13.1. СВАРОЧНАЯ ДУГА КАК ИСТОЧНИК ТЕПЛОТЫ

В судостроении основным технологическим процессом получения неразъемных соединений является электродуговая сварка. При всех ее разновидностях изделия подвергаются местному нагреву движу­щимся по поверхности изделия сосредоточенным источником тепло­ты - сварочной дугой. Теплота, введенная дугой, расплавляет кромки элементов изделия и, распространяясь вглубь металла вследствие его теплопроводности, устанавливает в изделии резко неравномерное тем­пературное поле, перемещающееся вместе со сварочной дугой.

С достаточной для практики точностью можно считать, что полная тепловая мощность сварочной дуги равна тепловому эквиваленту ее электрической мощности:

(13.1)

где / - сварочный ток, A; U - напряжение на дуге, В.

В то же время только часть полной тепловой мощности идет на на­грев изделия: это объясняется потерями в окружающее пространство, потерями на нагрев защитного газа, флюса и т. п. Эта часть теплоты на­зывается эффективной тепловой мощностью:

(13.2)

где г|и - эффективный КПД процесса нагрева изделия дугой.

Приведем величины г|и для различных способов сварки по экспери­ментальным данным.

Порошковой проволокой Газовым пламенем

В сварочной практике нашло широкое применение понятие погон­ной энергии сварки, определяющее количество теплоты, вкладываемое сварочной дугой в единицу длины шва:

qn = — [Дж/см], v

где v - скорость сварки, см/с.

В действительности сварочная дуга, как естественный процесс, яв­ляется поверхностным источником нагрева (рис. 13.1).

Тепловой поток сварочной дуги наиболее интенсивен в центральной части пятна нагрева, где происходит выделение теплоты в поверхност­ных слоях металла вследствие электронной и ионной бомбардировки. В периферийной области дуги металл нагревается за счет лучистого теп­лообмена со столбом дуги и конвективного теплообмена с горячими га­зами факела дуги. По мере удаления от центра пятна нагрева интенсив­ность теплового потока убывает. Распределение удельного теплового потока дуги с достаточной для практики точностью можно описать зако­ном нормального распределения

где q2(r) - удельный тепловой поток, Вт/см2 (индекс 2 указывает, что тепловой поток поверхностный); г - расстояние от оси источника, см; г1 = Xі + у2 q2m - максимальный удельный тепловой поток по оси источ­ника (дуги), Вт/см2; k - коэффициент сосредоточенности удельного теп­лового потока источника, 1/см2.

Локальность источника наглядно можно охарактеризовать условным диаметром пятна нагрева du [см], определяющим участок поверхности, где удельный тепловой поток превышает 0,05q.)m (см. рис. 13.1, 6). В табл. 13.1 представлены характеристики удельных тепловых потоков некоторых сварочных источников нагрева, из которых следует, что сте­пень локализации вводимой теплоты и максимальная плотность теп­лового потока в центре различных сварочных дуг значительно больше, чем при газосварочном пламени.