Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Оборудование и технология сварочного производства» исследование зависимости

ЭФФЕКТИВНОГО КПД СВАРОЧНОЙ

ДУГИ ОТ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА СВАРКИ

Методические указания к лабораторной работе 1

по курсам «Физико-математические основы сварочных процессов»,

«Теория сварочных процессов»

для студентов специальностей 150202, 150401, 170102

всех форм обучения

Нижний Новгород

2006

Составитель Б.П. Конищев

УДК 621.791

Исследование зависимости эффективного КПД сварочной дуги от параметров режима сварки: Метод. указания к лаб. работе 1 по курсам «Физико-математические основы сварочных процессов», «Теория сварочных процессов» для студентов специальностей 150202, 150401, 170102 всех форм обучения / НГТУ; Сост.: Б.П. Конищев. Н. Новгород, 2006.- 15с.

Приводится методика экспериментального определения эффективного КПД сварочных источников теплоты калориметрическим способом.

Редактор Э.Б. Абросимова

Подписано в печать

Формат 60х84 1/16. Бумага газетная. Печать офсетная. Усл. печ.л.

Уч.-изд.л. Тираж экз. Заказ .

Нижегородский государственный технический университет.

Типография НГТУ. 603600, Н.Новгород, ул. Минина, 24.

©Нижегородский государственный

технический университет, 2006

1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ– освоение методики экспериментального определения КПД сварочных источников теплоты калори-метрическим способом. Исследование зависимости эффективного КПД от основных параметров режима дуговой сварки (сварочного тока, напряжения на дуге и скорости сварки).

2 Теоретическая часть

Сварочная дуга является мощным и достаточно концентриро-ванным источником теплоты. Электрическая мощность дуги, определяемая произведением тока дуги на напряжение, при сварке покрытыми электродами и в защитных средах обычно находится в пределах 5-10 кВт, мощность дуги при сварке под флюсом составляет 10-50 кВт. Электрическая энергия, потребляемая дугой, в основном превращается в тепловую энергию, и дугу по праву считают преобразователем электрической энергии в тепловую. Выделение тепловой энергии происходит на активных пятнах дуги (анодном и катодном) и дуговом промежутке (столбе дуги).

Полная тепловая мощность дуги, т.е. количество тепла, выделяемого дугой в единицу времени, определяется выражением

(1)

где I - ток дуги, А;U- напряжение, В;k- корректирующий коэффициент.

В случае переменного тока этот коэффициент учитывает отклонение кривых силы тока и напряжения от синусоидальной формы. В зависимости от состава атмосферы дуги соотношения между холостым ходом источника питания и напряжения дуги значение kизменяется от 0,8 до 0,95.

При сварке на постоянном токе обычно принимают k=1. Однако в действительности вследствие капельного переноса (часто с короткими замыканиями) и колебаний силы тока и напря-жения, вызванных другими причинами,k1.

Определение численного значения kдля каждого конкретного случая вызывает определенные трудности. Поэтому значениеk=1 используют не только для постоянного, но зачастую и для переменного тока, хотя активная мощность дуги может существенно отличаться от кажущейся мощности. В этом случае

(2)

Часть теплоты сварочной дуги бесполезно теряется в окружающей среде (путем конвективной, кондуктивной и радиационной теплоотдачи, светового излучения, звуковых колебаний и т.п.), а большая часть идет на нагрев и плавление основного и электродного металлов, покрытия электродов и флюса и на химические реакции в зоне сварки. Примерная диаграмма баланса энергии представлена на рисунке 1. Мощность q_и, затрачиваемая на нагрев и плавление металла изделия (основного металла), называется эффективной тепловой мощностью дуги.

Отношение эффективной тепловой мощности к полной мощности дуги называется эффективным КПД процесса нагрева изделий дугой, или для кратности просто эффективным КПД сварочной дуги:

(3)

Эффективный КПД показывает, какая часть полной мощности сварочной дуги затрачивается на нагрев и плавление основного металла.

Схема ввода теплоты в изделие при сварке открытой и закрытой дугой (под флюсом) представлена на рисунке 2.

Значения эффективного КПД для различных видов дуговой сварки приведены в таблице 1.

Таблица 1

Вид дуговой сварки		и
Аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом	ИН	0,5-0,7
Аргонодуговая сварка плавящимся электродом	ИП	0,7-0,85
Дуговая сварка электродом с покрытием	РД	0,7-0,85
Сварка в углекислом газе	УП	0,7-0,85
Дуговая сварка под флюсом	АФ	0,8-0,95

Наименьшие значения (0,5-0,6) эффективный КПД имеет при сварке открытой дугой неплавящимся (угольным и вольфрамовым) электродом (таблица 1) вследствие больших потерь теплоты на рассеивание в окружающую среду и нагрев электрода (рисунок 1а).

При сварке открытой дугой плавящимся электродом (таблица 1) _иимеет более высокие значения (0,7-0,85), т.е. часть тепла, идущего на нагрев и расплавление электрода, переходит вместе с каплями электродного металла в сварочную ванну на изделии и способствует нагреву основного металла (рисунок1би2а) Увеличение напряжения на дуге (длины дуги) приводит к снижению_ивследствие возрастания потерь тепла в окружающую среду. Углубление дуги в сварочную ванну снижает эти потери и повышает_и.

