При химических реакциях обычно выделяется или погло­щается некоторое количество тепла Q:

A + B*sC + D±Q. (III.30)

Реакции, протекающие с выделением тепла, называются экзотер­мическими, а с поглощением тепла — эндотермическими.

В качестве источника тепла для сварки могут использоватгся только такие экзотермические процессы, которые позволяют полу­чать достаточную тепловую мощность и создавать высокую концен­трацию тепла в малых объемах. Чаще всего в сварочных процессах для получения тепла используют следующие типы реакций:

1) реакции сгорания углеводородов:

СхИу + (* + f) О* + *СОа +1 НгО + Q; (III.31)

2) реакции окисления металлов:

nMe + f 02-> Ме„Ога + Q; (III.32)

3) реакции между оксидами малоактивных металлов и актив­ными металлами:

Me„Om + х R - X RPOft + п Me + Q. (Ш. ЗЗ)

Процесс горения углеводородов и строение пламени. Реакции 1-го типа описывают конечный результат весьма сложных процес­сов сгорания паро- или газообразных углеводородов в смеси с кисло­родом. Они сопровождаются сбразованием пламени, имеющего доста­точную тепловую мощность и высокую температуру. Это пламя ши­роко применяют в сварочной технике при газовой сварке, пайке, кислородной резке, а также для общего или местного подогрева деталей.

В качестве горючего при газовой сварке, резке й пайке в основ­ном применяют газы и жидкости, приведенные в табл. 9.

Наиболее важной характеристикой горючих является их тепло­творная способность. Это свойство оценивается низшей теплотвор­ной способностью горючего <2н, которая выражает количество теп­лоты в килокалориях, выделяющееся при полном сгорании 1 мл или 1 кг горючего. Размерность Qh в этом случае соответственно — «килокалория на кубический метр» или «килокалория на килограмм».

Как видно из табл. 9, среди рассмотренных горючих наивысшей теплотворной способностью обладает ацетилен. При сжигании его в смеси с кислородом развивается наибольшая температура пламени (—3150 СС), позволяющая обеспечить высокую производительность процесса. Поэтому в качестве горючего при газовой сварке обычно применяют ацетилен.

Особенности нагрева металла пламенем. Полную тепловую мощность пламени можно определить расчетом из расхода горючего и его низшей теплотворной способности. Если Va — расход горючего, л/ч; Qh — низшая теплотворная способность,

Таблица 9 Характеристики горючих для газовой сварки, резки и пайки Горючее и его примерный состав, % (объемные) Низшая теплотвор­ная способность при 20° С и 760 мм от. cm. t ккал/ме Температура пламени в смеси с кнслородом, °С Ацетилен 12 600 3150 Водород 2400 2100 Коксовый газ: 50—60% Н2; 25—30% СН4; 5—7% СО; 6—13% n2, со2. 3500—4200 2000 Природный газ: 96—98% СН4; 0,6—1% С2Н„, С3Н8; 1—1,5% N2, С02. 7500—7900 2000 Нефтяной газ: 12%Н2; 28% С2Н2, С8Н8; 50% СН4; 10% со, со2. 9800—13 500 2300 Бензин 10 200—10 600* 2500—2600 Керосин 10 000—10 200* 2450—2500 Примечание. Отмеченные звездочкой данные приведены в килокалориях на килограмм.

кал/л, то теоретическую полную тепловую мощность q можно найти из выражения

q = VaQ„ каліч = кал/сек. (Ill.34)

Поскольку для ацетилена

<2„ — 12 600 кал/л, то q = = 3.5V'(III.35)

Однако далеко не вся тепловая мощность пламени используется при сварке для полезного нагрева — расплавления изделия и при­садочной проволоки.

Газовое пламя является местным, поверхностным источником тепла. Передача тепла происходит в результате теплообмена между пламенем и деталью конвекцией и излучением (радиацией). Глав­ную роль в этой теплопередаче играет конвекция, посредством ко­торой передается до 95% общего количества тепловой энергии. Го­раздо меньшее значение имеет радиация.

Общий удельный тепловой ПОТОК пламени <7уд, т. е. количество тепла, вводимого пламенем за единицу времени и проходящего че­рез единицу площади нагреваемой поверхности металла, согласно известному закону Ньютона (весьма приближенному в данном слу­чае) пропорционален разности температур горячего потока газов и нагреваемой поверхности:

<7Уд ~%(Тг — Т) кал/[смг • сек), (II 1.36)

где 77 —температура потока газов пламени, °С;

Т — температура поверхности нагреваемого металла, °С; а — общий коэффициент теплообмена, включающий влияние конвекции и радиации.

Коэффициент а сильно зависит от температуры и может быть уста­новлен только опытным путем. В связи с тем что значения его малы, на полезный нагрев металла расходуется лишь незначительная часть общей тепловой мощности пламени — не более 10%. Распре­деление тепла в процессе ацетилено-кислородной сварки показано на рис. 47 : 1 — рассеивание в окружающую среду (42%); 2 — погло­щение присадочным металлом (6%); 3—потери на угар иразбрыз-

Рис. 47. Распределение тепла в ацетилено-кислородной сварке.

гивание (2%); 4— перенос с каплями расплавленного присадочного металла (4%); 5 — проплавление основного металла (6%); 6 — рас­ход теплоты на расплавление (10%); 7 — потери за счет теплопро­водности основного металла (46%); S — поглощение основным ме­таллом (52%); 9—полная тепловая мощность пламени (100?6.)

Эффективная мощность пламени сварочной ацетилено-кисло­родной горелки qu зависит от многих факторов, и прежде всего, от расхода ацетилена и свойств нагреваемого объекта. Эффективный к. п. д. т|„ выше для факела пламени малых размеров. В этом одна из причин довольно широкого распространения многопламенных горелок (несколько малых источников пламени нагревают металл интенсивнее, чем один большой при том же общем расходе ацети­лена).

