Тепловые характеристики источников тепла

Лекция 7

Сравнительные характеристики различных

Источников тепла для сварки плавлением

 

Тепловые характеристики источников тепла

 

В процессе работы любой источник тепла, будь то электрическая дуга, плазма, лазер, электронный луч, световой луч, электрошлаковый источник или другой, выделяют тепловую мощность q, которая измеряется в системе SI в Дж/с = Вт, в системе CGS – в кал/с. Однако не вся выделенная источником мощность поглощается нагреваемым телом, часть ее отражается от поверхности, часть расходуется на излучение в окружающую среду, на конвективный теплообмен, разбрызгивание. Тепловая мощность, переданная нагреваемому телу (поглощенная им), называется эффективной тепловой мощностью источника тепла и обозначается символом q_и, Вт.

Эффективность нагрева тела определяется эффективным коэффициентом полезного действия источника тепла , который показывает, какая часть полной мощности источника передана нагреваемому телу. Понятие эффективности применимо также и к процессу нагрева (сварка, наплавка, резка, печной нагрев) поскольку особенности технологии его во многом определяют потери тепла в окружающую среду.

При сварке, наплавке, резке металла поглощенная телом тепловая энергия расходуется на расплавление основного металла, нагрев остальной массы тела за счет теплопроводности, теплоотдачу в окружающую среду. Тепловая мощность, затраченная на расплавление основного металла, называется мощностью плавления и обозначается символом q_п, Вт. Отношение называется термическим коэффициентом полезного действия и показывает, какая часть эффективной тепловой мощности затрачена на расплавление основного металла.

Для того, что бы определить полную эффективность использования источника тепла, необходимо рассчитать отношение , которое называется полным коэффициентом полезного действия и показывает, какая часть полной тепловой мощности источника затрачена на расплавление основного металла.

Полный КПД можно получить также перемножив эффективный и термический коэффициенты

 

Различные источники сварочного тепла характеризуются некото­рыми особенностями, которые определяют эффективность их приме­нения, технологическую гибкость использования для тех или иных сварочных операций.

Так, по степени локализации ввода тепла в свариваемое изделие (в пятно нагрева) различные источники тепла значительно отлича­ются друг от друга. Характер распределения удельного теплового потока, а при использовании некоторых сварочных источников тепла при одинаковом тепловложении в изделие показан на рис. 1.23. Наибольшая локализация ввода тепла может быть создана при на­греве свариваемого изделия лазером 5 и электронным лучом 4. Дуга плавящимся электродом 3 (особенно под флюсом) является также достаточно высоколокализованным источником тепла. Несколько меньшая локализация ввода тепла характерна для нагрева дугой косвенного действия 2, даже при ее обжатии плазмотроном. Наиме­нее локализовано вводится тепло в свариваемое изделие газосварочным пламенем 1. Ввод тепла осуществляется по большой пло­щади (мало локализовано) и при электрошлаковом источнике тепла.

Весьма важными являются и максимальная мощность сварочного источника, максимальный эффективный тепловвод в центре пятна нагрева, а также К.П.Д. использования мощности для нагрева изделия.

Рис. 1.23 - Мощности источников тепла

Сопоставление предельных размеров пятна нагрева (d₀), макси­мального тепловвода в пятно нагрева (q_max) и практически применя­емой мощности тех же источников тепла, что на рис. 1.23, по дан­ным Н. Н. Рыкалина, показано на рис. 1.24.

Рис. 1.24 - Мощности источников тепла

 

Наибольшая максимальная мощность практически достигнута при электрошлаковой сварке 2 (~250 кВт) и электродуговой 3 (~100 кВт). Хорошим диапазоном мощностей (примерно от 1 Вт до 50 кВт) характеризуются электроннолучевые сварочные установки 4, Не­сколько меньшая максимальная мощность (~30 кВт) тока достигается в установке для сварки лазером 5. Максимальная мощность практи­чески применяемого газосварочного пламени 1 ограничивается ~10 кВт.

По полезному использованию мощности источника энергии (по эффективному вводу тепла в свариваемое изделие) наиболее высо­ким значением к. п. д. характеризуются электронный луч, свароч­ная дуга, а при металле большой толщины – электрошлаковый источ­ник сварочного тепла. Значительно менее эффективно использова­ние мощности лазера и газосварочного пламени.

Важной характеристикой сварочных источников тепла является их технологическая гибкость, маневренность. Некоторые источники сварочного тепла не могут обеспечить нагрева металла без его рас­плавления даже в тех случаях, когда это было бы полезно, напри­мер, при наплавке специальных сплавов. Так, электрическая дуга при плавящемся электроде нагрев металла всегда сопровождает плав­лением. В этом случае отделить нагрев от плавления не удается. Труднее, но возможно, осуществлять нагрев без расплавления металла дугой при неплавящемся электроде. Обычно в этом случае приходится ограничивать тепло­вую мощность дуги, а следователь­но, и производительность нагрева.

Газосварочное пламя, в частно­сти ацетиленокислородное, легко может обеспечить прогрев металла без его расплавления регулиро­ванием не только мощности, но и расстояния от горелки до нагре­ваемого металла.

Процесс нагрева без расплавле­ния позволяет осуществлять и электронный луч посредством его расфокусировки, т. е. посредством бомбардировки большей площади лучом такой же мощности. Однако электронный луч требует применения специальных камер, в кото­рых должен быть создан соответствующий вакуум. Манипулиро­вание воздействием источника тепла в этом случае должно осуществ­ляться на расстоянии, дистанционно. Это приводит к усложнению нагрева и сварки изделий больших размеров. Кроме того, примене­ние высоких напряжений приводит к излучению вне камеры жест­ких лучей типа рентгеновских. Облучение рабочего персонала такими лучами при соответствующей длительности и интенсивности явля­ется недопустимым. Поэтому без утолщения стенок камер в целях обеспечения радиационной защиты рекомендуется ограничивать верх­ние значения напряжения. При более высоких напряжениях конст­рукция камеры должна учитывать и радиационную защиту.

Электрошлаковый источник тепла не может обеспечить ввода в свариваемое изделие небольшой тепловой мощности. Для обеспе­чения необходимой электропроводности расплавленного шлака его количество должно быть достаточно значительным; для поддержания такого количества шлака в расплавленном состоянии вводимая элек­трическая мощность должна быть достаточно большой, а следова­тельно, и изделия, подвергающиеся электрошлаковой сварке, не могут быть небольшими.

В связи с комплексом рассмотренных характеристик источников тепла более удобными для изготовления разнообразных сварных конструкций являются электрическая дуга и в меньшей степени газосварочное пламя. Менее универсальными являются другие источники тепла, хотя каждый из них в специфических условиях может оказаться наиболее целесообразным для использования при изготовлении тех или иных сварных изделий.