6.2. Нагрев и плавление присадочного металла

Нагрев присадочного металла

Термические циклы в присадочном металле не имеют самостоятельного значения, так как в конечном итоге присадочный металл подвергается переплавке. Изучение нагрева присадочного металла и распределения температур позволяет оценить условия, в которых происходит его плавление. Для электродов, содержащих в своем составе покрытия, исследование процесса нагрева важно для определения возможной потери прочности и разрушения покрытия вследствие его подплавления.

Все случаи нагрева присадочного металла (электрода) можно в основном разделить на две схемы:

1. Присадочный стержень (электрод) имеет конечную длину. При этом место токоподвода относительно электрода не перемещается.

2. Присадочный стержень (электрод) бесконечен. При этом электрод перемещается относительно места токоподвода (если таковое имеется).

К первой схеме нагрева относятся ручная дуговая сварка плавящимся электродом, электрошлаковая сварка пластинами, электрошлаковый переплав, электрошлаковая сварка плавящимся мундштуком (по отношению к мундштуку), ручная газовая сварка с присадкой, сварка неплавящимся электродом (по отношению к вольфрамовому или угольному электроду).

Ко второй схеме нагрева относятся автоматическая и полуавтоматическая сварка плавящимся электродом (под флюсом, в среде защитных газов), электрошлаковая сварка проволоками, электрошлаковая сварка плавящимся мундштуком (по отношению к проволокам), сварка неплавящимся электродом с подачей присадочной проволоки в зону дуги (по отношению к присадочной проволоке).

Первая схема нагрева

В общем случае (рис. 6.14, а, б) электрод конечной длины имеет в точке А токоподвод; по электроду протекает ток, который его подогревает; в точке О электрод дополнительно нагревается источником теплоты (дугой или шлаком) и плавится. В частных случаях по электроду ток может не протекать (газовая сварка) или электрод может не плавиться (вольфрамовый, угольный электроды).

Рассмотрим отдельно нагрев электрода от протекающего тока и от источника теплоты, действующего в точке О на конце электрода.

Уравнение теплового баланса нагрева стержня проходящим током для единицы длины стержня имеет следующий вид:

dQ = dQ_j - dQ_α. (6.32)

Рис. 6.14. Схемы нагрева электрода конечной длины: а – нагрев при ручной дуговой сварке; б – нагрев при электрошлаковой сварке пластинами; в – сечение вдоль оси электрода с покрытием

Левая часть уравнения представляет собой накопление теплоты в электроде сечением F_Э в единицу времени

dQ = cρ∙F_э∙dT_T/dτ. (6.33)

Первый член правой части выражает количество теплоты, выделяемой током плотностью j в стержне с удельным сопротивлением ρ_r и сечением F:

dQ_j = ρ_r∙j²∙F. (6.34)

Второй член правой части представляет собой количество теплоты отдаваемой с поверхности стержня периметром p в окружающее пространство с температурой Т_с:

dQ_α = α(T_т – T_c)p, (6.35)

где Т_Т=Т_И + ΔТ_Т;

Т_H – начальная температура стержня;

ΔТ_Т – приращение температуры в стержне от нагрева током.

Решение дифференциального уравнения (6.32) при подстановке в него формул (6.33)...(6.35), если принять коэффициенты сρ, ρ_r, и α не зависящими от температуры, может оказаться неточным при изменении температуры в широких пределах. Эти коэффициенты следует считать зависящими от температуры, а решение уравнения (6.32) проводить численными методами на ЭВМ. Значение сρ в формуле (6.33) выражает среднюю теплоемкость металлического стержня и покрытия в расчете на общее поперечное сечение электрода F_э=πd₃²/4 (рис. 6.14, в).

Удельное сопротивление ρ_r металлов возрастает с температурой (рис.6.15), причем существенно зависит от марки стали. Значение F соответствует площади πd₁²/4 (рис. 6.14, в).

Для тонких стержней, к которым относятся сварочные электроды, роль теплоотдачи довольно велика. Коэффициент α в выражении (6.35) следует принимать зависящим от температуры. Периметр стержня измеряют по наружному диаметру обмазки (см. рис. 6.14, в): p=πd₃.

Точность определения температуры по уравнению (6.32) зависит от точности задания численных значений сρ, ρ_r , и α в функции температуры.

Рис. 6.15. Зависимость удельного сопротивления стали от температуры: НУ – низкоуглеродистая; ВМ – высокомарганцовистая; КМ – кремнемарганцовистая; А – аустенитная

Вычисления и экспериментальные данные показывают, что скорость нагрева электрода существенно зависит от удельного сопротивления материала стержня. Стержни из аустенитной стали при температурах до 900К имеют значительно большее ρ_r, чем из низкоуглеродистой (см. рис. 6.15), поэтому стержни из аустенитной стали нагреваются значительно быстрее (рис. 6.16, б), чем из низкоуглеродистой (рис. 6.16,а).

