Расчет температуры сварочной дуги при многодуговой сварке

УДК 621.791.01

РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРЫ СВАРОЧНОЙ ДУГИ ПРИ МНОГОДУГОВОЙ СВАРКЕ

А.М. Уланов, М.А. Иванов

Разработана новая математическая модель для расчета температуры каждой дуги при многодуговой сварке на основании закона сохранения энергии. Она интегрирована в предыдущие модели по расчету режима многодуговой сварки. Выполнен проверочный расчет для трехдуговой сварки.

Ключевые слова: сварка, температура сварки, дуга, многодуговая сварка.

Расчетами температуры сварочной дуги занимались многие исследователи [1]. Их подходы основаны на расчете теплосодержания сварочной капли для однодуговой сварки.

В данной работе предлагается развитие системы расчета температуры сварочной дуги для многодуговой сварки, независимо от количества дуг. В основу расчета положен принцип сохранения энергии. Вся энергия от источника питания расходуется на нагрев сварочной проволоки, ее переход в жидкое состояние и на перегрев выше температуры ликвидус. Для упрощения расчета различные потери тепла не учитывались. При необходимости их можно ввести в исходные уравнения.

Таким образом, необходимо составить энергетический баланс плавления сварочного электрода. Мощность, расходуемая на перегрев расплавленного металла (Кперегрев), находится по выражению

W = W - W - W

перегрев ист тв скр

где Wист - мощность на одной конкретной сварочной дуге от источника питания при многодуговой сварке, которая зависит от режима сварки, Вт; Wтв - мощность, расходуемая на нагрев металла до температуры плавления, Вт; Wскр - мощность,

расходуемая на скрытую теплоту плавления, Вт.

Для упрощения расчетов принимаем коэффициент теплоемкости постоянным во всем интервале температур, так как нахождение этого коэффициента в высокотемпературной зоне проблематично.

Мощность, расходуемую на перегрев металла сверх температуры плавления, найдем по формуле

W

(Тсв - Тпл )M^С

где Тсв, Тпл - температуры процесса сварки и плавления металла соответственно, °С; Мме -масса расплавленного металла, кг; С - коэффициент теплоемкости металла сварочной проволоки, Дж/кг°С; тсв - продолжительность сварки, с.

Мощность источника питания находится:

Кист = /свисвЛ ,

где /св - сварочный ток, А; исв - напряжение на дуге, В; л - КПД процесса сварки.

Мощность, расходуемую на нагрев металла до температуры плавления, найдем по формуле

W =

(Тпл - To )Mш£

где Тпл , Т0 - температура плавления и начальная температура сварочной проволоки, °С.

Мощность, расходуемую на скрытую теплоту плавления, найдем по формуле

W =

скр

&кр M ме

где Q - скрытая теплота превращения, Дж/кг.

Подставив в выражение (1) формулы (2)-(5), получим

(Тсв - Тпл )MтеС_

= 1свисв'Л -

(Тпл - То)M^C eCKpM

Решив уравнение (6) для температуры сварки, получим

гр _ гр , -^свисв^тсв биф

= То + ,, ^ c

M меС

При расчетах температур сварочных дуг удобно использовать погонную энергию сварки. Для этого воспользуемся формулой расчета погонной энергии сварки [1]:

1 сви свл

к

где ¥св - скорость сварки, м/с.

Выражая мощность, получим

1свисвЛ = бпоЛв .

Далее найдем массу металла по выражению

M ме =рксвров =

р^^прКпп тсв

4

где р - плотность сварочной проволоки, кг/м3; Vrъ - объем расплавленной сварочной проволо-

т

т

т

т

X

X

ки, м ; dпр - диаметр сварочной проволоки, м; ¥пп - скорость подачи проволоки, м/с.

Скорость подачи проволоки определяется из [1]:

V Fд

V _ св нап

где -™п _-

- d 2 4 Япр

F

- площадь наплавки металла от

3 т--

однои дуги, м ; ^нап - площадь наплавленного

2

металла, м ; п - количество сварочных дуг, шт.

Подставляя выражения (9)-(11) в (7), после преобразования получим

Qп

Qс,

ррдс с

Проведем расчет температуры сварочных дуг в зависимости от режима трехдуговой сварки.

