книги из ГПНТБ / Фролов В.В. Источники тепла при сварке плавлением

Председатель Методического совета заочных курсов по тех-

нологии и оборудованию сварочного производства—

К. П. Вощанов

Научный редактор—В. С. Черняк

ВВЕДЕНИЕ

Сварка металлов плавлением требует мощных источников тепла. Они необходимы вследствие высокой теплопроводности металлов, обуславливающей большой теплоотвод в окружаю­ щий ненагретый металл, а также высокой температуры плав­ ления металлов, применяемых в технике Таким образом, мест­ ный нагрев металла до температуры равной или превышаю­ щей температуру его плавления в среде с высокой теплопро­ водностью возможен только источником тепла высокой интен­ сивности.

Сила источника тепла определяется его температурой, до­ статочной для передачи необходимого тепла в зону сварки. Ко­ личество тепла, передаваемое металлу, в первую очередь за­

висит от разности температур источника тепла и нагреваемого металла. Затем от характера источника тепла, создаваемого

электрической дугой или газовой горелкой и определяющего

условия принудительной конвекционной теплопередачи. Температура в зоне сварки должна превышать температуру

плавления металла, чтобы обеспечить образование сварочной ванны необходимых размеров. Сварочная ванна ограничена

изотермической поверхностью с температурой, равной темпе­

ратуре плавления металла, и может, в свою очередь, рассмат­

риваться как источник тепла по отношению к окружающему металлу, которому сна будет интенсивно отдавать тепло.

Процесс сварки ведется с определенной скоростью. Источ­ ник тепла перемешается относительно металла со скоростью,

равной скорости сварки. При перемещении источника тепла в зону сварки вовлекаются новые массы ненагретого металла, теплосодержание которого должно изменяться по времени, в

зависимости от движения источника тепла. Изменение темпе­ ратуры металла в данной точке сварочной зоны носит назва­

ние термического цикла.

Схема распределения температуры между движущимся ис­ точником тепла, металлом сварочной ванны и окружающим металлом показана на примере проплавления массивной детали

(полубесконечное тело) с некоторой постоянной скоростью да (рис. 1).

з

Z I

Рис. 1. Схема распределения температуры между источником тепла, движущимся с постоянной скоростью, и изделием

(полубесконечное тело).

Рис. 2. Распределение температуры теплового потока нормального кру­ гового источника

а) пламя газовой горелки б) электрический дуговой разряд.

4

Глава I

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СВАРОЧНАЯ ДУГА

1. ДУГОВОЙ РАЗРЯД КАК ТЕПЛОВОЙ источник

Дуговой разряд, возникающий между электродами, нахо­ дящимися под напряжением, является интенсивным источником

6

Рис. 3. Тепловой баланс электрической сварочной дуги

а) угольная дугч <П. Д. Кулагин), б) открытая металлическая дуга Н. Н. Рыкалин),

в. дуга под слоем флюса (И. В. Кирдо)

В табл. 1 приведены значения эффективной тепловой мощ­ ности, коэффициентов сосредоточенности и эффективных коэф­ фициентов полезного действия электрических дуговых разря­

дов различного вида (I).

2.ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

ВЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ДУГОВОМ РАЗРЯДЕ

Прохождение электрического тока через газы возможно только в том случае, если газы содержат в себе электричес­ ки заряженные частицы, т. е. находятся в ионизированном со^ стоянии.

Процесс ионизации газа может вызываться внешними причи­ нами (Зависимый дуговой разряд) или внутренними, в резуль­

тате процессов, происходящих на электродах и )азовом про­ межутке самого разряда (независимый дуговой разряд). В сва­ рочной технике используется независимый дуговой разряд, при

большое, а ток равен нулю. В результате ионизации дугового

промежутка напряжение падает, а ток растет до некоторого постоянного при данных условиях значения. На рис. 5 показа­ но изменение тех же величин для независимого дугового раз. ряда.

8

того катода впервые наблюдалась еще Эдиссоном. Физическая сущность этого явления сводится к тому, что электроны про­ водимости, всегда имеющиеся в металле, обладают весьма ма­ лой энергией, подчиняясь статистике „вырожденного“ газа. Од­ нако, приближаясь к границе раздела металл—вакуум или ме­ талл—газ, они приобретают значительную потенциальную энер­

гию, так как граница раздела металлического кристалла по­ строена из остовов атомов, имеющих положительный потенци­

электронов, обладающих этой энергией, что приводит к увели­ чению эмиссионного потока. Величина работы выхода зависит

9

от природы металла, состояния его поверхности и ряда дру­ гих причин, которые будут рассмотрены в дальнейшем. Плот­ ность тока эмиссии может быть вычислена по уравнению Ричардсона-Дешмена (2)

10