Джерела нагрівання та

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

туру, яка викликала накопичення теплоти в металі зварювальної ванни рів-

Тоді, тепловміст металу ванни буде: QB = K1 Тв

Tпл2

Тепер маємо два вирази для тепловмісту металу зварювальної ванни,

Звідси, після перетворень, знайдемо вираз для середньої температури зварювальної ванни: Тв =Тпл(2 −θ1 −θ2 ), або у фізичних величинах:

Тв = 2Тпл − Тпл2 − w

Тк cρ

Нагадаємо, що тут для металу, який зварюється фігурують:

Tпл − температура плавлення;

Tк − температура кипіння;

w − прихована теплота плавлення; cρ − об’ємна теплоємкість.

Слід зауважити, що якщо прийняти температуру кипіння металу нескінченно великою Tк → ∞ та вважати приховану теплоту плавлення ( w ) і

об’ємну теплоємкість ( cρ) величинами приблизно одного порядку

(w ≈ cρ), то одержимо вираз середньої температури, який відповідає гіпо-

тезі В.І. Дятлова: Тв = 2Тпл Виконаний щойно теоретичний аналіз, заснований на спрощених при-

йомах (при виведенні залежностей застосовувались закони теплопередачі

301

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

справедливі для твердих тіл, а метал зварювальної ванни перебуває в рідкому стані), також показує, що середня температура ванни не залежить від режиму зварювання.

Проте, тонкі експерименти, виконані на кафедрі зварювального виробництва КПІ, показали, що режим та умови ведення зварювального процесу все-таки мають вплив на температурний режим зварювальної ванни. Наприклад, було досить чітко зафіксовано (принаймні для випадку зварювання алюмінію і його сплавів в захисному середовищі аргону), що збільшення початкової (попереднього підігрівання) температури основного металу суттєво зменшує середню температуру зварювальної ванни, а підвищення погонної енергії зварювання призводить до збільшення середньої температури ванни. Знаходженню таких тенденцій сприяє те, що у алюмі-

нію відносно невисока температура плавлення ( 660°С) і достатньо широкий інтервал між температурою плавлення і температурою кипіння

( 2010°С). Натомість у заліза (і сплавів на його основі) й у титану (і сплавів на його основі) і температура плавлення значно вища і інтервал між температурами плавлення і кипіння дещо вужчий.

В будь-якому випадку теоретичне обґрунтування і практичне тлумачення таких результатів вимагає застосування фізичних теорій та математичного апарату, які поки що виходять за рамки даного посібника.

302

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

НАГРІВАНЯ І ПЛАВЛЕННЯ ПРИСАДКОВОГО МЕТАЛУ

Термічні цикли присадкового металу самостійного значення не мають і цікавлять лише постільки, оскільки впливають на плавлення електродного металу.

Для електродів з покриттям термічний цикл в них може впливати на властивості покриття, на якість захисту зони зварювання покриттям, на хімічні реакції в покритті.

Всі випадки нагрівання присадкового металу можна розділити на два типових випадки (або дві схеми нагрівання).

Присадковий стержень має обмежену довжину, місце підводу струму фіксоване (ручне дугове зварювання штучним електродом).

Присадковий стержень необмежений, при цьому він рухається відносно місця підводу струму (механізоване зварювання плавким дротом).

Стержень обмеженої довжини з фіксованим струмопідводом

Виділимо окремо нагрівання електрода струмом, який по ньому проходить і теплом дуги. Відповідно до правила суперпозиції (накладення) результати обох процесів складаються в суму,

при цьому для нагрівання дугою початковою вважається температура підігрівання електрода струмом.

303

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

Електрод нагрівається струмом, віддаючи частину тепла в навколишнє середовище. При незначних розмірах і масі електрода тепловіддача з його бокової (циліндричної) поверхні може досягати високих значень.

Спочатку розглянемо нагрівання електрода струмом, який проходить по ньому при зварюванні:

Складемо рівняння миттєвого теплового балансу (в нескінченно ма-

Прибуток тепла (накопичення) в електроді радіусом rел визначимо за стандартною методикою (добуток кількості речовини (об’єм), об’ємної те-

Тепло, яке виділяється при проходженні електричного струму по про-

віднику, визначається за законом Джоуля-Ленца:

304

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

де: I – струм, його можна визначити як добуток густини струму j на площу перерізу стержня електрода Fст (струмоведучої частини):

I = j × Fст

R – опір провідника, визначимо його за Законом Ома: R = r j × Lст

Fст

ρ j – питомий електричний опір матеріалу стержня;

Lст - довжина стержня електрода;

Fст – площа перерізу стержня (струмоведучої частини): Fст = prст2 rст - радіус стержня електрода.

t – час, на протязі якого виділяється тепло (проходить електричний струм).

