RU2757877C1

RU2757877C1 - Welding calorimeter

Info

Publication number: RU2757877C1
Application number: RU2021102994A
Authority: RU
Inventors: Владимир Петрович Сидоров; Дмитрий Эдуардович Советкин; Анна Викторовна Мельзитдинова
Priority date: 2021-02-08
Filing date: 2021-02-08
Publication date: 2021-10-22

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention can be used to determine the amount of heat introduced into the product by welding heat sources during arc welding or surfacing. The calorimeter vessel is made of two parts tightly getting into each other. One part is cylindrical, and the other has a cylindrical section and a conical section with the possibility of mutual longitudinal movement of its cylindrical sections to change the volume of the vessel depending on the length of the welding sample. A hole is made on the conical part for the introduction of a welding sample studied using calorimetry into the vessel. A rotary flap is installed on the conical part of the vessel to close the mentioned hole after the welding sample is immersed in the vessel. The temperature sensor in the bottom part of the vessel is connected to the measuring device through a connector mounted on the wall outside the vessel. Points for measuring the mass of the calorimetric liquid are applied to the outer surface of the vessel. The small thickness of the vessel walls ensures a minimum of energy absorbed by the walls, which ensures high overall measurement accuracy. It is proposed to use polyethylene terephthalate as the vessel material.

EFFECT: calorimeter has a simple design with an accuracy of determining the specific effective power of the welding arc of ±2%.

1 cl, 4 dwg, 5 tbl, 2 ex

Description

Изобретение относится к областям измерения количества тепла и сварке и может использоваться преимущественно для определения количества тепловой энергии, введенной в образцы сварочными источниками тепла, преимущественно сварочной дугой.The invention relates to the fields of measuring the amount of heat and welding and can be used primarily to determine the amount of thermal energy introduced into samples by welding heat sources, mainly by a welding arc.

Для определения количества тепла, вводимого в изделие в процессе сварки, используют калориметрирование непосредственно сварочных образцов, помещенных в кассету из теплоизоляцонного материала. Измеряют среднюю начальную температуру сварочного образца и его среднюю температуру после выравнивания ее по окончании процесса сварки. По разности выровненной температуры и начальной температуры при известной теплоемкости металла рассчитывают приращение тепловой энергии в образце (см. Дудко Д.А., Корниенко А.Н. Тепловая эффективность процесса сварки плазменной дугой переменного тока // Автоматическая сварка. - 1967. - №11. - С. 27-32).To determine the amount of heat introduced into the product during welding, calorimetry is used directly from the welding samples placed in a cassette made of heat-insulating material. Measure the average initial temperature of the welding sample and its average temperature after leveling it at the end of the welding process. Based on the difference between the equalized temperature and the initial temperature at a known heat capacity of the metal, the increment of thermal energy in the sample is calculated (see Dudko D.A., Kornienko A.N. Thermal efficiency of the AC plasma arc welding process // Automatic welding. - 1967. - No. 11 . - S. 27-32).

В таких калориметрах процесс выравнивания температуры в образце достаточно продолжителен или требуется измерение температуры в нескольких точках поверхности образца. Время выравнивания температур сложно определить достаточно точно. Условия поверхностной теплоотдачи при измерениях отличаются от условий во время сварки, что изменяет свойства сварочной дуги.In such calorimeters, the process of temperature equalization in the sample is long enough or temperature measurement is required at several points of the sample surface. The temperature equalization time is difficult to determine accurately enough. The surface heat transfer conditions during measurements differ from those during welding, which changes the properties of the welding arc.

