Нагрев электрода в процессе сварки обусловлен двумя основными факторами:

1) теплом электрической дуги, действующим на прилегающий к торцу участок длиной не более 5—10 мм;

2) теплом, возникающим во всем объеме электродного стержня в результате сопротивления электрода протекающему току.

Кроме того, возможны и другие, дополнительные источники тепла, например, контактное сопротивление между электродом и электрододержателем. Однако при исправном оборудовании и пра­вильной технологии роль этих источников незначительна.

Поскольку нагрев электрода дугой распространяется лишь на небольшую длину, при рассмотрении процесса нагрева всего элек­трода влияние дуги можно не учитывать.

Приближенный метод расчета нагрева электрода током. В ин­тервале температур 0—800 °С этот расчет можно производить на основании следующих зависимостей[8]:

-1- Г _ D, + Тв ср _____ ер __ <Т> ^ 1 1 лр 1 т 1 пр 1 о	(1V.36)
Тп р = mdij[9] + Г0;	(IV. 37)
	(IV. 38)

где опытные величины A, Dlt пг выбираются из табл. 19; Гт — температура нагрей электрода током, °С;

Опытные величины A, Dt, tn для некоторых режимов сварки Электрод Род тока А мм**° С £>i, °С мм3-° С Проволока Покрытие аг сек т’ С* Малоуглероди- Меловое Постоянный 0,031 240 2,65 стая Переменный 0,037 300 2,65 Св-08 ОММ-5, Постоянный 0,024 200 2,5 УОНИ-13 идр. Переменный 0,027 240 2,5

Тпр— предельная температура, наступающая при бесконечно дли­тельном протекании данного тока по электроду, °С;

Т0 — начальная температура электрода (обычно равна температуре окружающей среды), °С;

/—-время протекания тока, по истечении которого определяется температура, сек j — плотность тока, а/мм2', я, —диаметр электродного стержня, мм.

Расчет температур нагрева по выражениям (IV.36)—(IV.38) производят в следующем порядке:

1) выбирают из таблиц постоянные А, £>х, т;

2) определяют j — а! мм2-,

T. dt

3) находят Тпр из выражения (IV.37) (значением Т0 задаются в условиях поставленной задачи);

4) определяют п из уравнения (1V.38).

Вычислить Тт можно также с помощью номограммы (рис. 76), предложенной Н. Н. Рыкалиным. В последнем случае находят без­размерные критерии процесса:

^ ~ Кї, nt = Ks.

т

Затем по К і и Кг, пользуясь номограммой, определяют К3 — уЛ откуда Т7 = K3Dt.

Нагрев электрода сварочной дугой. Расчетную схему этого про­цесса можно представить так: тело — полубескоиечный стержень, источник тепла — плоский подвижный постоянно действующий.

Распределение температуры Т (х) вблизи торца электрода, на­греваемого дугой, удовлетворительно описывает уравнение пре­дельного состояния процесса нагрева стержня подвижным плоским источником. Так как электрод постоянно подается в дугу, то на­грев его будет соответствовать ветви температурной кривой, рас­положенной впереди движущейся дуги, т. е. X > 0. Для этих усло­вий справедливо выражение

WX

Т (х) —Тт — (Тк — Тх)е а, (IV. 39)

где х — расстояние от торца электрода до участка, нагреваемого дугой, СМ)

w — скорость плавления электрода (скорость подачи его в Дугу), см/сек

Т; — температура подогрева электродного стержня током, °С;

Тк — температура нагреваемого дугой торца электрода, °С. Условно считаем Тк равной средней температуре капель (для стали Гк — 2300 - г - 2500 °С).

Рис. 76. Номограмма для расчета нагрева стальных электродов током-

Пример 6. Определить характер распределения температур у оплавленного торца электрода в начале горения дуги и к концу плавления, длящегося 7 = 80 сек, если Т0 = 0; 7=310 с; покрытие УОНИ-13; ток постоянный; d, = 6 мм. Длину огарка электрода к концу его плавления будем считать равной 50 мм. Длина расплавленной части I — 450 — 50 = 400 мм = 40 см. Средняя скорость расплавления электрода

40

w = = 0,5 см /сек.

