МЕТОДИЧКИ по лекциям ТСП / ТСП 2

НАЦИОНАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО КОНТРОЛЯ И СВАРКИ

Негосударственное Образовательное Учреждение

НОУ «ГАЦ ВВР»

2

Б.П. Конищев

ТЕОРИЯ СВАРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ

Тепловые процессы сварки

Нижний Новгород

2011

Виды сварки

Давлением

Плавлением

Кузнечная

Контактная

Трением

Высокочастотная

Холодная

Ультразвуковая

Диффузионная

Взрывом

Литейная

Газовая

Дуговая

Плазменная

Электроннолучевая

Лазерная

Электрошлаковая

Термитная

Стыковая

Точечная

Шовная

Рельефная

Покрытыми электродами

В защитных газах

Под флюсом

1. Сварочная дуга

2. Классификация сварочной дуги

3. Эффективная тепловая мощность сварочной дуги

Наиболее распространённым источником теплоты для сварки и наплавки служит сварочная дуга, которая является мощным и достаточно концентрированным источником теплоты.

Электрическая мощность дуги, определяемая произведением тока дуги на напряжение, при сварки электродами с покрытием и в защитных газах (углекислом газе, аргоне и других) обычно находится в пределах 5-10 кВт, а мощность дуги при сварке под флюсом составляет 10-50 кВт.

Электрическая энергия, потребляемая дугой, в основном превращается в тепловую энергию. Поэтому дуга по праву считается мощным преобразователем электрической энергии в тепловую. Выделение тепловой энергии происходит в активных пятнах дуги (катодном и анодном) и в дуговом промежутке (столбе дуги).

Полная тепловая мощность дуги, т.е. количество теплоты, выделяемое сварочной дугой в единицу времени, определяется выражением:

q_Д=I_СВU_Д, Вт или Дж/с

Часть теплоты сварочной дуги теряется в окружающей среде (путём конвективной, лучистой и кондуктивной теплоотдачи, а также 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.

q_с – потеря мощности в окружающую среду на излучение и разбрызгивание

q_э – мощность, идущая на нагрев электрода

q_и – мощность, идущая на нагрев изделия (эффективная)

q_д=q_и+q_э+q_c+…

Отношение эффективной тепловой мощности сварочной дуги к полной её мощности называется эффективным КПД нагрева изделия сварочной дугой или просто эффективным КПД сварочной дуги _И:

Эффективный КПД _И показывает какая часть полной мощности дуги затрачивается на нагрев и плавление изделия (основного металла).

Зная эффективный КПД, можно определить эффективную тепловую мощность сварочной дуги:

q_И = _И I_СВ U_Д

Рис. 1. Схема ввода теплоты в изделие сварочной дугой:

1

2

U_д(1) < U_д(2) U_д(3) = U_д(4) = U_д(2)

_и(1) > _и(2) _и(3) > _и(2)

_и(4) > _и(2)

4. Нагрев и охлаждение основного металла при наплавке на толстый лист

При дуговой наплавке на толстый лист расчет температуры производится по следующему уравнению:

Т, ^оС – температура в точке А

V, см/с – скорость сварки

q_И = _И I_СВ U_Д , Вт или Дж/с – эффективная тепловая мощность дуги;

, см – пространственный радиус-вектор точки А;

=0,4 Вт/см град – коэффициент теплопроводности низкоуглеродистой стали;

=3,8 Вт/см град – коэффициент теплопроводности меди;

а = 0,08 см²/с – коэффициент температуропроводности;

  3,14 – число ПИ

е  2,71 – основание натуральных логарифмов

По этому уравнению можно рассчитать распределение максимальных температур Тм по оси Y.

По уравнению можно также рассчитать кривые термических циклов и построить график зависимости Т, С от t, с. Термический цикл точки – зависимость температуры в данной точке от времени.

Т_НУА = 500-600 С – температура наименьшей устойчивости аустенита. Быстрое охлаждение стали при этой температуре вызывает закалку стали, образование мартенсита, резкое увеличение твердости и прочности стали, значительное снижение ее пластичности и ударной вязкости, образование холодных трещин при сварке.

