этой целью отоб­ ранную при сварке смесь металла и шлака нагревали до предполагае­ мой температуры капель и повторно калориметрировали. Полученное отношение теплосодержаний для диапазона температур, используе­ мых в опытах, оказалось практически постоянным, что дает воз­ можность исключить влияние на это отношение неточности в заме­ рах температуры металла и шлака.

Сварка производилась в спокойном воздухе и при ветре скоростью ув = 7-н8 м/с на одинаковом для всех электродных материалов режиме: / со = 150 A, Uд = 25 В, вылет проволоки 15—20 мм, ток постоянный, обратной полярности, кроме электродов ОММ-5, которыми варили на переменном токе. Сравнение данных, получен­ ных при сварке на ветру и при отсутствии ветра (табл. 9), показало, что ветер скоростью до 7—8 м/с незначительно влияет на теплосо­ держание капель электродного металла.

29