Газовое пламя как источник тепла

Лекция 6

Механическая энергия при сварке трением как

Источник тепла

 

Сварка трением осуществляется за счет превращения механической энергии в тепловую при трении двух поверхностей друг об друга. Практически этот источник тепла наиболее часто приме­няют для разогрева и сварки тел вращения, посредством вращения одной поверхности относительно другой. Если при этом коэффициент трения принять постоянным, независящим от скорости относитель­ного движения трущихся поверхностей и величины удельного дав­ления, то средняя плотность теплового потока (q кал/(см²·с) опре­деляется формулой

q = kpfnR, (1.22)

где р – удельное давление, кгс/мм²;

f – коэффициент трения;

п – частота вращения, об/мин (1/мин);

R – радиус, по которому осуществляется относительное перемещение трущихся поверхностей, мм;

k – коэффициент пропорциональности (при указанных размерностях величин равный ~0,067).

Однако по мере нагрева металла при трении происходит пере­ход от граничного трения к сухому. Коэффициент трения при этом снижается. Изменение коэффициента трения от скорости вращения удовлетворительно описывается формулой

f=k/(nR)²

В соответствии с изменением преобладающего значения коэф­фициента трения в процессе относительного перемещения удельная тепловая мощность и продолжительность нагрева до сварочной тем­пературы зависят (при прочих равных условиях) от скорости враще­ния (числа оборотов). Экспериментально полученные зависимости для низкоуглеродистой стали показаны на рис. 1.20 а, б.

Рис. 1.20 - Экспериментально полученные зависимости для низкоуглеродистой стали

 

При дальнейшем нагреве процессы схватывания и разрушения металлических перемычек между трущимися поверхностями приводят к стабилизации выделения тепла.

Для ряда изделий использование нагрева трением дает значитель­ную экономию затрачиваемой энергии в сравнении с электрической контактной сваркой встык.

Ультразвуковые упругие колебания также могут создать возможность нагрева металла. При их введении создаются микроперемещения в сопрягаемых поверхностях, которые нагрева­ются как от трения, так и в результате сложного взаимодействия между соседними кристаллитами, сопровождающимися их перемеще­нием, дроблением и образованием микротоков. Этих процессов доста­точно для определенного нагрева тонкого слоя металла и его сва­ривания.

 

Газовое пламя как источник тепла

 

Применяемое в сварочных процессах газосварочное пламя получается при сжигании смесей горючих газов с кислородом. Большинство горючих газов представляют собой соединения водорода и углерода. В общей форме процесс сгорания этих газов сводится к следующим трем реакциям:

Н₂ + ½O₂ = Н₂О + 57800 кал/моль

С + ½O₂ = СО + 29400 кал/моль

СО + ½O₂ = СО₂ + 68200 кал/моль

Все эти реакции экзотермичны, в результате чего продукты реакции могут нагреваться до той или иной температуры.

Из горючих газов наибольшую температуру пламени дает реакция горения ацетилена в кислороде (Т ≈ 3100 ⁰C). Такая температура пламени оказывается достаточной для сварки стали.

Ацетилен поступает из горелки в зону сварки в смеси с кислородом, причем идет химическая реакция взаимодействия С₂Н₂ с О₂.

Эта реакция накладывает свой отпечаток на характер газового пламени и его вид. Поэтому его строение своеобразно. В пламени различают три участка:

1 – ядро пламени, 2 – восстановительная зона, 3 – факел пламени

Рис. 1.21 – Строение газового пламени

Ядро пламени. Из горелки поступает смесь ацетилена и кислорода. Этот кислород называется первичным. В ядре пламени никакого взаимодействия нет, идет процесс распада ацетилена:

С₂Н₂ + О_2I= 2С + Н₂ + О_2I+ Q₁

Частицы углерода на границе ядра раскаляются до 1500 ⁰С и оформляют зону ядра.

Восстановительная зона. В этой зоне начинают взаимодействовать продукты реакции первой зоны:

2С + Н₂ + О₂₁= 2СО + Н₂ + Q₂

Процесс образования СО идет с выделением значительного количества тепла. По продуктам реакции это восстановительная зона. Вероятность насыщения водородом мала, т.к. здесь он находится в молекулярном виде, его активность также невелика. Температура этого участка 3100 – 3200 ⁰С.

Факел пламени. Здесь происходит сгорание продуктов реакции второй зоны в кислороде воздуха

2СО + Н₂ + 3/2O_2II= 2CO₂ + H₂O + Q₃

В зависимости от содержания кислорода в смеси пламя может быть нормальным, окислительным и науглероживающим. Характер пламени оценивается отношением количеств

Нормальное пламя образуется, если β = 1,0 ¸ 1,1, т.е. при примерно равных объемах ацетилена и кислорода. При этом ядро пламени имеет цилиндрическую форму, восстановительная зона мала и факел большой.

Если β > 1,1 – образуется окислительное пламя. При этом ядро (язычок пламени) пламени становится укороченным, заостренным и приобретает менее резкое очертание (Рис 1.21).

Рис. 1.21 – Окислительное пламя

При β < 1,0 пламя становится науглероживающим (Рис. 1.22). Размеры зоны сгорания при этом увеличиваются, ядро становится расплывчатым и в нем появляется ацетиленистое перо желтоватой окраски. В этой зоне избыточный ацетилен, для сгорания которого не хватает кислорода, разлагается. Образующийся в ацетиленовом пламени свободный углерод поглощается расплавленным металлом, металл становится хрупким и склонен давать трещины.

Рис. 1.22 – Науглероживающее пламя

Кривая распределения температур в нормальном пламени имеет вид:

Пламя газов – заменителей ацетилена, имеющих в своем составе углеводороды, по своему строению существенно не отличается от ацетиленокислородного. Только водород образует с кислородом несветящееся пламя со светло – желтой окраской, поэтому регулировку водородного пламени нельзя производить на глаз; необходимо пользоваться расходомерами. В какой – то степени это относится и к друдругим газам – заменителям ацетилена. Несмотря на то, что пламя имеет светящееся ядро, регулировка состава пламени затрудняется тем, что пламя этих газов не имеет резких очертаний своего ядра.

Для газового пламени, как источника тепла, характерны следующие особенности:

1. Малая концентрация и большая распределенность тепла относительно свариваемого изделия.

2. Газовое пламя нагревает металл постепенно без резких переходов температур.