Тоді, за нескінченно малий час dt виділиться теплота dQ j , яку згідно цих положень можна визначити так:

Нагрітий струмом, який по ньому проходить, електрод виділяє теплоту в навколишнє середовище. Тепло, яке виділяється в навколишнє середовище нагрітим електродом може бути знайдене за правилом Ньютона:

305

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

Або, в нескінченно малих приростах буде:

dQα = (T - Tc )× 2prелLст × dt

Тепер, враховуючи отримані залежності, рівняння теплового балансу буде мати вигляд:

cr × prел2 Lст × dT = r j × j 2 × prст2 × Lст × dt - a × (T - Tc )× 2prелLст × dt

Або, після низки перетворень і скорочень:

cr × rел2 × dT = r j × j2rст2 - 2a × (T - Tc )× rел dt

Рішення цього диференційного рівняння, як стаціонарного, неможливе по фізичній суті: температура електрода є функція часу нагрівання його струмом (T = f (t )); як лінійного, теж неможливе, бо властивості матеріалу:

в значній мірі залежать від температури ( cρ, ρ j , α = f (T )), а розміри і маса електрода відносно малі, що позбавляє систему теплової інерції.

При умові, що коефіцієнти cρ, ρ j , α залежать від температури, ана-

літичного рішення це рівняння не має. Методом послідовних наближень воно може бути вирішене, застосовуючи сучасну обчислювальну техніку, або можна користуватись спеціальними номограмами наведеними в навчальній і довідковій літературі.

Слід особливо відзначити, що температура нагрівання електрода струмом найбільше залежить від густини струму і величини питомого опору. Питомий опір металів збільшується з ростом температури (для аустенітних сталей, наприклад, значно збільшується, що досить суттєво впливає на нагрівання електрода).

Крім струму, який по ньому проходить, електрод нагрівається джерелом тепла на своєму торці (де горить дуга). Прийнято вважати температуру джерела тепла на торці електрода рівною температурі крапель електродно-

306

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

го металу, а саме це джерело – плоским, яке рухається по електродному стержню з швидкістю плавлення електроду.

Процес нагрівання в цьому випадку короткочасний і інтенсивний, через це тепловіддачею можна знехтувати. Використовуючи рівняння граничного стану при дії в стержні рухомого плоского джерела тепла одержимо:

Наведений рисунок ілюструє таку схему нагрівання:

Поступове нагрівання електрода струмом під час зварювання може привести до його значного перегріву, а це ставить суттєві обмеження на підвищення зварювального струму і, відповідно, на підвищення продуктивності праці при ручному дуговому зварюванні покритими електродами. До температури плавлення електрод, звичайно ж, струмом, який по ньому проходить, не нагрівається, але уже при температурі 400…500 °С обмазка

307

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

електрода починає обвалюватись з нього, що робить процес зварювання неможливим. Через це виготовлювачі електродів обмежують їх довжину залежно від діаметру − для того, щоб за весь час плавлення одного електрода він не перегрівався вище максимальної, допустимої згідно Технічних умов, температури.

Стержень необмеженої довжини, який рухається від-

носно точки підведення струму

При механізованій подачі електродний дріт теж нагрівається від двох джерел тепла – дуги і струму, який проходить по дроту.

Але принцип нагрівання електрода струмом інший: різні ділянки електродного вильоту нагріваються струмом різний час. Відповідно, різною буде й температура − чим довший час підлягає ділянка дії електричного струму, тим більшою буде її температура.

Область 1 нагрівається протягом часу t1,

Область 2 нагрівається час t2 :

308

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

На торці електроду час підігрівання його струмом буде найбільшим, тому що ця область найдовший час знаходиться під дією струму, який

Відносно невеликий час нагрівання електродного дроту струмом в цьому випадку дає змогу знехтувати тепловіддачею. Тоді виявиться, що температура нагрівання вильоту електрода струмом, як функція відстані від торця електрода T = f (x) приблизно пропорційна часові нагрівання і,

отже, лінійно залежить від довжини вильоту електрода.

Лінійна залежність температури підігрівання струмом (T j ) від довжи-

ни вильоту електрода ( x ) може бути виражена пропорцією:

T j = T j max × (L − x)

L

де: T j max – максимальна температура нагрівання вильоту електрода струмом, яка досягається на торці електроду. Визначення цієї температури супроводжується деякими труднощами, але загалом метод лишається подібним до попереднього.

Складемо рівняння миттєвого теплового балансу, складовими якого, якщо знехтувати тепловіддачею, будуть накопичення тепла на вильоті електродного дроту і виділення теплоти внаслідок проходження через виліт електричного струму:

а) накопичення тепла в стержні визначається за стандартною методи-

309

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

де: cρ – об’ємна теплоємкість, V – об’єм металу, який нагрівається,

Fел – площа перерізу електрода, L – довжина вильоту електрода;

dT - різниця температур (обчислюються нескінченно малі величини); б) виділення теплоти від струму, який проходить по провіднику ви-

значаємо за законом Джоуля – Ленца: dQ j = I 2 × R × dt ,

cr × L × Fел × dT = j 2 Fел × r j L × dt

звідси, після скорочень і перетворень, одержимо вираз, який дає змогу знайти приріст температури вильоту електродного дроту за нескінченно

Отримана залежність з деяким ступенем наближення може вважатись диференційним рівнянням нагрівання вильоту електрода струмом, який по ньому проходить. Рішення цього диференційного рівняння утруднене бо теплофізичні властивості матеріалу (коефіцієнти ρ j , cρ) в значній мірі за-

лежать від температури. Приблизне рішення може бути знайдене при умові незалежності коефіцієнтів від температури.

310