По концентрированности нагрева газовое пламя существенно уступает дуге прямого действия. Тепловой к. п. д. дуги также зна­чительно выше благодаря более совершенному механизму передачи тепла (бомбардировка заряженными частицами). Поэтому газовая сварка в техническом отношении гораздо менее совершений, чем дуговая, и имеет более узкую, но все же значительную область при­менения.

Реакции окисления металлов характерны для всех разновидно­стей сварки плавлением. Окисление основного металла или леги­рующих элементов в процессе сварки — явление нежелательное, но, тем не менее, всегда имеющее место на практике. Оно сопровож­дается выделением определенного количества тепла, которое может играть заметную роль в тепловом балансе процесса сварки.

В наиболее часто встречающихся условиях сварки плавлением реакции окисления подавляются с помощью различных металлур­гических и технологических мер и потому не получают развития. Тепловое влияние окислительных реакций в этом случае мало и в большинстве практических расчетов во внимание не принимается.

Значительно большую роль как источники тепла играют про­цессы окисления металлов при кислородной резке. На реакции окисления железа основан процесс кислородной резки стали, ши­роко применяющийся в металлообрабатывающей промышленности. Сущность его заключается в следующем: если на предварительно нагретую сталь направить струю кислорода, то железо и легирую­щие элементы сгорают с образованием жидких легко удаляемых оксидов. При сжигании металла за счет теплопроводности подогре­ваются прилегающие к месту реза слои, которые как бы подготав­ливаются к последующему сжиганию.

Поскольку реакции горения железа и других элементов в кисло­роде идут со значительным выделением тепла, то для осуществле­ния непрерывного процесса резки после его первоначального возбуж­дения требуется сравнительно небольшое дополнительное тепло - вложение, которое и осуществляется специальным подогреватель­ным пламенем.

Следует, однако, подчеркнуть, что главная доля тепла, расхо­дуемого при кислородной резке стали, получается за счет теплового эффекта реакций окисления металла. В некоторых случаях резка может идти целиком за счет окисления металла, без подогрева (на­пример, резка кислородным копьем).

Реакции между оксидами менее активных металлов и активными металлами могут протекать с выделением значительного количества

Таблица 10 Тепловой эффект некоторых реакций между оксидами менее активных металлов и активными металлами Реакция Тепловой эффект кал/ моль ккал/ кг 3Fe,04 + 8А1 4+ 4А1203 + 9Fe 773 700 850 Fes04 -)- 4Mg •о - 4MgO 3Fe 317 900 970 Fe„04 - j- 2Si <->■ 2Si02 + 3Fe 145 500 506

тепла. Примеры таких реакций и величины тепловых эффектов для них приведены в табл. 10. Смеси исходных веществ для указанных в таблице реакций называются термитами (обычно алюминиевый или магниевый ) и используются при термитной сварке.

Термитные реакции могут быть мощными и концентрированными тепловыми источниками. Так, при сгорании алюминиевого термита температура расплавленных продуктов сгорания достигает 3000 °С.

Контрольные вопросы и задания

'/Какие основные источники тепла применяются в сварочной технике?

1 Каким требованиям должны удовлетворять источники тепла, применяю­щиеся для сварки?

у Что такое тепловая мощность источника, в каких единицах она изме­ряется?

Что такое эффективная тепловая мощность и эффективный коэффициент полезного действия источника тепла?

1 Приведите примеры объемных, поверхностных, линейных, точечных сварочных источников тепла. В каких единицах измеряется их интенсив­ность?

v Дайте характеристику сварочной дуге как источнику тепла.

і В чем сущность ионизации газа? Чем оценивается степень ионизации? Какими причинами она вызывается?

Почему свет видимого спектра не вызывает ионизации газов?

В чем внешние отличия тлеющего разряда в газах от дугового раз­ряда?

> Назовите основные области дугового разряда и отметьте их характер­ные особенности.

V/ Опишите процессы, протекающие в столбе дуги (ионизация, столкнове­ние частиц, смысл уравнения Максвелла и т. д.).

> В чем физический смысл уравнения Сага, как определяют эффективный потенциал ионизации газовой смеси? Практические выводы и рекомендации из уравнения Сага.

Опишите основные процессы в прикатодной области дугового раз­ряда.

v Опишите основные процессы в прианодной области.

Какое влияние оказывают анодное Ііг и катодное UK падения потен­циала на производительность расплавления анода и катода?

От каких факторов зависит процесс термоэлектронной эмиссии (зависи­мость Ричардсона — Дэшмана)?

.Чем определяется плотность тока автоэлектронной эмиссии (формула Фаулера — Нордгейма)?

- v Что такое вольт-амперная (статическая) характеристика дуги?

Как влияет сжатие сварочной дуги на ее свойства?

В чем различие тепловых характеристик сварочной дуги и плазменной струи?

Почему при протекании тока через проводник в нем выделяется тепло?

Как и почему влияет повышение температуры на сопротивление провод­ников?

v Чем объясняется повышенное сопротивление в контакте между двумя твердыми проводниками? От чего оно зависит?

В чем различие механизма проводимости тока для жидкого металла и шлака?

Как влияет электропроводность шлака на процесс электродуговой сварки под флюсом? ^

Какими путями можно регулировать электропроводность расплавлен­ных шлаков?

Как влияет изменение частоты индукционного источника нагрева на его свойства?

Какие типы химических реакций могут быть использованы в качестве источника тепла при сварке?

Чем объяснить широкое применение ацетилена в качестве горючего для газовой сварки?

На каком принципе основана кислородная резка стали? і. Приведите примеры термитных реакций, применяющихся в сварочной технике.