2.4. Расчет размеров зоны проплавления

Очертания зоны проплавления характеризуются следующими параметрами:

1. Коэффициентом формы сварочной ванны  =L/B, где L -длина сварочной ванны, В - её максимальная ширина.

2. Коэффициентом формы проплавления _пр = В/Н или обратной ей величине - относительной глубиной проплавления Н/В.

3. Коэффициентом полноты проплавления _пр=F_пр/(ВН). При дуговой сварке под флюсом _пр =0,62 - 0,67, аргонодуговой сварке - _пр= 0,52 - 0,55, а дуговой сварке покрытыми электродами - _пр =0,55 - 0,67.

При дуговой сварке коэффициенты  и _пр колеблются в широких пределах в зависимости от режимов сварки - (I_св, U_д, V_св, d_э и др.). Для предупреждения образования горячих трещин в шве рекомендуется 2    7, 1,3 _пр  5.

Теоретические очертания сварочной ванны должны соответствовать мгновенному очертанию изотермы Т_пл . Однако размеры изотермы Т_пл, полученные расчетным путем, например, по уравнениям (1) или (3), значительно отличаются от действительных размеров сварочной ванны. Такое расхождение объясняется тем, что при выводе уравнений, описывающих процессы распространения теплоты сварочной дуги, не учитывается ряд факторов:

1. В расчетах предполагается, что теплота дуги сосредоточена в точке или по линии, тогда как в действительности теплота дуги неравномерно распределена по поверхности нагрева.

2. Расчетные схемы учитывают только распространение теплоты вследствие теплопроводности, тогда как в действительности в ванне расплавленного металла тепло переносится конвективными потоками жидкого металла, вызванными дутьём дуги и неравномерностью распределения температуры в ванне.

3. Расчет не учитывает также теплоты плавления, поглощаемой на передней границе ванны и выделяемой на задней границе.

4. Расчет по средним значениям параметров режима сварки (I_св, U_д, V_св и др.) не принимает во внимание случайных отклонений этих параметров от расчетного режима, остающегося в среднем постоянным за время горения дуги. Эти отклонения могут существенно искажать размеры и очертания ванны и зоны проплавления.

5. Действительные размеры и форма свариваемых изделий не соответствуют принятым нами расчетным схемам (полубесконечным телом, пластиной, плоским слоем). Так, например, в листах, ограниченных по толщине, действительный теплоотвод будет меньше расчетного теплоотвода в неограниченном теле, а у края изделия - меньше, чем в середине.

Отступления при расчете от действительных условий сварки и приводят к тому, что очертания сварочной ванны и зоны проплавления не соответствуют очертанию изотермы Т_пл, теоретически рассчитанному по схеме сосредоточенного источника в твердом теле.

При вычислении температур в зонах металла, достаточно удаленных от оси сварного шва, указанные допущения практически не снижают точности расчетных формул.

При определении параметров зоны проплавления в расчетные уравнения необходимо вводить поправочные коэффициенты, учитывающие отмеченные выше факторы, или применять эмпирические зависимости.

Например, известна эмпирическая зависимость _пр основных параметров режима дуговой сварки под флюсом (10):

, (9)

где К - коэффициент, величина которого зависит от рода тока и полярности;

d_э - диаметр электродной проволоки, мм.

Величина коэффициента К при плотности тока j < 120 А/мм² при сварке постоянным током в зависимости от полярности:

К = 0,367 j ^0,1925_{(прямая)} и К =2,82 j ^-0,1925_{(обратная)}.

При j < 120 А/мм² величина коэффициента К остается неизменной (для постоянного тока обратной полярности К =0,92, прямой К = 1,12). При сварке переменным током во всем диапазоне плотностей тока К = 1.

При расчете по схемам точечных источников на поверхности полубесконечного тела (1) или (3) площадь, ограниченная той или иной изотермой, в поперечном сечении представляет собой полукруг радиусом r_x (рис.1, б). Поэтому площадь проплавления (площадь, ограниченная изотермой Т_пл), из уравнения термического КПД:

. (10)

Однако фактическая форма провара при дуговой сварке в большинстве случаев отличается от полукруга: при сварке на больших токах и низких напряжениях _пр > 2, а при сравнительно небольших токах и высоких напряжениях _пр < 2.

В.И.Дятлов предложил сделать допущение, что фактическая форма проплавления представляет собой полуэллипс, площадь которого равна площади полуокружности, определенной по формуле (10). Площадь полуэллипса, одна из полуосей которого равна В/2, а другая - Н может быть определена:

. (11)

Из уравнений (10) и (11) получим

,В=_пр Н. (12)

Термический КПД в зависимости от _пр или Н/В определяется по номограмме (рис. 3), либо рассчитывается на ЭВМ.

При Н/В = 0,5 термический КПД рассчитывается по уравнению

_т3 = 0,5 _3м ₁² .

При Н’/В’>0,5 или Н/В<0,5 термический КПД рассчитывается по формуле

,

где F=Н/В при Н/В< 0,5 или F = 0,25 В’/Н’ при Н’/В’>0,5,

.