Принимая Тк — 23С0 °С; а = 0,06 см2/сек, найдем значения Т (х) в начале плавления из выражения (IV.39) для х = 0,2 см и х = 0,5 см. При этом будем иметь в виду, что в начальный момент 7Т = 70 = 0. Тогда

— ^ 5*

Т (г) = MOOe = 2300frM*;

Г (0,2) = 23СОе~8'3*0,2 = 2300-------- !-----

2,72 і-66 Г (0,5) = 0,5 °С.

К концу плавления начальная температура электрода Г0 повысится в ре­зультате наг ревания его протекающим током. Значения Тт найдем из выражений (IV.36)—(IV.38).

Выбираем постоянные:

А = 2,4 . КГ2 мм2 ■ °С/(а2 ■ сек):

D, = 200 °С; m = 2,5 мм3 • °С/а2;

4/ 4 . 31П

/ = —2 = 5-rr-Sf » 11 а/мм*: Гпр = 2,5 • 6 • II2 = 1815 °С.

Тогда

Т (х) = (Тк — Тт) е а + Гт = (2300 — 370) е~в-3х + 370 = 1930е~8-3* + 370;
Т (0,2) = 1930 • 2,718 8-3*0,2 _р 370 = 368 + 370 = 738 °С;

Т (0,5) = 1930 • 2,718—4-15 + 370 = 371 °С.

Расплавление электрода. Тепло, вводимое дугой в электрод, составляет часть общего тепла дуги и расходуется на повышение теплосодержания металла электрода от начальной температуры до средней температуры капель.

Если обозначить количество тепла, вводимого дугой в металл электрода за единицу времени, дэ, кал/сек, а полную тепловую

<?э = дъ — °>24

Это количество тепла расходуется на нагрев расплавленного за единицу времени электродного металла от температуры Тг до тем­пературы капель Тк;

дэ = wF- (SK — ST) кал! сек. (IV.41)

Здесь 5К — теплосодержание расплавленных капель электродного металла, кал/г

Sг — теплосодержание электродного металла при начальюй температуре Тт — температуре подогрева электродного стержня током, кал/г;

F — площадь поперечного сечения электродного стержня, см 7 — плотность металла электрода, г/смл w — скорость плавления электрода, см! сек wF^ — вес металла электрода, расплавленного в 1 сек, г! сек. Произведение wF7 называют мгновенной производительностью процесса расплавления и обозначают gp, г/сек.

Приравнивая правые части выражений (IV.40) и (IV.41), полу­чим

gp (SK — ST) = 0,24 JUri3,

откуда

0,24 /Ur

gp = ~г/сек. (IV.42)

Для данного режима сварки мгновенная производительность процесса расплавления зависит от начального теплосодержания электродного металла St, т. е. от температуры подогрева. Чем выше температура подогрева ТТ, тем больше Sr, меньше знамена­тель выражения (IV.42) и выше производительность расплавления электрода. Поэтому в начале горения дуги, когда электродный стержень еще холодный, производительность расплавления и ско­рость его w всегда ниже, чем к концу процесса, когда электрод нагревается протекающим по нему током. Среднюю производитель­ность расплавления электрода легко определить опытным путем для участков определенной длины (50—100 мм).

Чтобы охарактеризовать свойства электродной проволоки и всего электрода, важно знать коэффициент расплавления ар, г!(а • ч). Коэффициентом расплавления называют количество расплавляемого электродного металла, приходящееся на 1 а в единицу времени:

II.01

ар = у г!(сек • а) = 3500 ~ г/(а ■ ч). (1 V.43)

Подставим сюда значение gp из выражения (IV.42):

Для ручной электродуговой сварки в зависимости от марки при­меняемых электродов коэффициент расплавления яр = 8-г 12 г! (а • ч). Для автоматической сварки ар = 12 - г - 24 г/(а ■ ч).

