Моделирование тепловых процессов при наплавке порошковой проволокой (стр. 2 из 17)
В связи с высокой стоимостью порошковой проволоки является актуальным проведение комплексных теоретических и экспериментальных исследований, направленных на развитие методов расчета, уточнение исходных данных, решение оптимизационных задач и, как следствие, на совершенствование технологических режимов наплавки. Для этого необходимо изучить процессы, происходящие при наплавке, установить закономерности нагрева оболочки и сердечника, выявить факторы, влияющие не неравномерность нагрева, проанализировать результаты. Разработанный программно-методический комплекс значительно упрощает выполнение этих задач.
1. Анализ состояния вопроса и постановка задачи
1.1 Тепловые процессы при наплавке порошковой проволокой
В процессе сварки порошковая проволока проходит стадии нагрева и плавления, сопровождающиеся окислением железа и легирующих элементов, разложением органических материалов, карбонатов и фторидов, комплексообразованием и пр. Развитие этих процессов в сердечнике оказывает существенное влияние на взаимодействие расплавленного металла с газами и шлаком и во многом определяет технологические показатели сварки [2]. Исследованию характера плавления порошковой проволоки посвящено значительное число работ [3-8], однако вопросы управления этим процессом изучены недостаточно.
Определяющее влияние на характер плавления порошковой проволоки оказывает соотношение скоростей плавления оболочки и сердечника, которое определяется тепловым состоянием системы "оболочка-сердечник".
В процессе сварки нагрев и плавление сердечника проволоки происходит за счет тепла, поглощаемого сердечником от излучения сварочной дуги Qu и, теплопередачи от расплавленной капли металла Qk, тепла, полученного сердечником путем теплопередачи от оболочки, нагретой протекающим по ней током, Qоб, тепла, выделяемого в сердечнике от прохождения части сварочного тока (тока шунтирования) Qш, тепла экзотермических реакций на плавящемся торце проволоки Qэ. Кроме того, часть тепла Qб уходит на охлаждение проволоки путем теплоотдачи с боковой поверхности в окружающую среду. Т. е. можно записать, что:
. (1.1)Это тепло расходуется на нагрев и плавление компонентов сердечника:
, (1.2)где Vc - скорость плавления сердечника порошковой проволоки;
- теплоемкость i-го компонента шихты сердечника; 
- температура плавления i-го компонента шихты сердечника; 
- концентрация i-го компонента шихты сердечника.Если
, то обеспечивается равенство скоростей плавления оболочки и сердечника. Однако на практике чаще всего 
< 
, то есть имеет место отставание плавления сердечника от оболочки. Оболочка правится быстрее, а сердечник может поступать в сварочную ванну, минуя стадию капли. Такой характер плавления и перехода электродного металла объясняется нерациональной конструкцией и составом сердечника порошковой проволоки [9], а также большим электрическим сопротивлением на границе оболочка-сердечник [10].Наиболее распространенные способы управления величиной отставания связаны с подбором состава наполнителя порошковой проволоки [11]. Однако для наплавочных самозащитных порошковых проволок варьирование состава ограничено необходимостью получения легированного наплавленного металла, соответствующей газошлаковой защиты и удовлетворительных технологических свойств образующегося шлака.
Таким образом, наше влияние на конечный результат, определяемый выражением для
, весьма ограничено. Поэтому рассмотрим составляющие уравнения для с точки зрения управляемости процессом плавления сердечника. Неравномерность плавления оболочки и сердечника порошковой проволоки непосредственно зависит от распределения сварочного тока между оболочкой и сердечником. Электросопротивление сердечника в 3000 раз больше, чем электросопротивление металла оболочки [12], поэтому проводимость шихты сердечника составляет обычно 3,5-4% от проводимости оболочки порошковой проволоки. Следовательно, сварочный ток протекает практически по оболочке порошковой проволоки, а плотность тока в порошковой проволоке можно рассчитывать по сечению оболочки.Площадь оболочки S в поперечном сечении составляет обычно 2 - 5 мм2. Расчет показывает, что и процессе сварки оболочка порошковых проволок на вылете может нагреваться до температур примерно 1000 °С
В некоторых случаях отставания плавления сердечника от оболочки порошковой проволоки планируют специально, например, когда необходимо поступление легирующих составляющих в наплавленный металл в нерасплавленном состоянии. Для этого с целью ухудшения теплопередачи между сердечником и оболочкой проволоки помещают теплоизолирующую прослойку толщиной 0,1-0,2 мм с низкой теплопроводностью.
В основу расчета теплового баланса нагрева вылета порошковой проволоки положена расчетная схема Н.Н. Рыкалина [13], в которой учтены некоторые особенности теплового состояния, характерные для порошковой проволоки:
Электрическое сопротивление шихты сердечника намного больше сопротивления оболочки порошковой проволоки.
Сварочный ток проходит в основном через оболочки проволоки, поэтому плотность тока в порошковой проволоке можно считать по сечению оболочки.
При прохождении сварочного тока по порошковой проволоке все тепло выделяется в ее оболочке.
Выделившееся тепло идет на нагрев оболочки проволоки, сердечника и частично теряется через боковую поверхность порошковой проволоки путем теплоотдачи в окружающую среду.
Поскольку нас интересует нагрев порошковой проволоки сварочным током на вылете, а составляющие теплового баланса Qu, Qk, Qэ оказывают влияние на нагрев сердечника только на заключительной стадии плавления порошковой проволоки (на участке вылета длиной 3-5 мм в области дуги), где температура сердечника приближается к температуре плавления компонентов шихты, то при расчете уравнения теплового баланса мы их учитывать не будем.
Итак, выделим элементарный участок порошковой проволоки длиной
, находящийся на расстоянии 
от токоподвода. Тогда тепловой баланс нагрева участка порошковой проволоки сварочным током с учетом принятых допущений выразится уравнением: 
, (1.3)где
- джоулево тепло, выделившееся в оболочке на данном участке вылета; 
- приращение теплосодержания оболочки проволоки; 
- приращение теплосодержания сердечника порошковой проволоки; 
- приращение теплосодержания изолирующей прослойки; 
- теплоотдача с боковой поверхности данного участка вылета в окружающую среду.Слагаемые правой части уравнения (1.3) различаются по величине. Максимальной величиной обладает член
, поскольку источник теплоты находится именно в оболочке. Величины и пропорциональны коэффициентам теплопередачи соответственно в сердечник и в окружающую среду.При прохождении тока в элементе
оболочки вылета за время 
выделится теплота: 
, (1.4)где I - ток наплавки, А;
- удельное сопротивление материала оболочки, Ом*м;S0 - площадь поперечного сечения оболочки порошковой проволоки, м2.
Накопление теплоты в элементе
оболочки проволоки при увеличении температуры на 
в единицу времени за время составит: 
, (1.5)где
- удельная теплоемкость материала оболочки порошковой проволоки, Дж/кг*град; 
- плотность материала оболочки порошковой проволоки, кг/м3; Тоб - температура оболочки, °С.