CC BY
10
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
Вип.№11
2001 р.
УДК 621.791.92:621.762
Кассов В.Д.1, Воленко И.В.2, Кадава В.В.3
МОДЕЛИРОВАНИЕ НАГРЕВА ОБОЛОЧКИ ПОРОШКОВОЙ ЛЕНТЫ ПРИ ДУГОВОЙ НАПЛАВКЕ
Проанализировано тепловое состояние оболочки порошковой ленты на различных ее участках по длине свободного вылета. Получены математические зависимости для расчета температуры оболочки по длине вылета, удобные для практического использования.
Тепловое состояние системы «оболочка-сердечник» во многом определяет основные сва-рочно-технологические свойства порошковой ленты. Однако закономерности управления тепловым состоянием системы изучены недостаточно.
Известно, что плавление оболочки порошковой ленты и ее сердечника происходит неравномерно. Неравномерность плавления оболочки и сердечника порошковой ленты непосредственно зависит от распределения сварочного тока между оболочкой и сердечником. Как установлено в работах [1,2], электросопротивление сердечника в 3,2-10 ...3,МО3 раз больше, чем электросопротивление металла оболочки. Поэтому сварочный ток протекает практически по оболочке порошковой ленты, а плотность тока в порошковой ленте можно рассчитывать по сечению оболочки.
С учетом распределения сварочного тока по сечению порошковой ленты предложена следующая модель для расчета нагрева вылета порошковой ленты. В основу модели положена расчетная схема H.H. Рыкалина [3], в которой учтены некоторые особенности теплового состояния, характерные для порошковой ленты:
1 Электрическое сопротивление шихты сердечника намного больше сопротивления оболочки порошковой ленты, поэтому сварочный ток проходит в основном через оболочку ленты, и плотность тока в порошковой ленте можно рассчитывать по сечению оболочки.
2. При прохождении сварочного тока по порошковой ленте все тепло выделяется в ее оболочке. Выделившееся тепло идет на нагрев оболочки, сердечника и частично теряется через боковую поверхность порошковой ленты путем теплоотдачи в окружающую среду.
В производстве сварочных и наплавочных материалов известны различные конструкции порошковых лент. Порошковая лента имеет оболочку, состоящую из одной или двух металлических лент, заполненную порошковым наполнителем. Конструкции порошковой ленты отличаются размерами и количеством замковых соединений, количеством металлических лент для формирования оболочки, их расположением. Изготавливают порошковые ленты следующих размеров: толщина 2... 4 мм, ширина 6... 60 мм.
Для расчета теплового состояния вылета примем прямоугольную форму сечения порошковой ленты. Замковые соединения рассматриваемых конструкций учитываются при расчете площади сечения оболочки порошковой ленты [4]. Для этого принимаем, что каждый замок образуется частью металлической ленты длиной I. Число слоев для каждой конструкции будет различно и равняется п. Таким образом, будем считать, что каждая конструкция оболочки порошковой ленты образуется из прямоугольника с добавлением замкового соединения. Ширина в и толщина h сердечника взаимосвязаны с шириной и толщиной порошковой ленты через толщину оболочки 5.
Тепловой баланс нагрева порошковой ленты сварочным током с учетом принятых допущений выражается уравнением
1 ПГТУ, канд. техн. наук, докторант
2 ПГТУ, аспирант
3 ПГТУ, аспирант
<2 = 0о+0с+08 , (1)
где (2 - приращеение количества тепла, выделившегося в оболочке на данном участке вылета за время Л ; (2о- приращение теплосодержания оболочки ленты; <2с~ приращение теплосодержания сердечника порошковой ленты;
0 - теплоотдача с боковой поверхности данного участка вылета в окружающую среду. При прохождении тока в элементе А1 оболочки вылета за время Л выделится теплота
С1<2 = ^12ж, (2)
о
где р - удельное сопротивление материала оболочки, Омм;
Бег- площадь поперечного сечения оболочки порошковой ленты, м2;
1 - ток наплавки, А.
Накопление теплоты в элементе А1 сердечника вылета при увеличении температуры на с1Т в единицу времени за время Л составит:
с1Т
= со7о —80А1Л, (3)
си
где с0 и у0 - удельная теплоемкость (Дж/кг-град) и плотность (кг/м3) оболочки порошковой ленты.
Накопление теплоты в элементе Л1 сердечника вылета при увеличении температуры шихты на с1Тс в единицу времени за время Л составит:
с1Т
сК2с=ссус—^8сЫЖ, (4)
си
где сс и ус - удельная теплоемкость (Дж/кг-град) и плотность (кг/м3) сердечника порошковой ленты;
Л'6. - площадь поперечного сечения сердечника порошковой ленты, м2. Тепло, отдаваемое с боковой поверхности участка Л1 вылета порошковой ленты за время Л,составит:
с1<25 =а(Т-Т0)ПШ1 (5)
где а - коэффициент теплообмена с окружающей средой, Вт/(м2-град); Т - температура нагрева порошковой ленты, град; То- температура окружающей среды, град; П - периметр порошковой ленты, м;
Подставляя значения с1(2, с1(20, с1(2с с1(2§ в уравнение (1), получим:
с1Т 1 ^ с1Т
соУо—^$о = — Р-ссУС—7Г8С -а(Т-То)п- (6)
Ш ¿0
Поскольку средняя скорость нагрева сердечника порошковой ленты меньше скорости нагрева оболочки, то можно принять, что
с1Тг с/Т
—^ = т —, Л Л
где коэффициент т< 1.
