Основные показатели процесса дуговой сварки

Коэффициент расплавления. При сварке металла шов обра­зуется вследствие расплавления присадочного и проплавления основного металла.

Расплавление присадочного металла характеризуется коэффи­циентом расплавления

где α_р — коэффициент расплавления; G_р — масса расплавленного за время t электродного металла, г; t — время горения дуги, ч; I— сварочный ток, А.

Коэффициент расплавления зависит от состава проволоки и покрытия электрода, веса покрытия, а также рода и полярности тока.

Коэффициент потерь. Коэффициент характеризует потери ме­талла электрода на разбрызгивание, испарение и окисление.

где ψ — коэффициент потерь; G_н — масса наплавленного ме­талла, г; G_р — масса расплавленного металла, г.

Коэффициент потерь зависит не только от состава проволоки и ее покрытия, но также и от режима сварки и типа сварного соединения. Коэффициент потерь возрастает при увеличении плотности тока и длины дуги. Он несколько меньше при сварке втавр, с разделкой кромок, чем при наплавке.

Коэффициент наплавки. Для оценки процесса наплавки вводят понятие коэффициента наплавки:

где α_н — коэффициент наплавки; G_н —масса наплавленного за время t металла, г (с учетом потерь).

Коэффициент наплавки зависит от рода и полярности тока, типа покрытия и состава проволоки, а также от пространствен­ного положения, в котором выполняют сварку.

Зависимость величины сварочного тока от диаметра электрода. При ручной дуговой сварке сварочный ток и диаметр электрода связаны следующей зависимостью I=К  d, где I—величина сварочного тока, А; К — коэффициент, зависящий от марки электрода (K= 40 60; 40 — для легированных электродов; 60 —для углеродистых); d— диаметр электрода, мм.

Приведенная формула применима для электродов, имею­щих диаметр 3 — 6 мм.

Зависимость между диаметром и величиной сварочного тока выражают также следующей опытной формулой I =  (т + п d)  d , где    т = 20; п = 6 (для ручной сварки стальными электродами).

Производительность процесса дуговой сварки. Производи­тельность сварки определяется количеством наплавленного металла         С = αI t , где G — масса наплавленного металла, г.

Чем больше ток, тем выше производительность. Однако при значительном увеличении сварочного тока для применяе­мого диаметра электрода — последний может быстро нагре­ваться теплом Ленца — Джоуля, что резко понизит качество сварного шва, так как металл шва и зона сплавления основ­ного металла будут перегреты. Необходимо отметить, что пере­грев электрода увеличивает разбрызгивание металла.

Погонная энергия. Отношение эффективной тепловой мощ­ности дуги (источника) q_и к скорости перемещения дуги V называется погонной энергией.

 

где  V — скорость  перемещения дуги  (скорость  сварки),   см/с.

Погонная энергия — это количество тепла в калориях, введенное на единицу длины однопроходного шва или валика.               

Полную тепловую мощность сварочной дуги приближенно считают равной тепловому эквиваленту ее электрической мощ­ности        Q = 0,24 U_д  I, кал/с, где U_д — падение напряжения на дуге, В; I—величина сварочного тока, А; Q — тепловой эк­вивалент электрической мощности сварочной дуги, кал/с.

Количество тепла, введенное сварочной дугой в изделие в процессе его нагрева за единицу времени, называется эффективной тепловой мощностью сварочной дуги, которая является суммой тепловой энергии, выделяющейся в пятне дуги на изделии, вводимой в изделие при теплообмене со столбом дуги и пятном на изделии и поступающей с каплями расплав­ленного флюса, электродного металла и покрытия q_и  = 0,24Uд I h_и кал/с, где q_и — эффективная тепловая мощность сварочной дуги, кал/с; h_и — эффективный к. п. д. процесса на­грева металла сварочной дугой.

Откуда

Эффективным к. п. д. процесса нагрева металла сварочной дугой называется отношение количества введенного в металл тепла к тепловому эквиваленту электрической мощности дуги. Этот коэффициент характеризует эффективность процессов выделения тепла и теплообмена в дуговом промежутке по отношению к нагреву металла изделия и зависит в основном от способа сварки.

 

На рис. 40 приведен тепловой баланс тепла, выделяемый дугой, из которого видно, что более полно используется тепло дуги при автоматической сварке под флюсом. При увеличении длины дуги эффективный к. п. д. падает и возрастает с углубле­нием дуги в ванну. При сварке металлическими электродами этот коэффициент мало зависит от рода, полярности и величины сварочного тока.

