Тепловые процессы при сварке

Сварочная дуга характеризуется сосредоточенным выделением теплоты, обеспечивающей высокую эффективность нагрева и плавления металла.

Температура дуги:

6000 – 8000⁰С – при сварке плавящимся электродом;

10000 - 15000⁰С – при сварке неплавящимся вольфрамовым электродом;

25000 - 30000⁰С – при плазменной сварке и резке.

Количество теплоты, выделяемое сварочной дугой, рассчитывается по формуле:

, (1)

где: – сила сварочного тока, А;

– напряжение дуги, В;

– время сварки.

Эффективная тепловая мощность - количество теплоты, используемое на плавление и нагрев металла в единицу времени (полезно используемое количество теплоты):

, (2)

где η - эффективный КПД нагрева, зависящий от способа сварки:

0,7 - ручная сварка

до 0,95 - сварка под флюсом

Например, при сварке под флюсомтепловой баланс характеризуется следующим распределением тепла:

• Поглощение основным металлом - 54%

• Перенос каплями - 28%

• Плавление флюса - 17%

• Разбрызгивание - 1%

Распределение температур (и количества теплоты) по зонам дуги неравномерно (см. рис. 6). Как видно, сильнее разогревается анод, меньше – катод.

Рисунок 6 – Тепловой баланс дуги. Полярность

При сварке может применяться постоянный и переменный ток. При использовании постоянного тока различают сварку на прямой и обратной полярности. При прямой полярности (см.рис.6) электрод подключается к отрицательному полюсу и служит катодом, а изделие – к положительному и служит анодом. При сварке на обратной полярности – наоборот.

Так как сильнее разогревается анод, то сварку на обратной полярности используют в тех случаях, когда есть опасность перегрева металла изделия, т.е. при сварке тонколистовых конструкций, высокоуглеродистых, коррозионностойких и жаропрочных сталей.

Процесс образования сварного шва.

Процесс переноса металла электрода к изделию включает этапы, показанные на рисунке 7, которые прокомментированы ранее (где объясняются способы возбуждения сварочной дуги). Этот процесс повторяется с переходом каждой капли.

Рисунок 7 – Схема переноса металла электрода на изделие

Перенос металла от электрода к металлу может быть разным (в зависимости от способа сварки, а, следовательно, и силы сварочного тока):

- крупнокапельный, характерный для ручной дуговой сварки покрытым электродом;

- мелкокапельный, наблюдается при сварке под флюсом и в защитных газах;

- струйный, имеет место при сварке в аргоне на больших токах.

В зависимости от положения свариваемых конструкций сварка может выполняться в различных пространственных положениях, что определяет выбор способа, режимов и технологии сварки (см. рис. 8).

Силы, действующие на каплю при её переходе в сварочную ванну:

• Силы тяжести - содействуют или препятствуют переходу – в зависимости от пространственного положения сварки;

• Силы поверхностного натяжения – («втягивают» каплю в сварочную ванну) – способствуют переносу металла в сварочную ванну;

• Газовое дутье - возникает за счет испарения металла электрода и давления газов от сгорания обмазки, направлено от электрода к изделию, т.е. способствует переходу капли металла от электрода в сварочную ванну;

• Внутренне газовое давление – газы внутри капли расширяются и разрывают каплю, что способствует переносу металла в сварочную ванну;

• Сжимающие электромагнитные силы – силовое поле стремится уменьшить поперечное сечение проводника в перешейке,отрывая каплю от электрода, т.е. способствуя переходу капли металла в сварочную ванну;

• Продольная электрическая сила – направлена от электрода - к изделию (плотность тока на электроде больше, чем на изделии), способствует переносу металла в сварочную ванну.

Рисунок 8 – Пространственные положения сварки

Сварочной ванной (см. рис. 9) называют объем металла, находящийся в данный момент времени в расплавленном состоянии. Размеры сварочной ванны: длина, ширина и глубина (провар), - зависят от способа сварки (см. рис. 9) и влияют на процесс формирования сварного шва, а также технологию сварки.

Рисунок 9 – Сварочная ванна

Контрольные вопросы:

1. Объясните, от чего зависит количество теплоты, выделяемое при сварке. Какая из величин в формуле (2) используется для повышения производительности процесса сварки (увеличения количества теплоты)?

2. Проанализируйте распределение теплоты (тепловой баланс) при сварке под флюсом и назовите полезные составляющие (с точки зрения сварочного процесса) и потери.

3. Что такое прямая и обратная полярность? В каких случаях и с какой целью используется сварка на обратной полярности?

4. Перечислите силы, способствующие и препятствующие переходу капли расплавленного металла электрода в сварочную ванну. Как Вы считаете, почему возможна сварка не только в нижнем, но и других пространственных положениях?