Тогда уравнение (6) можно упростить. В итоге получим:
Обозначая
, ^ I2 п
о М о
I
А = с0у0+тссус^~, (7)
о
получим
Удельное сопротивление оболочки порошковой ленты является функцией температуры и описывается формулой
р = ро(1+рТ), (9)
где ро - удельное сопротивление при начальной температуре, Омм;
/3 - температурный коэффициент сопротивления оболочки, град"1. Подставляя (9) в уравнение (8), получим
М = Ро®2 ~ аП/^д т , Ро/ + аПТ0 /5Р
Л А А
Введем обозначения
>.•2
А
к=РоРГ-аП/$о
ро]2 +аПТ0/$0
о =---; (11)
А
с = В = Ро]2 +аПТ0/80
к р0&2 -ссП/
Тогда уравнение (10) можно записать в виде
— = кТ + В. (12)
Л
Решая дифференциальное уравнение (12) методом разделения переменных, получим
Т=Век(+Т0ек(-В. к ° к
Используя обозначения (11), окончательно имеем
Т = Т0+(С + Т0)(еы-1). (13)
Для определения температуры сечения вылета, расположенного на расстоянии Ь (м) от токоподвода, в формулу (13) необходимо подставить значения времени нагрева:
ь
t = -, V
где V - скорость плавления (подачи) порошковой ленты, м/с. Тогда последнее уравнение запишется в виде
Т = Т0+(С + Т0)(ек1/у-1) (14)
Коэффициент заполнения порошковой ленты К, определяется отношением массы шихты сердечника к общей массе единицы длины порошковой ленты
К3= М< = Г Л , (15)
М0+Мс
где МС,М0 - масса шихты и оболочки;
Ус 'Уо ~ плотность сердечника (насыпной вес) и оболочки порошковой ленты. Преобразуя формулу (15), получим
к Ус$с1(Уо$о)
3 1 + гЛ/(у080У
Найдем из последнего выражения величину отношения УС8С /(У()8()) . Имеем:
кз (1 + гЛ/(Уо Яо)) = усЪсКг0Ъс).
Откуда
гА = кз
(16)
Обозначим Кс = ——^ , т.е. Кс - это величина отношения массы сердечника к массе оболочки.
Тогда формулу (7) для расчета коэффициента А можем преобразовать к такому виду
Л = У0(с0+тКссс), (17)
а коэффициент к в формуле (14) можно определить из выражения
к = --, (18)
у0{с0+тКссс)
где П = 2(в + И + 48 ), м;
80=2д(в + И + 2д + М2. (19)
Расчетные формулы (13) и (17)-(19) позволяют определить температуру нагрева вылета порошковой ленты.
Выводы
Получен расчетно-экспериментальный метод оценки температурного состояния вылета порошковой ленты в зависимости от ее тепло-физических свойств режимов наплавки и коэффициента заполнения.
Перечень ссылок
1. Походня И.К., Суптелъ A.M., Шлепакое В.Н. Сварка порошковой проволокой,- К.: Наукова думка, 1972. - 221 с.
2. Самсонов И.Г., Королев И.В. Электросопротивление и нагрев порошковой проволоки// Сварочное производство.- 1981,- № 11- с. 7 - 9.
3. Рыкалин H.H. Расчеты тепл овых процессов при сварке. - М.: Машгиз, 1951. - 296 с.
4. Чигарев В.В., Лаврик П.Ф., Якименко О.С. Выбор оптимальных параметров порошковой ленты// Сварочное производство. - 1980. - № 9. - с. 17 - 18 .
Кассов Валерий Дмитриевич. Канд. техн. наук, ст. преподадатель каф. сварки ДГМА, окончил Краматорский индустриальный институт в 1971 г. Основные направления научных исследований - прикладные и теоретические проблемы создания электродных материалов для дуговой наплавки с улучшенным комплексом служебных свойств, технологических процессов их изготовления.
Воленко Ирина Викторовна. Аспирант кафедры МиТСП, окончила Мариупольский металлургический институт в 1985 году. Основные напрвления научных исследований - разработка порошковых лент для восстановительной наплавки.
Кадава Виктор Владимирович. Аспирант кафедры МиТСП, окончил Мариупольский металлургический институт в 1979 году. Основные направления научных исследований - разработка порошковых электродных материалов.
Статья поступила 12.01.2001.