При сварке втавр или вразделку _ина 5-10 % больше, чем при наплавке на плоскость [3], что объясняется лучшим использованием излучения столба дуги, теплоты газов, омывающих стенки тавра, а также меньшими потерями на разбрызгивание.

При аргонодуговой сварке вольфрамовым электродом с подогревом присадочной проволоки в работе [4] экспериментальным путем была получена зависимость _иот напряжения на дугеU_д, мощности подогрева присадочной проволокиI_пU_п и глубины пазаh, в которой производилась наплавка:

(4)

Согласно этим данным увеличение напряжения на дуге с 11 до 15 В приводит к снижению _ина 7 %, а увеличение глубины паза от 0 до 0,02 м – к повышению_ина 15%.

Сварочный ток оказывает сложное влияние на эффективный КПД. С одной стороны, с увеличением тока можно ожидать повышения теплопередачи вследствие углубления дуги, а с другой, увеличения температуры столба дуги и потерь на разбрызгивание. В зависимости от того, какой из этих факторов преобладает, влияние силы тока может проявиться по-разному.

Влияние скорости сварки на глубину погружения дуги и, очевидно, на эффективный КПД носит сложный характер. При малых скоростях (порядка 10-12 м/ч при сварке под флюсом и 1-1,5 при ручной дуговой сварке) глубина проплавления минимальна.

Рисунок 1. Примерная диаграмма баланса энергии:

а– угольная дуга:I=1000 А,U= 40 В;

б– открытая металлическая дуга:I=200 А,U= 26 В

в– металлическая дуга под флюсом:I=1000 А,U= 36 В

Повышение скорости сварки до некоторого значения (до 25 м/ч при сварке под флюсом) приводит к увеличению глубины проплавления. Дальнейшее увеличение скорости сварки вызывает снижение глубины проплавления за счет уменьшения погонной энергии.

Рисунок 2 Схема ввода теплоты в изделие сварочной дугой:

а – открытая дуга небольшой мощности;

б – дуга большой мощности под слоем флюса.

При сварке в защитных газах к указанным выше факторам прибавляется трудно учитываемое влияние расхода газа и потери теплоты в сварочной горелке, зависящие от ее конструкции и интенсивности охлаждения. При сварке в СО₂эффективный КПД может существенно снижаться в результате повышенного разбрызгивания и связанных с ним потерь тепла.

Максимальное значение _и=0,8-0,95 (таблица 1) достигается при сварке закрытой дугой (под флюсом) вследствие значительного

снижения потерь в окружающую среду (рисунок 1ви2б). Теплота, затрачиваемая на нагрев и плавление электрода и флюса, участвует затем в нагреве основного металла.

Экспериментальное определение эффективной тепловой мощности сварочной дуги или другого источника тепла (газового пламени, плазмы, электронного или светового луча) производится с помощью калориметра (рисунок 3).

Выражение для подсчета эффективной тепловой мощности дуги qи получим из уравнения теплового баланса

(5)

где t_г - время горения дуги , с;

Q- теплота, введенная в образец за время горения дуги, Дж;

Q_к - теплота, поглощаемая калориметром, Дж;

Q_ - теплота, составляющая разницу в теплосодержании образца до и после опыта, Дж;

Q_п - теплота, расходуемая на парообразование при погружении образца в калориметр, Дж;

Q_т - теплота, теряемая в окружающую среду при нагреве и переносе образца вследствие теплоотдачи, Дж;

(6)

где m_в, m_кс, m_м- соответственно масса воды в калориметре, калориметрического сосуда и мешалки, г;

c_в, c_кс, c_м- удельные теплоемкости воды, материалов калориметрического сосуда и мешалки, Дж/(кгК);

T₀,T_к- температура воды до и после опыта, К;

А - водяной эквивалент калориметра, Дж/(кгК);

(7)

где m_об- масса образца после наплавки, г;

c_об- удельная теплоемкость образца, Дж/(гК);

T_в- температура образца до опыта, равная температуре окружающего воздуха, К.

(8)

где m - масса испарившейся воды, г;

356 - удельная теплота, необходимая для нагревания воды от 15 до 100 ^оС, Дж/г;

2255 - удельная теплота парообразования, Дж/г.

Значение Q_п в зависимости от тока дуги можно найти по экспериментальным данным [5], представленным на рисунке 4.

Эту зависимость можно аппроксимировать выражением :

(9)

Причем дляI  600 А можно использовать только первый член этого уравнения.

Потери теплоты на теплоотдачу в окружающую среду опре-деляются в функции от мгновенного теплосодержания образца, которое за время горения дуги t_г возрастает пропорционально величине t_г, а за время переноса в калориметр t_п для простоты расчета принимается постоянным :

(10)

где q - эффективная тепловая мощность дуги, Вт;

- коэффициент температуроотдачи, с^-1;

- коэффициент полной поверхностной теплоотдачи образца, Вт/(см²К);

с - объемная теплоемкость металла образца,Дж/(см³К);

- толщина пластины (образца), см.

Подставив выражение (10) в уравнение теплового баланса (5):

получим уравнение для расчета эффективной тепловой мощности:

(11)

Согласно выражениям (3) и (11) эффективный КПД сварочной дуги можно рассчитать по уравнению:

(12)

где

Рисунок 4 Зависимость Q_пот сварочного тока

(Q_п, кДж/I_св, кА)