Известны также сварочные калориметры проточного типа, которые представляют герметическую емкость или змеевик внутри пластины, рабочая поверхность которой, подверженная нагреву сварочным источником тепла, выполняется из исследуемого материала. Через емкость пропускают проточную калориметрическую жидкость, обычно воду. Температуру воды измеряют перед входом в калориметр и на выходе из калориметра. Измеряют тем или иным способом расход воды через калориметр. По разности температуры воды на входе и выходе и расходу воды путем их перемножения рассчитывают тепловую мощность, переносимую водой, которую считают полезной мощностью сварочной дуги. (см. статью F. Jiang, Ch. Li, Sh. Chen. Experimental investigation on heat transfer of different phase in variable polarity plasma arc welding. Welding in the World (2019) 63: 1153-1162 https://doi.org/10.1007/s40194-019-00722-3).There are also known flow-through welding calorimeters, which represent a sealed container or coil inside a plate, the working surface of which, exposed to heating by a welding heat source, is made of the material under study. A flowing calorimetric liquid, usually water, is passed through the container. The water temperature is measured before entering the calorimeter and leaving the calorimeter. Measure in one way or another the water flow through the calorimeter. From the difference in the temperature of the water at the inlet and outlet and the flow rate of water, by multiplying them, the thermal power transferred by the water is calculated, which is considered the useful power of the welding arc. (see F. Jiang, Ch. Li, Sh. Chen. Experimental investigation on heat transfer of different phase in variable polarity plasma arc welding. Welding in the World (2019) 63: 1153-1162 https://doi.org /10.1007/s40194-019-00722-3).

У таких калориметров процесс теплонасыщения достаточно продолжителен, конструкция калориметра сложная, расход воды во время замеров подвержен флуктуациям, условия действия сварочного источника тепла, например, сварочной дуги существенно отличаются от реальных в производственных процессах.In such calorimeters, the heat saturation process is quite long, the design of the calorimeter is complex, the water consumption during measurements is subject to fluctuations, the operating conditions of a welding heat source, for example, a welding arc, differ significantly from those in production processes.

Близким по конструкции для определения энергии в нагретых при сварке образцах, является калориметр, содержащий внутреннюю емкость с открытой верхней частью из металла, расположенную внутри внешней емкости на опоре с зазором между стенками, в котором размещают теплоизолирующий материал и во внутренней емкости датчик температуры. Во внутреннюю емкость наливают до определенного уровня воду для полного погружения сварочного образца, по изменению температуры которой при помещении сварочного образца после сварки можно рассчитать энергию, содержащуюся в сварочном образце к моменту погружения его в воду. Внутреннюю и внешнюю емкости плотно накрывают крышкой, к внутренней поверхности которой прикреплен изолирующий материал. В крышке выполняют отверстие для установки ручной или механизированной мешалки для перемешивания воды. В крышке также выполняется отверстие для установки термометра, служащего для измерения температуры воды. Образец в процессе опыта помещают в калориметр при открытой крышке (см. патент КНР CN203165302U по заявке от 15.04.2013). Отверстие для установки термометра может выполняться и через боковые стенки сосудов и термометр устанавливаться в придонной области внутреннего сосуда.A similar design for determining energy in samples heated during welding is a calorimeter containing an inner container with an open top made of metal, located inside the outer container on a support with a gap between the walls, in which a heat-insulating material is placed and a temperature sensor in the inner container. Water is poured into the internal container to a certain level to completely immerse the welding sample, according to the temperature change of which when the welding sample is placed after welding, it is possible to calculate the energy contained in the welding sample by the time it is immersed in water. The inner and outer containers are tightly covered with a lid, to the inner surface of which an insulating material is attached. A hole is made in the lid for installing a manual or mechanized stirrer for mixing water. A hole is also made in the lid for installing a thermometer that serves to measure the temperature of the water. During the experiment, the sample is placed into the calorimeter with the lid open (see the PRC patent CN203165302U on the application dated 15.04.2013). The hole for installing the thermometer can be made through the side walls of the vessels and the thermometer can be installed in the bottom region of the inner vessel.

