Не все тепло, выделяемое дугой (или током, проходящим через шлаковую ванну при электрошлаковой сварке), используется эффективно, часть его неизбежно расходуется непроизводительно.
Производительность сварки зависит от полезной, так называемой эффективной мощности дуги (или при электрошлаковой сварке — эффективной мощности электрошлакового процесса).
Эффективная тепловая мощность электрической дуги и электрошлакового процесса — это количество тепла, введенное в свариваемое изделие дугой (или током, проходящим через шлаковую ванну), в единицу времени.
При дуговой сварке эффективная тепловая мощность дуги включает тепло непосредственно выделяющееся в анодном и катодном пятнах электрода и свариваемого изделия; вводимое в изделие столбом дуги благодаря теплообмену; поступающее в ванну с каплями расплавленного электродного металла, а также с расплавленным флюсом или электродным покрытием.
При электрошлаковой сварке эффективная мощность процесса включает тепло передающееся шлаковой ванной изделию, электроду и металлической ванне; вводимое в зону сварки вместе с электродом, предварительно нагретым проходящим по нему током, лучевым и конвекционным теплом, излучаемым шлаковой ванной; передающееся кромкам свариваемого изделия шлаковой ванной благодаря излучению тепла и конвекции*.
* Конвекция — перенос тепла, обусловленный перемещением масс газа (или жидкости) под влиянием разницы температур в различных частях газа (или жидкости), например при нагревании жидкости снизу.
Эффективная тепловая мощность при дуговой и электрошлаковой сварке меньше полной тепловой мощности этих процессов. Разность между ними и составляет непроизводительные потери тепла.
При дуговой сварке тепло непроизводительно расходуется на нагрев неплавящегося электрода (угольного, вольфрамового), на теплоотдачу в окружающую среду на нагрев разбрызгиваемого электродного металла и покрытия (при сварке открытой дугой), на нагрев массы свариваемого изделия и на плавление флюса.
При электрошлаковой сварке непроизводительные потери тепла включают потери на нагрев медных ползунов и на теплоотдачу в окружающую среду, в том числе в массу свариваемого изделия.
Эффективную тепловую мощность можно определить по формуле
где η — эффективный к.п.д. нагрева изделия, который представляет отношение эффективной мощности дуги (или электрошлакового процесса) к полной тепловой мощности.
Эффективный к.п.д. зависит от способа сварки, материала электрода, состава покрытия электродов и флюса, а также от некоторых других факторов.
Так, например, при сварке открытой дугой угольным и вольфрамовым электродами и при сварке металлическим электродом с ионизирующим покрытием эффективный к.п.д. в среднем составляет 0,60; при ручной сварке толстопокрытыми электродами он значительно выше и составляет 0,75; при сварке под флюсом достигает 0,80 и при электрошлаковой сварке — 0,70.
Эффективный к.п.д. определяется тепловым балансом процесса сварки, т. е. характером распределения полной тепловой мощности, выделяемой током при различных способах и условиях сварки.
При электрошлаковой сварке много тепла расходуется вследствие отвода его медными ползунами (табл. 1) и в массу свариваемого металла. Следует, однако, отметить, что, несмотря на повышенный теплоотвод в основной металл и в ползуны, электрошлаковый процесс требует значительно меньшего расхода электроэнергии на 1 пог. м, шва, чем дуговая сварка под флюсом.
Это обусловливается возможностью уменьшения объема наплавляемого металла за счет сварки без разделки кромок с обязательным зазором. В отдельных случаях (особенно при сварке закаливающихся сталей) тепло, расходуемое на отвод тепла в массу свариваемого металла, не является бесполезно потерянным, так как оно вызывает предварительный и сопутствующий подогрев основного металла.
Таблица 1. Распределение затрачиваемого тепла при сварке плавлением.
Расход тепла | Затраты тепла, % при сварке | ||
открытой дугой покрытым электродом | под флюсом | электрошлаковым способом | |
Поглощение основным металлом | 50 | 54 | 49,1 |
На плавление электрода, перешедшего в сварной шов | 25 | 27 | 23,6 |
На плавление флюса | — | 18 | — |
На рассеивание в окружающую среду. | 20 | — | 1,2 |
На разбрызгивание | 5 | 1 | - |
На нагрев ползунов | - | - | 15,6 |
На перегрев металлической и шлаковой ванн | — | — | 10,5 |
Характер распространения тепла и распределения температур в изделии зависит от погонной энергии сварки и от физических свойств свариваемого металла.
Погонная энергия сварки представляет собой количество тепла в калориях, которое расходуется дугой на один сантиметр длины однопроходного сварного шва или валика.
Знание значения погонной энергии важно для оценки влияния воздействия термического цикла сварки на основной и наплавленный металл.
Погонная энергия зависит от эффективной мощности дуги и от скорости сварки и выражается отношением:
где η — эффективный к.п.д. нагрева изделия дугой.
Установлено, что при дуговой сварке плавящимся электродом погонная энергия находится в прямой зависимости от площади поперечного сечения однопроходного шва:
где q — плотность металла шва, г/см3;
ан— коэффициент наплавки, г/А-ч;
F — площадь поперечного сечения шва, см2.
Для дуговой (ручной и автоматической) сварки в среднем принимают:
Эта зависимость позволяет без длительных расчетов определять по погонной энергии сечение шва, и наоборот.
Для оценки влияния сварочного нагрева на основной металл необходимо знать температуры металла на участках сварного соединения, различно удаленных от шва, в момент прохождения дуги.
Определение температур возможно на основе теории распространения тепла при сварке. Температуру точки, находящейся на поверхности свариваемого изделия на каком-то расстоянии от дуги, можно определить из уравнения: (5)
где е≈2,7; π = 3,14; q — эффективная мощность дуги кал/с; v — скорость сварки, см/с; λ — коэффициент теплопроводности металла, кал/смХс-град; а = λ/схр - коэффициент температуропроводности, см2/с; с — теплоемкость свариваемого металла, кал/гХ град; р — плотность свариваемго металла, г/см3; R — расстояние данной точки от дуги, см.
Теплофизические свойства некоторых металлов приведены в табл. 2.
Если же скорость сварки равна нулю, т. е. дуга неподвижна (например, при сварке электрозаклепками или приварке шпилек специальным пистолетом), уравнение температур точек примет вид: (6)