Скорость охлаждения при этой температуре определяется как тангенс угла наклона касательной к этой точке:

W_охл = tg

Скорость охлаждения можно также рассчитать по уравнению:

^оC/c

Чтобы уменьшить скорость охлаждения надо:

1. Увеличить q_И = _И I_СВ U_Д;

2. Уменьшить скорость сварки V;

3. Применить подогрев (увеличить Т₀): Т₀ = 100-400 С

W_охл(1) = -20 С/с W_охл(1) = -40 С/с W_охл(2) >W_охл(1)

5. Нагрев и охлаждение основного металла при сварке тонких листов

3

4

По толщине пластины температура распределена равномерно Т₃=Т₄.

Расчет температуры при сварке тонких листов производится по следующему уравнению:

где , см – толщина листа,

V, см/с – скорость сварки,

t, с – время,

с = 5 Дж/см³ град – объемная теплоемкость стали.

По этому уравнению можно рассчитать кривые максимальных температур Т_м и построить график зависимости Т_м от Y.

По уравнению можно также рассчитать кривые термических циклов и построить график зависимости Т, С от t, с.

Термический цикл точки – зависимость температуры в данной точке от времени.

Скорость охлаждения рассчитывается по уравнению:

^оC/c

Чтобы уменьшить скорость охлаждения надо:

1. Увеличить q_И = _И I_СВ U_Д;

2. Уменьшить скорость сварки V;

3. Применить подогрев (увеличить Т₀): Т₀ = 100-400 С

6. Нагрев и плавление электрода при дуговой сварке

V_св

Тк2500 С – температура «капель»

Электрод нагревается двумя источниками теплоты:

1. Нагрев электрода током сварочным, проходящим через электродный стержень.

Ттf(х) = const при t = const.

Тт, С – температура нагрева электрода током.

Нагрев током происходит по закону Джоуля-Ленца:

Q=I²Rt=IUt, Дж

Закон Ома

U=IR, В или I=U/R, А

I, А – сварочный ток,

U, В – напряжение на дуге,

t, с – время,

R, Ом – сопротивление стержня

l, см – длина стержня,

F=d²/4, см² – площадь сечения,

, Ом см – удельное электросопротивление стержня, =f(T)

Тт₂ > Тт₁,

т.к. t₂ >t₁ ,

₂ >₁

1. Св-08, 2. Св-08ГС, 3. Св-08Х18Н9Т

2. Нагрев электрода дугой сварочной через торец электрода Тд = f(х)  const

Суммарная температура нагрева электрода током:

Т_ = Тт+Тд

При Х = 0 Т_ = Тк – температура «капли» (Тк 2500 С). При Х > 1 Т_ = Тт

Скорость плавления электрода начальная V_пл(н) и конечная V_пл(к) отличаются.

V_пл(н) < V_пл(к)

Кн _– коэффициент неравномерности плавления электрода.

Допускаемая температура нагрева электрода током в конце плавления электрода не должна превышать Т_т(доп) < 600-650 С.

При большем перегреве электрода покрытие отстает (отслаивается) от стержня, нарушается защита металла от воздуха, усиливается разбрызгивание, ухудшается формирование и свойства шва.

Чтобы не допускать перегрева электрода в ГОСТ 9466-75 длина электрода ограничивается в зависимости от диаметра и удельного электросопротивления.

Диаметр стержня, мм	Длина электрода, мм из сварочной проволоки
	низкоуглеродистой или легированной	высоколегированной
1,6	200 250	150 200
2	250	200
2,5	300	250
3	350	300
4 - 12	450	350-400

Важными характеристиками электрода являются коэффициенты расплавления _р и наплавки _н.

_н = _р(1-), г/А ч

 - коэффициент потерь металла на угар и разбрызгивание

Для РД и МП =0,05-0,2, АФ ≤0,05

Для большенства электродов _н = 8-10 г/А ч.

При I_св = 200 А за 1 час сварщик наплавит 10200 = 2000 г.

Для электродов с железным порошком в покрытии _н = 11-18 г/А ч, при I_св=200 А, 18200=3600 г.

11