Рис. 6.16. Нагрев электрода с покрытием: а – материал стержня проволоки Ø 6 мм из низкоуглеродистой стали (0,15 % С); б – проволока Ø 6,2 мм из аустенитной хромоникилевой стали (25 % Cr, 12 % Ni)

Однако темп роста температуры при повышенных ее значениях в первых замедляется, так как ρ_r возрастает медленнее, чем теплоотдача в воздух. Хотя стержни из низкоуглеродистой стали нагреваются медленнее аустенитных, но скорость их нагрева непрерывно возрастает вследствие значительного возрастания ρ_r. Чем выше плотность протекающего тока, тем выше температура нагрева. Тонкие электроды вследствие повышенной теплоотдачи нагреваются медленнее, чем толстые, если плотности тока одинаковы.

Помимо нагрева проходящим током электрод нагревается источником теплоты в точке О (см. рис. 6.14). Если электрод плавящийся, то температура на конце электрода равна температуре капель Т_к. Источник в точке О можно рассматривать как движущийся со скоростью плавления электрода ω. Используя уравнение предельного состояния процесса распространения теплоты от движущегося плоского источника теплоты в стержне в области впереди источника (6.33) при b = 0, получаем распределение температур в стержне от нагрева источником теплоты в точке О:

Т – Т_H - ΔТ_Т =(T_к - T_н - ΔТ_Т)е^{-ω∙x /a}, (6.36)

где x – расстояние от торца электрода, температура конца которого равна температуре капель T_к; ω – скорость плавления электрода; ΔТ_Т – приращение температуры от подогрева электродного стержня током.

В уравнении (6.36) вместо мощности q задана температура торца T_к за вычетом приращения температуры от подогрева током ΔТ_Т и начальной температуры Т_H. На рис. 6.17 представлено распределение полной температуры Т. Дуга нагревает небольшую область у самого конца электрода, так как вследствие большой скорости плавления теплота не успевает распространиться по стержню (рис. 6.17, а, б). При электрошлаковой сварке (пластинами или плавящимся мундштуком) теплота от шлака распространяется значительно дальше (рис. 6.17, в).

Рис. 6.17. Распределение температуры вдоль электрода: а – при ручной сварке и малом времени нагрева t₁; б – при ручной сварке и значительном времени нагрева t₂; в – при электрошлаковой сварке пластинами

Вторая схема нагрева

При автоматической подаче электродная проволока при дуговой сварке нагревается также двумя источниками теплоты – проходящим током и дугой (рис. 6.18,а). Длина нагреваемой части остается постоянной и равной вылету электрода l. Можно считать, что проволоку нагревают два движущихся источника теплоты: распределенный q_Т и сосредоточенный q (рис. 6.18,6), причем температура в точке О равна температуре капель Т_k.

Рис. 6.18. Нагрев электродной проволоки при автоматической подаче: а – распределение температур при дуговой сварке; б – схема движения источников теплоты при дуговой сварке; в – распределение температур при электрошлаковой сварке проволоками; г – схема движения источников теплоты при электрошлаковой сварке проволоками

Скорость подачи проволоки обычно настолько значительна, что теплота от распределенного источника q_Т почти не успевает распространиться в направлении х и приращение температуры от нагрева током может быть представлено как линейная зависимость

ΔТ_Т = ΔТ_Tmax(l - x)/l. (6.37)

Значение ΔТ_Tmax можно определять по уравнению (6.33) численно или приближенно. Время нагрева τ принимают равным l/ω.

Приращение температуры от подогрева дугой определяют аналогично уравнению (6.37):

ΔТ_д = T – Т_н – ΔТ_т = (Т_к – Т_н – ΔТ_{т max})e^{-ω∙x / a}. (6.38)

При электрошлаковой сварке проволоками (рис. 6.18, в) электрод на участке «сухого» вылета подогревается проходящим током в соответствии с уравнением (6.37) при l=l_с, а на шлаковом участке — током и шлаком. Можно считать, что стержень нагревают два распределенных движущихся источника теплоты (рис. 6.18, г). Температура на конце электрода равна температуре шлака Т_ш. Распределение температур примерно описывается двумя прямыми линиями: на участке l_ш уравнением

Т=(Т_ш - Т_н - ΔT_{т mах}) (1_ш - x)/1_Ш + ΔТ_{т max} + T_н, (6.39)

а на участке от x=l_ш до х = l_ш + l_с - уравнением (6.37), если принять l=l_c, а х отсчитывать от точки l_ш.