Технической проблемой таких калориметров является излишняя сложность их конструкции, заключающаяся в использовании двух, внутреннего и наружного сосудов с размещением между ними слоя термоизоляционного материала, что, при необходимости измерять тепловую энергию в сваренных образцах разных размеров, требует иметь несколько типоразмеров дорогостоящих калориметров. Сложность конструкции калориметра обусловлена необходимостью снижения потерь тепловой энергии на теплоотдачу от стенок внутреннего сосуда в окружающую среду. Однако такие потери могут быть с достаточно высокой точностью, необходимой при исследовании передачи тепловой энергии при сварке, быть учтены расчетным путем без наличия наружного сосуда и теплоизоляции между сосудами.The technical problem of such calorimeters is the excessive complexity of their design, which consists in the use of two, inner and outer vessels with a layer of heat-insulating material placed between them, which, if necessary, to measure thermal energy in welded samples of different sizes, requires several standard sizes of expensive calorimeters. The complexity of the design of the calorimeter is due to the need to reduce the loss of thermal energy for heat transfer from the walls of the inner vessel to the environment. However, such losses can be, with a sufficiently high accuracy required in the study of the transfer of heat energy during welding, be taken into account by calculation without the presence of an external vessel and thermal insulation between the vessels.

При этом внутренний сосуд чаще всего изготавливается из теплопроводного с высокой теплоемкостью металла для быстрого выравнивания температуры воды между ним и водой, что приводит к значительной доле энергии, поглощаемой стенками внутренней емкости калориметра и к существенному снижению температуры воды при калориметрировании. Следствием является уменьшение относительной точности измерения температуры воды, вследствие чего для получения нужной температуры воды необходимо затрачивать дополнительную энергию и время при сварке.In this case, the inner vessel is most often made of a heat-conducting metal with a high heat capacity for rapid equalization of the water temperature between it and water, which leads to a significant fraction of the energy absorbed by the walls of the inner vessel of the calorimeter and to a significant decrease in the water temperature during calorimetry. The consequence is a decrease in the relative accuracy of measuring the water temperature, as a result of which additional energy and time must be spent during welding to obtain the desired water temperature.

Чтобы учесть, какое количество тепла отбирается за время выравнивания температуры во внутреннем сосуде теплопередачей в стенки внутреннего сосуда, крышку, теплоизоляционный слой калориметра и мешалку, приходится экспериментально определять его водяной эквивалент. Это коэффициент пропорциональности, позволяющий определить общее количество поглощенного калориметром тепла на 1°С нагрева калориметрической жидкости. Для определения такого коэффициента в калориметр необходимо поместить эталонный образец с известным теплосодержанием. При этом возникают погрешности, связанные с точностью измерения массы, теплоемкости и температуры эталонного образца в момент помещения в калориметр. Для определения водяного эквивалента калориметра требуется проведение нескольких трудоемких опытов. Водяной эквивалент зависит от массы используемой воды и остальной массы калориметра и требуется его уточнение при изменении количества воды при измерениях.To take into account how much heat is taken during the time the temperature in the inner vessel is equalized by heat transfer to the walls of the inner vessel, the lid, the heat-insulating layer of the calorimeter, and the stirrer, it is necessary to experimentally determine its water equivalent. This is the coefficient of proportionality, which makes it possible to determine the total amount of heat absorbed by the calorimeter per 1 ° C of heating the calorimetric liquid. To determine such a coefficient, a reference sample with a known heat content must be placed in the calorimeter. In this case, errors arise associated with the accuracy of measuring the mass, heat capacity and temperature of the reference sample at the time of placement in the calorimeter. To determine the water equivalent of a calorimeter, several laborious experiments are required. The water equivalent depends on the mass of the water used and the rest of the mass of the calorimeter and needs to be refined when the amount of water changes during measurements.

Еще одной технической проблемой при использовании известного калориметра является существенная потеря тепловой энергии от испарения воды в промежуток времени между погружением сварочного образца в воду и закрыванием крышки калориметра.Another technical problem when using the known calorimeter is a significant loss of thermal energy from water evaporation in the time interval between immersion of the welding sample in water and closing the calorimeter cover.

Некоторая часть пара успевает выйти из калориметра, а часть, конденсирующаяся на внутренней поверхности крышки, увеличивает время выравнивания температуры воды и внутреннего сосуда калориметра. Вышедший пар уносит много энергии. Учет потерь от испарения воды представляет существенные затруднения, так как всегда остается неизвестным количество такой воды.Some part of the vapor has time to escape from the calorimeter, and the part condensing on the inner surface of the lid increases the time for equalizing the temperature of the water and the inner vessel of the calorimeter. The escaping steam takes away a lot of energy. Accounting for losses from water evaporation presents significant difficulties, since the amount of such water is always unknown.

