Влияние различных источников теплоты на нагрев деталей сварочной горелки Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Колмогоров Д. Е.

Рассмотрено влияние различных источников теплоты на детали сварочной горелки (в частности контактный наконечник ) при механизированной сварке в среде защитных газов. Представлена теплоэнергетическая схема

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Колмогоров Д. Е.

Текст научной работы на тему «Влияние различных источников теплоты на нагрев деталей сварочной горелки»

УДК 621.791 Д.Е. Колмогоров

ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛОТЫ НА НАГРЕВ ДЕТАЛЕЙ СВАРОЧНОЙ ГОРЕЛКИ

Рассмотрено влияние различных источников теплоты на детали сварочной горелки (в частности контактный наконечник) при механизированной сварке в среде защитных газов. Представлена теплоэнергетическая схема.

Ключевые слова: Сварка в защитных газах, сварочная горелка, контактный наконечник, источники теплоты, нагрев, приращение температуры.

Сварка в защитных газах плавящимся электродом занимает одно из ведущих мест во всех отраслях промышленности, в том числе при изготовлении и ремонте горношахтного оборудования, как у нас в стране, так и за рубежом. Широкое использование данного способа сварки и необходимость дальнейшего повышения его эффективности повышают требования ко всем узлам сварочных аппаратов, в том числе и к деталям, применяемым в сварочных горелках. Г орелка является наиболее важным узлом сварочного аппарата. В случае сварки плавящимся электродом в горелке закрепляется устройство для подачи электродной проволоки в зону сварки и подвода к ней электрического тока - контактный наконечник

Нагрев контактного наконечника сварочной горелки в процессе сварки вызывает существенные изменения в структуре и свойствах материала, из которого он изготовлен и, как следствие, существенным образом влияет на процесс токопередачи в контакте электродная проволока - наконечник и износ контактной поверхности. Известно, что процессы, протекающие в контактной паре «наконечник - сварочная проволока» существенно влияют на стабильность процесса сварки, потери электродного металла и качество сварного соединения в целом.

Для изучения характера нагрева контактного наконечника в процессе сварки была разработана методика и проведен ряд исследований [1, 2].

Анализ экспериментальных данных позволил описать полученные результаты эмпирическим уравнением вида:

где T - температура заданной точки контактного наконечника, 0С; t

- время от начала процесса сварки, с; а,Ь,с - эмпирические коэффициенты.

Установлено, что при увеличении 1св скорость нагрева, а также максимальная температура наконечника увеличиваются. Температура вдоль оси наконечника распределена неравномерно, вблизи торца она выше. Скорость нагрева точек, находящихся в непосредственной близости от торца наконечника значительно выше скорости нагрева точек удаленных от торца. Это объясняется действием на данном участке нескольких источников теплоты (Рис. 1).

Согласно представленной схеме контактный наконечник в процессе сварки нагревается несколькими источниками теплоты. Общее количество теплоты, получаемое контактным наконечником без теплоотвода в защитный газ и детали сварочной горелки:

где Qi - нагрев контактного наконечника проходящим током; QR -нагрев наконечника теплотой, выделяющейся в контактном сопротивлении; Qбр - нагрев теплотой брызг расплавленного металла сцепляющихся с поверхностью наконечника; Qд - нагрев теплом дуги и сварочной ванны.

Приращение температуры от нагрева наконечника проходящим током без учета теплоотдачи в защитную среду и детали сварочной горелки можно определить по формуле [3]:

где р - удельное сопротивление материала наконечника; 1св - сила сварочного тока; с - удельная теплоемкость материала наконечника; у - плотность материала наконечника; F - площадь поперечного сечения наконечника; t - время действия источника теплоты.

Расчет приращения температуры по формуле (3) для наконечника из меди представлен в табл. 1. Данные, используемые для

расчета: 1св = 250[А]; р = 0,0175-10'б[0м-м]; с = 420[Дж/кгтрад]; у = 8900[кг/м3]; F = 28,26-10"б[м2].

Приращение температуры наконечника от брызг расплавленного металла определяется по формуле [4]:

Q = Qi + QR + Q6p + Qd

Приращение температуры наконечника по формуле (3)

Время сварки, 1, с 20 40 60 80 100 120

Приращение температуры, ДТ, 0С 7,328 14,655 21,983 29,311 36,638 43,966

где су - произведение теплоемкости на плотность материала капли; I - сварочный ток; и - напряжение дуги; п - КПД нагрева электродного металла сварочной дугой; Як - радиус отпечатка капли; а - коэффициент температуропроводности; t - время с момента введения теплоты; г - глубина, на которую распространяется теплота; к - коэффициент сосредоточенности теплового потока капли, равный (3,46Мь)2 ^к - диаметр рассматриваемой капли).

