Тепловые процессы при дуговой сварке

Рис. 4. Характер изотерм  при разных условиях нагрева: а - неподвижный  источник, б - подвижный источник. 
 

Рис. 5. Характер тепловых полей при разных мощностях дуги:а - сварочный ток 200А. б- сварочный ток 400А

Из основных теплофизических свойств металла  наиболее сильное влияние на характер распределения температур оказывает  теплопроводность. На рис. 6. показаны температурные  поля в пластинах из металлов с  разными теплофизическими свойствами, построенные при одинаковых режимах  сварки. Области, нагретые выше определенной температуры, в хромоникелевой стали  имеют большие размеры, чем в  низкоуглеродистой, что объясняется  меньшей теплопроводностью хромоникелевой стали. В связи с высокой теплопроводностью  алюминия и меди происходит значительное уменьшение площади областей, нагретых до одинаковых температур, по сравнению  со сталями. А сами изотермы укорачиваются; по очертаниям приближаясь к форме  окружности, и смещаются в область  впереди источника нагрева.

Рис. 6. Характер тепловых полей при сварке разных металлов: а - низкоуглеродистая сталь, б - аустенитная высоколегированная сталь, в - алюминий, г - медь 

В зависимости  от формы и размеров изделия в  настоящее время разработаны  методики и расчетные схемы процесса-нагрева  металла при сварке, позволяющие  расчетным путем определять температуру  в точках теплового поля сварного соединения в зависимости от свойств свариваемого металла и условий его сварки.   

Формирование  сварочной ванны

Образование сварочной ванны является важнейшим  этапом получения соединения при  сварке плавлением. От формы и размеров сварочной ванны зависят форма  и размеры сварных швов. Последние  во многом определяют эксплуатационные характеристики получаемых соединений.

Форму и размеры сварочной ванны  определяют границами изотермической поверхности объемного теплового  поля, соответствующие температуре  плавления металла Тпл. Однако такой подход является несколько идеализированным, поскольку формирование объема расплавленного металла учитывает лишь эффект распространения теплоты в глубь металла за счет теплопроводности. В реальных условиях сварки сварочная ванна формируется под действием целого ряда сил, действующих в ней, в первую очередь силы тяжести жидкого металла, поверхностного натяжения его и давления самого источника нагрева. Дуга, обеспечивающая местный нагрев и расплавление кромок соединяемых элементов, оказывает на расплавленный металл давление, за счет которого он вытесняется из передней части ванны, т. е. из области с наибольшей интенсивностью нагрева в ее хвостовую часть. Это ведет к уменьшению толщины жидкой прослойки под дугой и создает условия для углубления ванны. В результате изменяются очертания зоны расплавления (рис. 7). Давление на расплавленный металл определяется разностью его уровней h в ванне. Изменение условий сварки, в свою очередь, существенно отражается на формировании сварочной ванны, соотношении ее геометрических размеров. Так, увеличение эффективной тепловой мощности, сосредоточенности источника, увеличение давления дуги ведут к увеличению глубины проплавления и уменьшению ширины. При этом ванна удлиняется.

Рис. 7. Параметры  формы сварочной  ванны

Важным  фактором, влияющим на геометрические параметры ванны, является пространственное расположение выполняемых швов. При  сварке изделий в наклонном положении  на подъем (перемещение ванны снизу  вверх) глубина проплавления возрастает, при сварке на спуск (перемещение  ванны сверху вниз) - снижается (рис. 8, б). В первом случае жидкий металл перетекает в хвостовую часть  ванны, уменьшая толщину жидкой прослойки  под дугой, во втором случае, наоборот, он затекает в головную часть ванны  и толщина прослойки увеличивается.

Рис. 8. Формирование сварочной ванны при разных положениях сварки: а - вертикальном, б - наклонном, в - потолочном, г - горизонтальном.  

При сварке в вертикальном положении (рис. 8, а) процесс можно вести сверху вниз (на спуск) и снизу вверх (на подъем). В обоих случаях сила тяжести  направлена вниз. При сварке на подъем сварочная ванна удерживается только силой поверхностного натяжения. При этом глубина проплавления резко возрастает. Для удержания расплава приходится ограничивать тепловую мощность дуги и размеры ванны. При сварке на спуск удержанию жидкого металла способствует давление дуги, а глубина проплавления уменьшается.

При сварке в потолочном положении (рис. 8, в) сварочная  ванна удерживается силами поверхностного натяжения и давлением источника  нагрева. Для удержания ванны  в потолочном положении также  необходимы меры по ограничению ее объема. Особенно неблагоприятные условия  формирования ванны создаются при  выполнении горизонтальных швов (рис. 8, г). Расплавленный металл натекает на нижнюю кромку. Это приводит к  образованию несимметричной выпуклой формы шва, а также подрезов. Требование к сокращению размеров сварочной  ванны в этом случае особенно жесткое.

