Раздел III. ТЕПЛОВЫЕ ОСНОВЫ СВАРКИ

НАЗАД: 3.2.2.2. Распределение тепла при действии мощных быстродвижущихся источников тепла

3.3. Расчеты нагрева электродного металла при дуговой сварке

3.3.1. Нагрев электродного металла протекающим по нему током

Нагрев плавящегося электрода в процессе сварки осуществляется двумя основными источниками тепла:

· теплом электрической дуги, действующим на прилегающий к торцу участок длиной не более 5-10 мм;

· теплом, выделяющимся по закону Джоуля-Ленца при протекании электрического тока во всем объеме электродного стержня.

Количество тепла, выделяемого протекающим по нему током на единицу длины стержня за время dt(с), определяется уравнением:

(3.24)

где I – величина тока, А;

r - удельное электросопротивление стержня электрода, Ом×см;

F_Э – площадь поперечного сечения электродного стержня, см².

Данное тело расходуется на нагрев стержня (Q₁), электродного покрытия при РДС (Q₂) и на теплоотдачу в окружающую среду (Q₃), т.е. тепловой баланс участка электрода, удаленного от дуги, имеет вид:

Q = Q₁ + Q₂ + Q₃, (3.25)

Q₁ = C₁g₁×F_Э×1×dТ, (3.26)

где C₁g₁ – объемная теплоемкость электродного стержня;

dT – приращение его температуры.

Q₂ = C₂g₂×F_покр×1×dТ₂; (3.27)

где C₂g₂ – объемная теплоемкость покрытия;

F_покр – площадь его поперечного сечения;

dТ₂ – приращение его температуры за время протекания тока dt.

Q₃ = a(Т_з-Т_о)pd_з×1× dt, (3.28)

где a - коэффициент температуроотдачи с поверхности;

Т₃ – температура поверхности покрытия;

Т_о – температура окружающей среды;

d_з – диаметр внешней поверхности электродного покрытия.

Используя уравнение теплового баланса, определяют искомую величину dT, т.е. температуру нагрева электрода протекающим по нему током.

Чаще всего используют приближенный метод расчета, предложенный акад. Рыкалиным Н.Н. [4].

Расчет нагрева электрода в интервале до 800 ⁰С производят на основании следующих зависимостей:

; (3.29)

n = ; (3.30)

; (3.31)

где d₁ – диаметр электродного стержня, мм;

j – плотность тока ;

Т_о – начальная температура электрода, ⁰С;

А, m, D₁ – величины, определяемые из опытов:

А = (2,4 ¸ 3,7)×10^-2,

m = (2,5 ¸ 2,65),

D₁ = (200 ¸ 300) ^оС.

T_пр (^oC) и n(1/с) – промежуточные величины при расчете.

Если обозначить

, (3.32)

то из уравнения (3.31) получим искомую температуру нагрева электродного стержня протекающим по нему током за время t:

. (3.33)

Например: определить температуру нагрева электродного стержня к концу его плавления (t = 60c), если d_э = 5 мм; Т_о = 20 ^оС; I = 250 А.

Примем:

А = 0,024 ;

j =

T_пр = 2,5 × 5 × 12,7² + 20 = 2036,125 ⁰С;

; 1/с

;

.

Определение температуры нагрева электрода в вылете необходимо прежде всего для оценки правильности выбора величины тока. Если нагрев электрода превышает 600 ⁰С, то электродное покрытие растрескивается, кусочки его могут отвалиться, поэтому мы не получим требуемое качество металла шва.

Кроме того, в составе электродного покрытия всегда есть газообразующие. При высокой температуре они разлагаются:

CaCO₃ – при нагреве выше 510 ⁰С;

MgCO₃ – выше 250 ⁰С;

C_n(H₂O)_m (органические компоненты) – около 200 ⁰С.

Преждевременное разложение газообразующих компонентов не дает возможность обеспечить требуемую газовую защиту зоны плавления от воздуха.

При плотности тока j > 50 А/мм² (автоматическая сварка) расчет Т_пр дает значения, стремящиеся к бесконечности. В этом случае расчет ведут по следующим уравнениям:

; (3.34)

; (3.35)

Здесь t – время нагрева электрода в вылете: t = ,

где l_b – длина вылета электрода, (обычно l_b = 10 d_э) см;

V_пп – скорость подачи проволоки, см/с.

За длину вылета принимают расстояние от мундштука до свариваемой детали.

ДАЛЕЕ: 3.3.2. Расплавление электрода