Нагрівання металу дугою
Інтенсивність нагріву металу дугою визначається в першу чергу потужністю дуги, але вона залежить і від ряду інших факторів, як рід і полярність струму, матеріал електрода, розташування дуги по відношенню до металу, ступінь захищеності дуги від теплових втрат, атмосфера дуги і т. Д. Не вся потужність дуги використовується для нагріву металу, - неминучі втрати потужності на випромінювання, конвективний теплообмін з навколишнім середовищем, втрати разом з испаряющимся і розбризкує металом, на нагрів шлаків і т. д.
Тому нагрівання електрода і підвищення його температури йде не пропорційно часу, а швидше, скорочується температурний інтервал нагріву до розплавлення, швидкість плавлення електрода зростає, незважаючи на сталість тепловиділення на кінці електрода. Значне прискорення плавлення електрода небажано, так як порушується нормальне співвідношення між кількостями розплавленого основного і електродного металу і правильне формування зварного шва.
Надмірне прискорення плавлення електрода до кінця його використання є одним з факторів, що обмежують збільшення струму для даного електрода. Вважається, що швидкість плавлення електрода в кінці і на початку повинна розрізнятися не більше ніж на 10-20%. Рівномірності плавлення електрода сприяє товсте покриття електрода, воно не проводить струму, не нагрівається джоулевим теплом і охолоджує стрижень електрода, не даючи йому розігріватися. Значно складніше процес нагріву дугою зварюється. Тут підсумовуються безпосередній вплив дуги на основний метал і перенесення тепла з електрода разом з краплями електродного металу. Для можливості проведення розрахунків і створення загальної картини процесу вдаються до спрощених моделей.
1. нагрівається метал приймаємо за напівнескінченне тіло; його товщина значно перевищує глибину розплавлювання.
2. Джерело тепла вважаємо точковим; це допустимо при розгляді нагріву в точках, що знаходяться від джерела тепла на відстанях, значно перевищують радіус плями нагріву.
3. Припускаємо, що джерело тепла - постійно діючий з постійною тепловою потужністю.
Процес нагріву і розподіл температур змінюються при рухомому джерелі тепла. Покладемо, джерело тепла переміщається прямолінійно і рівномірно по осі ОХ; з'ясуємо розподіл температур по осі ОХ і по осі OY. Систему координат приймемо рухомий, що рухається разом з джерелом тепла, що знаходяться на початку осей координат в точці О. Рухоме температурне поле, що рухається разом з джерелом, поступово приходить до граничного стану, званому квазі-стаціонарним.
Мал. 1. Розподіл температур
Мал. 2. Ізотермічні лінії
Ізотерма з температурою плавлення металу окреслює контур зварювальної ванни, але лише приблизно, оскільки схема точкового джерела стає неточною на малих відстанях від джерела. На рис. 3 показано температурне поле рухомого джерела нагріву в граничному стані за розрахунками Н. Н. Рикалін. Розрахунки проведені для пластини з низьковуглецевої сталі товщиною 1 см. На рис. 3 а показаний випадок постійної теплової потужності джерела нагрівання q = 1000 кал /сек і змінної швидкості переміщення джерела.
Зі збільшенням швидкості переміщення ізотерми витягуються у напрямку руху, що нагрівається область зменшується. На рис. 3 б швидкість переміщення постійна v = 05 см /сек, змінюється теплова потужність джерела; з її збільшенням розширюється нагрівається область, ізотерми згущуються. На рис. 3 в змінюються q і v, але залишається постійною погонне теплова потужність q /v. З підвищенням q і у ізотерми згущуються і витягуються у напрямку руху.
Мал. 3. Температурне поле рухомого джерела
Для вивчення процесів нагріву в точках, близьких до джерела, і особливостей самого джерела необхідно переходити до моделі розподіленого джерела, в якому питома теплова потужність розподілена по відомому закону.
Рис.4. Розподіл питомої теплового потоку по плямі нагріву
Чим більше А, тим швидше падає питома тепловий потік з видаленням від центру плями і тим менше радіус нятно (т. Е. Відстань, на якому ще помітний питома тепловий потік, напри-заходів qr = 005 qmax), тим гостріше крива, зображає qr. На Рис. 4 показано розподіл питомої теплового потоку по плямі нагріву при одному і тому ж максимальному питомій потоці 9шах, але при різних коефіцієнтах зосередженості А.
Мал. 5. Нормально круговий і еквівалентну йому за потужністю рівномірний розподіл питомої теплового потоку