Точное определение массы воды во внутреннем сосуде калориметра затруднено тем, что масса воды составляет небольшую долю по сравнению с массой всего калориметра, поэтому определение массы воды взвешиванием калориметра может быть недостаточно точным.Accurate determination of the mass of water in the inner vessel of the calorimeter is complicated by the fact that the mass of water is a small fraction in comparison with the mass of the entire calorimeter; therefore, the determination of the mass of water by weighing the calorimeter may not be accurate enough.

В известном сварочном калориметре, содержащем сосуд для помещения калориметрической жидкости и сварочного образца, датчик измерения температуры калориметрической жидкости в придонной области, помещаемый через отверстие в калориметре, сосуд изготавливают разъемным из двух плотно входящих одной в другую частей из прозрачного водонепроницаемого неметаллического термостойкого материала толщиной 0,2-0,4 мм с известной удельной теплоемкостью, причем одна часть имеет цилиндрический и конический участки, у которой высота конической части составляет 0,25-0,45 высоты цилиндрической, разъемным сосуд делают по цилиндрической части с возможностью взаимного продольного перемещения частей, отверстие для помещения калориметрируемого сварочного образца выполняют на конической части длиной равной максимальной ширине образцов и шириной равной максимальной толщине образцов с допуском на свободное прохождение сварочного образца максимального размера, рядом с отверстием для погружения сварочных образцов устанавливают поворотную заслонку для закрывания отверстия после погружения сварочного образца в калориметр, датчик температуры подключают к измерительному прибору через разъем, закрепленный на стенке снаружи сосуда, а на наружной поверхности сосуда наносят деления для приблизительного измерения массы калориметрической жидкости.In a known welding calorimeter containing a vessel for placing a calorimetric liquid and a welding sample, a sensor for measuring the temperature of the calorimetric liquid in the bottom area, placed through a hole in the calorimeter, the vessel is made split from two tightly fitting parts of one another from a transparent waterproof non-metallic heat-resistant material with a thickness of 0, 2-0.4 mm with a known specific heat, and one part has cylindrical and conical sections, in which the height of the conical part is 0.25-0.45 of the height of the cylindrical part, a split vessel is made along the cylindrical part with the possibility of mutual longitudinal movement of the parts, the hole for placing a calorimetric welding sample, perform on the conical part with a length equal to the maximum width of the samples and a width equal to the maximum thickness of the samples with a tolerance for free passage of the welding sample of the maximum size, next to the hole for immersion of welding samples of the mouth The rotary flap is pressed to close the hole after the welding sample is immersed in the calorimeter, the temperature sensor is connected to the measuring device through a connector fixed to the wall outside the vessel, and divisions are applied on the outer surface of the vessel for approximate measurement of the mass of the calorimetric liquid.

Одним из вариантов исполнения калориметра является использование в качестве материала сосуда полиэтилентерефталата.One of the variants of the calorimeter is the use of polyethylene terephthalate as the material of the vessel.

В качестве калориметрической жидкости следует применять дистиллированную воду, свойства которой хорошо известны.Distilled water, the properties of which are well known, should be used as the calorimetric liquid.

Основной технический результат предлагаемого изобретения заключается в упрощении конструкции калориметра при обеспечении необходимой точности измерений тепловой энергии, содержащейся в сваренных образцах.The main technical result of the proposed invention is to simplify the design of the calorimeter while ensuring the required accuracy of measurements of the thermal energy contained in the welded samples.