Непостоянство хр в процессе горения электрода при ручной сварке может привести к неравномерности размеров валика. Оно оценива­ется коэффициентом неравномерности I, который представляет собой отношение производительности расплавления gmm в конце горения электрода к начальной производительности g0. Если параметры
режима сварки и к. и. д. нагрева электрода дугой явными в течение всего периода горения, то

0,24 Шцэ

► SK - s, SK-S0 5 0,24 Шг;э SK — ST •

S„ - S„

Практически длину электрода и плотность тока выбирают та­кими, чтобы коэффициент неравномерности? < 1,3. При слишком высоких плотностях тока и большой длине электродов неравномер­ность их расплавления может стать значительной, что ухудшит ка­чество сварки. Кроме того, при нагреве электрода выше 600 °С разрушается электродное покрытие и возможно насыщение металла электрода кислородом и азотом воздуха еще до расплавления его дугой. В результате резко снижается качество металла шва. Таким образом, чрезмерный предварительный подогрев электродного стерж­ня током ограничивает величину силы тока для данного диаметра электрода и препятствует дальнейшему повышению производитель­ности сварки.

Нагрев электродной проволоки током и дугой при автоматиче­ской сварке. Особенностью автоматической сварки по сравнению с ручной является то, что при ней ток к электродной проволоке подводится с помощью скользящего контакта на небольшом от дуги расстоянии. Т. е. по всей длине стержня, как при ручной сварке электродами, ток не проходит, что дает возможность значительно повысить его плотность. При этом производительность расплавле­ния электродной проволоки возрастает в несколько раз.

При автоматической сварке, как и при ручной, нагрев электрод­ной проволоки осуществляется за счет протекающего по нему тока и теплового воздействия дуги. Каждый элемент проволоки, подаю­щийся в дугу со скоростью w, см/сек, нагревается током на пути от токоподвода до дуги. В непосредственной близости к дуге прово­лока нагревается также ее теплом. Общее температурное поле нагрева по длине вылета электродной проволоки может быть по­строено как сумма температур, возникающих от действия двух ис­точников тепла.

Если в некоторый произвольный момент времени рассмотреть тепловое состояние бесконечно малых участков 1, 2, 3 электродной проволоки (рис. 77), расположенных на расстояниях xlf х2, хь от начала координат, совмещенного с дугой, то станет очевидным, что

элемент / нагревался током в течение времени /г = -—~~, элемент 2 В течение времени t2 — JJP’, элемент 3 — в течение ta —

/ _ у I

= - ■ и т. д. Максимальное время нагрева /тах = —.

Если пренебречь теплоотдачей с поверхности электрода и тепло­проводностью, то температуру участка электродной проволоки

Тт (x) можно считать приблизительно пропорциональной времени нагрева. Поэтому характер распределения температуры по длине вылета электрода в результате нагрева током выражается линией, близкой к прямой.

Для определения температур нагрева электродной проволоки иногда используют приближенный метод расчета нагрева электро­дов при ручной сварке с учетом времени, в течение которого нагре­вается данный элемент. Это воз­можно потому, что в обоих слу­чаях приняты одинаковые рас­четные предпосылки:

1) выделенный бесконечно ма­лый элементарный объем нагре­вается током по одному и тому же закону;

2) элементарный объем от­дает тепло с боковой поверх­ности,

3) передача тепла вдоль стержня за счет теплопроводнос­ти принята равной нулю.

Температура нагрева элек­тродной проволоки дугой. При автоматической сварке нагрев Рис. 77. К расчету нагрева электрод - электродной проволоки дугой ной проволоки протекающим по ней В области, прилегающей к оп - током при автоматической сварке. лавляемому торцу, описывается

тем же уравнением, что и для ручной сварки. Разница лишь в том, что при ручной сварке тем­пература подогрева Тт постоянна по всей длине электрода, а при автоматической сварке зависит от х. Таким образом,

WX

гл (х) = [Тк — Тт (0)] є * , (IV. 46)

а полная температура вылета проволоки вблизи оплавляемого кон­ца от нагрева током и дугой

ВД-ЗД + ЗД. (IV.47)

В выражениях (IV.46) и (IV.47) приняты такие обозначения: Тл(х)— температура нагрева проволоки дугой в зависимости от х Тт (х) — температура нагрева проволоки током в зависимости от х; Тт (0) — температура нагрева проволоки током на оплавляемом тор­це, где расположено начало координат х = 0.

При автоматической и полуавтоматической сварке можно зна­чительно повышать производительность расплавления электрода путем предварительного подогрева его на увеличенной длине вы­лета протекающим сварочным током либо электрическим током от -

дельного источника. Этим достигается повышение теплосодержания Sr электродного металла к моменту нагрева и расплавления его дугой, что, в свою очередь, повышает gv согласно выражению (IV.42).