Важным  фактором, влияющим на работоспособность  сварных соединений и также связанным  с образованием сварочной ванны, является формирование проплавления корня  шва. На рис. 9 показаны силы, действующие  на ванну. Ванна удерживается на весу силой поверхностного натяжения  Рп.

Рис. 9. Схема формирования противления сварного шва: r1, - радиус кривизны в поперечном сечении  шва, r2 - то же, в продольном сечении

Поверхностное натяжение уравновешивает давление Pд, оказываемое на ванну дугой, и металлостатическое давление Pм = h v, определяющееся разницей уровней h и плотностью расплавленного металла v.

Условие равновесия ванны в положении  на весу можно записать так: Pд + Pм = С (1/ r1 + 1/ r2) где С- поверхностное натяжение расплавленного металла.

Из этой формулы следует, что удержание  ванны облегчается при уменьшении радиуса кривизны проплава, определяющегося  его размерами в поперечном r1 и продольном r2 сечениях. С увеличением ширины и протяженности ванны возрастают радиусы кривизны поверхности жидкого металла в двух взаимно перпендикулярных направлениях. В момент достижения одним из радиусов величины, большей критической, металлостатическое давление расплавленного металла и сила давления дуги превысят силу поверхностного натяжения, удерживающую сварочную ванну. Произойдет разрыв поверхностного слоя в корне шва, и жидкий металл вытечет из ванны, образуя прожог. Особенно часто это наблюдается при сварке металла малой толщины, когда сварочная ванна по ширине значительно превышает толщину свариваемого металла. Наиболее распространенной мерой предупреждения прожогов и обеспечения формирования проплава требуемой формы является правильный выбор сварочных режимов и применение сварочных подкладок.

Параметры режима дуговой сварки и их влияние на форму и размеры сварочной ванны

К основным параметрам дуговой сварки относятся  сила сварочного тока Iсв, напряжение дуги Uд, скорость сварки Vсв. Помимо того, условия сварки зависят от ряда дополнительных факторов: диаметра электрода, рода и полярности тока, положения электрода по отношению к ванне и др.

Сила  сварочного тока в наибольшей степени  определяет тепловую мощность дуги. При  постоянном диаметре электрода с  увеличением силы тока возрастает концентрация тепловой энергии в пятне нагрева, повышается температура газовой  среды столба дуги, стабилизируется  положение активных пятен на электродах. С увеличением силы тока дуги возрастают длина сварочной ванны, ее ширина и особенно глубина проплавления. В определенных пределах изменения силы тока глубина проплавления сварочной ванны может быть оценена зависимостью, близкой к линейной:

Н = k*Iсв, где к - коэффициент, зависящий от рода тока, полярности, диаметра электрода, степени сжатия дуги и др.

С увеличением  напряжения дуги также возрастает тепловая мощность, а следовательно, и размеры ванны. Наиболее интенсивно увеличиваются ширина и длина ванны. При постоянной силе тока повышение напряжения дуги незначительно сказывается на глубине проплавления. Путем медленного уменьшения длины дуги и соответственно напряжения ее можно подойти к процессу сварки погруженной дугой.

Изменение скорости сварки при постоянной тепловой мощности дуги заметно сказывается  на размерах сварочной ванны и  шва. С повышением скорости уменьшаются  глубина проплавления и ширина ванны, а длина несколько увеличивается.

Важным  параметром дуговой сварки является погонная энергия, представляющая отношение  эффективной тепловой мощности дуги к скорости ее перемещения (скорости сварки). Этот параметр является обобщающим по отношению к основным параметрам сварочного режима и может быть представлен  формулой:

Погонная  энергия характеризует тепловложение в сварное соединение и представляет количество тепловой энергии, вводимое на единицу длины однопроходного шва. Этот параметр очень важен для оценки воздействия термического цикла сварки на основной и наплавленный металл шва. При постоянной погонной энергии повышение скорости сварки вызывает увеличение термического КПД процесса, что связано с возрастанием глубины проплавления и уменьшением ширины сварочной ванны.

Дополнительными параметрами, определяющими условия  сварки и особенности горения  дуги, являются диаметр электрода, род  тока и др. Например, при постоянной силе тока диаметр электрода определяет плотность энергии в пятне  нагрева и Подвижность дуги. При  неизменном значении погонной энергии  Можно изменять диаметр электрода, род тока и полярность, использовать колебания электрода или наклон его к поверхности изделия  и др. Эти особенности процесса, в свою очередь, сказываются на формировании ванны и конечных размеров швов.