Совершенствование технологических процессов восстановления деталей электродуговой и газовой сваркой и наплавкой

При осуществлении процессов сварки и наплавки для ремонта деталей автомобилей и автомобильных двигателей необходимо соблюдение главного условия – стабильного «горения» электрической дуги. Устойчивость электрической дуги обеспечивается высокой степенью ионизации газового промежутка. Поток электронов, образующих электрический ток, характеризуют количество электронов, проходящих через электрическую цепь сварочного устройства, и величина ее электрического сопротивления. Масса электрона составляет
9,1×10^‑28 г, схема дугового разряда приведена на рис. 3.21 [10].

Рис. 3.21. Схема дугового разряда, переноса электрических зарядов
и прохождения тока через дуговой промежуток:

е – электрон; А⁰ – нейтральный атом; А⁺ – положительно заряженный ион газа; I_е – электронный ток; I_i – ионный ток

Температура дуги по данным К.К. Хренова и В.В. Фролова

Т_сд = (810…1050) u_i, (3.51)

где Т_сд – температура «столба дуги» (К); u_i – потенциал ионизации газа в «столбе дуги» (электровольт).

Для повышения стабильности горения дуги в зону ее действия вводят вещества, обладающие более низким потенциалом ионизации по сравнению со сплавами железа: соединения калия, натрия, кальция, окиси железа и т.д. Эти соединения вводятся в зону сварки в качестве флюсов при сварке и наплавке на переменном токе.

Баланс энергии на аноде электрической дуги и на катоде определяется приведенными зависимостями:

Q_k = U_B + U_A, (3.52)

где Q_k – энергия на аноде дуги; U_B – работа выхода электронов, приобретенная ими при выбивании из катода положительно заряженными ионами и приноси­мыми затем аноду; U_A – кинетическая энергия ускорения электронов, приобре­таемая ими в анодной области.

Работа «выхода» для железа (материал катода) U_B = 4,18 B, для вольфрама U_B = 4,54 В и т.п.

Баланс энергии на катоде Q_k для электрической дуги на переменном токе состоит из потенциальной энергии положительных ионов U_i, кинетической энергии тех же ионов U_k за вычетом энергии, затрачиваемой этими ионами на выход электронов из катода U_B с долей f для U_i и U_k:

. (3.53)

При наличии в полости дуги ионов фтора, например, при сварке сплавов железа, баланс энергии на катоде Q_k соответствует зависимости

, (3.54)

где U_c – «сродство» атома фтора к электрону; j – отношение тока отрицательных ионов к суммарному значению тока электронов и отрицательных ионов. Использование при сварке и наплавке электродов больших диаметров, 3…5 мм и больше приводит к возникновению в зоне дуги так называемого «магнитного дутья», смещающего пятно контакта электрической дуги в ту или иную сторону от проекции электрода на деталь. Данное явление можно нейтрализовать снижением напряженности электромагнитных полей в зоне сварки применением электродов с уменьшенными диаметрами или учетом при сварке величины смещения дуги вблизи ферромагнитных масс: блоков цилиндров, картеров, чугунных головок цилиндров для дизельных двигателей большого литража и т.п.

При прочих равных условиях использование переменного тока при сварке и наплавке для ремонта деталей из сплавов железа в значительной мере устраняет явления «магнитного дутья».

Эффективная тепловая мощность Q_э при сварке определяется выражением

, (калорий в секунду), (3.55)

где h_т - эффективный тепловой КПД нагрева изделия, представляющий собой отношение эффективной мощности дуги к полной тепловой мощности; I – сила тока в электрической цепи сварочного устройства в зоне подвода к электрической дуге; V – напряжение, подводимое к дуге.

Погонную энергию сварки определяют по выражению (в калориях на сантиметр длины сварочного шва):

, (3.56)

где V_св – скорость сварки (см/с).

Погонная энергия при дуговой сварке плавящимся электродом непосредственно связана с поперечным сечением однопроходного шва F:

, (3.57)

где g – плотность металла шва (г/см³); a_н – коэффициент наплавки (г/ампер×ч); F – площадь поперечного сечения шва (см²).

Для электродуговой сварки справедливо выражение

. (3.58)

Для создания оптимальных условий формирования и застывания сварочного шва, чтобы избежать перегрева, непровара, получения неоптимальной структуры при охлаждении наплавленного металла шва и т.п., необходимо правильно выбирать градацию температур при плавлении и застывании материала. Для определения Т – «температуры точки», находящейся на поверхности свариваемого изделия на каком-либо расстоянии от края «пятна дуги», используют зависимость Н.Н. Рыкалина:

, (3.59)

где е – основание натурального логарифма; p=3,14; Q_э – эффективная мощность дуги (кал/с); V_св – скорость сварки (см/с); l – коэффициент теплопроводности (кал/см×градус); – коэффициент температуропроводности (см²/с); с – теплоемкость свариваемого металла (кал/г×град); g – плотность свариваемого металла (г/см³); R – расстояние данной точки от края «пятна» сварочной дуги (см).

Теплофизические свойства некоторых металлов приведены в табл. (3.16).

Если V_св = 0, т.е. для неподвижной дуги, то справедливо выражение

. (3.60)

Таблица 3.16