Приращение температуры наконечника по формуле (4)

Время с момента введения теплоты, ^ с 20 40 60 80 100 120

Приращение температуры, ДТ, 0С 14,143 8,202 6,359 5,376 4,742 4,29

Расчет приращения температуры по формуле (4) для наконечника из меди представлен в табл. 2. Данные, используемые для расчета: су = 4,9[Дж/см3трад]; I = 250[А]; и = 26[В]; п = 0,7; Rk = 0,05[см]; а = 0,95[см2/с]; z = 0,5[см]; dk = 0,1[см].

Приращение температуры наконечника от источника теплоты в контактном сопротивлении без учета теплоотдачи приближенно можно рассчитать по формуле нагрева плоским источником теплоты полубесконечного стержня [5]:

где q - мощность источника теплоты; F - площадь поперечного сечения наконечника; а - коэффициент температуропроводности материала наконечника; t - время действия источника теплоты; х -координата по оси наконечника; А - коэффициент теплопроводности для материала наконечника;

Ф(и) = -^ Ге-и^и ; и = Л/ — .

Мощность источника теплоты в контактном сопротивлении наконечник - проволока: q = I2R

где I - ток, проходящий через контакт, R - контактное сопротивление наконечник - сварочная проволока.

Расчет приращения температуры по формуле (5) для наконечника из меди представлен в таблице 3. Данные, используемые для расчета: I = 250[А]; R = 3-10"3[0м][42]; а = 0,95[см2/с]; х = 0,5[см]; F = 28,26^10"2[см2]; X = 3,7[Вт/смтрад].

Рассчитать приращение температуры наконечника от действия источника теплоты, которым является сварочная дуга, достаточно затруднительно. Поскольку необходимо учитывать потерю мощности при теплоотдаче в защитную среду.

Приращение температуры наконечника по формуле (5)

Время сварки, 1, с 20 40 60 80 100 120

Приращение температуры, ДТ, 0С 126,666 165,216 191,369 211,709 228,579 243,109

Однако, сопоставив экспериментальные данные и расчетные для трех источников теплоты, можно предположить, что нагрев наконечника теплотой сварочной дуги составляет приблизительно половину от общего нагрева. Можно считать, что основными источниками нагрева контактного наконечника в процессе сварки являются: нагрев теплотой, выделяющейся в контактном сопротивлении и нагрев теплотой дуги.

Большое влияние на нагрев контактного наконечника оказывает теплота, выделяемая в контактном сопротивлении наконечник -сварочная проволока. В результате износа наконечника контактное сопротивление увеличивается в несколько раз [6], тем самым, увеличивая мощность источника теплоты.

1. Федько В.Т., Колмогоров Д.Е. Методика определения градиента температур в токоподводящем наконечнике при механизированной сварке в СО2 // «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении» Труды II Всероссийской научно-практической конференции. - Филиал ТПУ, Юрга: Изд. ТПУ, 2004. - Т.1.

2. Колмогоров Д.Е., Федько В.Т. Температура нагрева контактного наконечника при механизированной сварке в СО2 // «Материалы и технологии XXI века» Сборник статей III международной научно-технической конференции. - Пенза, 2005. - 313 с. С 179-181.

3. Кочергин К.А. Контактная сварка. - Л.: Машиностроение, 1987. - 240 с.

4. Элементы теории и технологии защиты поверхности от брызг расплавленного металла при сварке в углекислом газе / Федько В.Т., Сапожков С.Б., Соколов П.Д., Ястребов А.П. // Монография. Томск: Изд-во ТГУ, 2004. 138 с.

5. Теория сварочных процессов: учеб. для вузов / Под ред. В.В. Фролова. -М.: Высшая школа, 1988. - 559 с.

6. Чубуков А.А. Сопротивление в контакте наконечник - сварочная проволока при сварке в углекислом газе // Сварочное производство. - 1980. - №12. - С.31-32.111ГЛ

Колмогоров Д.Е. - к.т.н., Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета, г. Юрга,