Вопросы для самопроверки

1.     Что называется электрической дугой?

2.     Назовите основные участки электрической дуги.

3.     В результате каких явлений происходит ионизация воз­душного промежутка между электродом и изделием?

4.     Как определить коэффициенты расплавления, наплавки и потерь?

5.     Что называется погонной энергией?

Неравномерное нагревание металла. Внутренние напряжения возникают в том случае, если свободному расширению и сокращению детали что-либо препятствует. Таким препятствием являются соседние участки металла, оставшиеся более холодными вследствие неравномерного нагрева и потому менее расширившиеся.

Наличие сосредоточенного источника тепла (сварочное пламя, электрическая дуга), перемещающегося вдоль шва с какой-то скоростью и вызывающего неравномерное нагревание металла при сварке, является основной причиной возникновения внутренних напряжений и деформаций в сварных изделиях.

Усадка наплавленного металла. Усадкой называется уменьшение объема металла при его переходе из жидкого состояния в твердое. Явление усадки объясняется тем, что при затвердевании металл становится более плотным, вследствие чего объем его сокращается. В результате усадки возникают растягивающие напряжения в соседних частях детали, которые вызывают соответствующие им напряжения и деформации. Различные металлы имеют разную усадку, обычно измеряемую в процентах от первоначального линейного размера. Так, например, линейная усадка равна:

%

Для алюминия………………………………….. 1,7—1,8

» бронзы…………………………………….. 1,45—1,6

» латуни……………………………………… 2,06

» меди………………………………………… 2,1

» стали малоуглеродистой литой … 2,0

» чугуна серого литейного……………………. 0,7—0,8

Напряжения, вызванные усадкой, возрастают до момента перехода упругих деформаций в пластические. Если металл недостаточно пластичен, деталь может дать трещину в наиболее слабом месте. Таким местом часто бывает околошовная зона термического влияния. Вследствие усадки и сокращения объема металла при охлаждении иногда образуются трещины в процессе сварки, называемые горячими.

При сварке происходит продольная и поперечная усадка. Вызываемые усадкой деформации показаны на рис. 55 и 56. Продольная усадка вызывает сокращение длины листов при сварке продольных швов (рис. 55, а). Если центр тяжести поперечного сечения шва не совпадает с центром тяжести сечения свариваемого элемента, то в результате продольной усадки неизбежно возникает коробление этих элементов в продольном направлении (рис. 55, б, в, г). Поперечная усадка всегда дает коробление листов (рис. 56) в сторону большего объема наплавленного металла. Поэтому при поперечной усадке листы будут коробиться вверх, в сторону утолщения шва. Если деталь закрепить, создав препятствие против деформации от усадки, то в закрепленном участке изделия появятся напряжения.

Величина деформации и связанных с ней напряжений зависит от величины зоны нагрева при сварке. Чем больший объем металла нагревается, тем сильнее будут деформации. Поэтому различные способы сварки дают различную величину деформаций. Большую величину нагрева и деформации дает газовая сварка кислородно-ацетиленовым пламенем, меньшую — дуговая сварка металлическим электродом, особенно тонкообмазанным.

Размеры и положение швов также влияют на величину деформаций при сварке. Наибольшие деформации вызывают длинные швы, швы с большим сечением, а также швы, расположенные несимметрично относительно главных осей сечения свариваемого профиля (рис. 55). Чем сложнее форма детали, чем больше в ней различных швов, тем скорее можно ожидать появления деформаций и напряжений при сварке. При односторонней наплавке плоских деталей уменьшение глубины и площади проплавления основного металла резко уменьшает коробление изделия.

Искусственное охлаждение детали в процессе сварки уменьшает величину деформации.

Структурные изменения наплавленного металла. При изменении структуры металла происходит изменение размеров и взаимного расположения его зерен (кристаллов). Этот процесс сопровождается изменением объема металла, что вызывает возникновение внутренних напряжений. Напряжения, возникающие вследствие изменения структуры металла, могут иметь практическое значение только при сварке легированных и высокоуглеродистых сталей, склонных к закалке. При сварке обычной малоуглеродистой стали, которая не закаливается, возникающие от изменения структуры металла напряжения незначительны и не принимаются в расчет при изготовлении сварных конструкций.