Заданная геометрия разделки сварного соединения С17 под флюсом, выполненного по ГОСТ 16037-80, приведена на рисунке и в табл. 1. Для данной разделки проведен расчет режимов сварки по методике [2] (табл. 2). Принят диаметр сварочной проволоки 4 мм. Зная площадь наплавленного металла и режим сварки, представляется возможность провести расчет температуры каждой дуги (табл. 3).

Расчетная схема определения площади наплавленного металла

Таким образом, на основании положении теории сварочных процессов была разработана математическая модель для расчета температуры каж-дои из дуг многодуговои сварки. Представлен проверочный расчет для трехдуговой сварки. Хорошо видно, что несмотря на разную геометрию сварного шва, режимы сварки, температура дуг находится в пределах погрешности вычислений. Это говорит о высокой точности полученной математической модели, нет перекосов ни в сторону неоправданного роста температуры, ни ее снижения. Однако необходимо иметь в виду, что в реальный процесс сварки обязательно входят различные потери энергии, подробному изучению которых необходимо посвятить отдельную статью.

Таблица 1

Геометрические параметры сварного соединения из рис. 1

п

№ сварного соединения s, мм а, мм Ь, мм с, мм h, мм

1 7 3 15 2 6

2 7 1 12 1,5 5,5

3 12 4 22 3 11

4 12 1 18 2 10,5

Таблица 2

Параметры режима сварки

№ сварного соединения и св1, В 1св2 , А исв2, В ^свЭ, А исв3 , В ^ , см/с

1 658 32,2 592 32 533 31,8 3,5

2 407 27,1 366 27,1 330 26,9 3,5

3 936 37,7 843 37,5 759 37,2 2,3

4 643 31,9 579 31,7 521 31,5 2,3

Таблица 3

Температура на дуге

№ сварного соединения Температура 1-й дуги, °С Температура 2-й дуги, °С Температура 3-й дуги, °С 7—г 2 -^ап , см

1 4777 4229 3742 0,649

2 4760 4240 3753 0,339

3 4770 4232 3737 1,647

4 4778 4233 3743 0,956

94

Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия»

Уланов A.M., Иванов M.A.

Расчет температуры сварочной дуги при многодуговой сварке

Литература

1. Рыкалин, Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке /Н.Н. Рыкалин. - М.: Машгиз, 1951. -296 с.

2. Иванов, М.А. Теоретический подход к рас-

чету режима трехдуговой сварки под флюсом стыкового соединения деталей тележки рельсового транспорта / М.А. Иванов, А.М. Уланов, Ю.В. Безганс //Вестник ЮУрГУ. Сер. «Металлургия». - 2013. - Т. 13, № 1. - С. 146-149.

Уланов Алексей Михайлович, аспирант кафедры оборудования и технологии сварочного производства, Южно-Уральский государственный университет (г. Челябинск); uam87@yandex.ru.

Иванов Михаил Александрович, канд. техн. наук, доцент кафедры оборудования и технологии сварочного производства, Южно-Уральский государственный университет (г. Челябинск); ivanovma@susu.ac.ru.

Поступила в редакцию 3 марта 2014 г.

Bulletin of the South Ural State University

Series “Metallurgy" ______________2014, vol. 14, no. 1, pp. 93-95

CALCULATION OF THE WELDING ARC TEMPERATURE IN MULTIARC WELDING

A.M. Ulanov, South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation, uam87@yandex. ru,

M.A. Ivanov, South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation, ivanovma@susu.ac.ru

A new mathematical model to calculate the temperature of each welding arc in a multiarc welding has been worked out using the law of conservation of energy. The model is integrated into the previously developed ones simulated for the calculation of multiarc welding. It was validated by test calculations made for the three-arc welding.

Keywords: welding, welding temperature, welding arc, multiarc welding.

References

1. Rykalin N.N. Raschety teplovykh protsessov pri svarke [Calculations of Thermal Processes in Welding]. Moscow, Mashgiz Publ., 1951. 296 p.

2. Ivanov M.A., Ulanov A.M., Bezgans Yu.V. [Theoretical Approach to the Calculation of Three-Arc Submerged Arc Welding Mode of Butt Joints of Rail Transport Trolley Parts]. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Metallurgy, 2013, vol. 13, no. 1, pp. 146-149.

Received 3 March 2014