Это достигается применением сосуда из материала с небольшой и известной теплоемкостью с минимальной толщиной стенки, что обеспечивает небольшую массу сосуда калориметра и минимальное поглощение им тепловой энергии при измерениях, которое может быть рассчитано с высокой точностью. Небольшие толщина стенки и масса емкости обеспечивает быструю передачу тепла от воды стенке и быстрое выравнивание температуры стенок калориметра с температурой воды в нем на участке, покрытом водой практически одновременно с выравниванием температуры воды при ее перемешивании. Средняя температура остальной части сосуда, не соприкасающаяся с водой, может быть с достаточной точностью определена расчетным путем. Это позволяет при известной массе и теплоемкости материала стенок сосуда с высокой точностью определить тепло, поглощенное сосудом по разности начальной температуры стенки (начальной температуры воды) и температуры окружающего воздуха помещения.This is achieved by using a vessel made of a material with a small and known heat capacity with a minimum wall thickness, which ensures a small mass of the calorimeter vessel and a minimum absorption of thermal energy by it during measurements, which can be calculated with high accuracy. The small wall thickness and mass of the container provide fast heat transfer from water to the wall and rapid equalization of the temperature of the walls of the calorimeter with the temperature of the water in it in the area covered with water almost simultaneously with the equalization of the temperature of the water during its stirring. The average temperature of the rest of the vessel, which is not in contact with water, can be determined with sufficient accuracy by calculation. This allows, with a known mass and heat capacity of the material of the walls of the vessel, to determine with high accuracy the heat absorbed by the vessel from the difference between the initial temperature of the wall (initial temperature of the water) and the temperature of the ambient air in the room.

Высокая точность измерений обеспечивается малой долей массы калориметра по отношению к суммарной массе калориметрической жидкости и сварочного образца и точными значениями поправок на потери тепловой энергии калориметром за время выравнивания температуры в калориметре.High measurement accuracy is ensured by a small fraction of the calorimeter mass in relation to the total mass of the calorimetric liquid and the welding sample and the exact values of the corrections for the heat energy loss by the calorimeter during the temperature equalization in the calorimeter.

Минимальная толщина стенки выбирается при калориметрировании сварочных образцов из легких сплавов (магниевые, алюминиевые), а максимальная толщина при калориметрировании образцов из сталей и титановых сплавов.The minimum wall thickness is selected for calorimetry of welding specimens from light alloys (magnesium, aluminum), and the maximum thickness for calorimetry of specimens from steels and titanium alloys.

Важным техническим результатом предлагаемого решения, является возможность точного учета потерь тепловой энергии с поверхности калориметра на теплоотдачу конвекцией и излучением за небольшое время перемешивания воды и выравнивания температуры в процессе калориметрирования. Эти потери могут быть с высокой точностью определены расчетным путем на основе несложного эксперимента, выполненного предварительно до основных измерений. Поэтому может вводиться поправка на охлаждение температуры воды в процессе выравнивания ее температуры.An important technical result of the proposed solution is the ability to accurately account for heat loss from the calorimeter surface for heat transfer by convection and radiation for a short time of water mixing and temperature equalization during calorimetry. These losses can be determined with high accuracy by calculation on the basis of a simple experiment performed in advance before the main measurements. Therefore, a correction can be introduced for cooling the water temperature in the process of equalizing its temperature.

Дополнительным техническим результатом является отсутствие необходимости в специальной мешалке для перемешивания воды, что снижает потери энергии при калориметрировании и материальные затраты на создание калориметра. Наличие мешалки приводит к поглощению ею тепла и дополнительным потерям тепловой энергии. В предлагаемом калориметре перемешивание воды в калориметре осуществляется вручную, путем вращения его вокруг собственной оси с небольшим эксцентриситетом. При этом возможен небольшой подъем воды выше уровня заполнения, что способствует выравниванию температур воды и стенок сосуда.An additional technical result is that there is no need for a special stirrer for mixing water, which reduces energy losses during calorimetry and material costs for creating a calorimeter. The presence of a mixer leads to the absorption of heat by it and additional losses of thermal energy. In the proposed calorimeter, mixing of water in the calorimeter is carried out manually by rotating it around its own axis with a slight eccentricity. In this case, a slight rise of water above the filling level is possible, which helps to equalize the temperatures of the water and the walls of the vessel.

Техническим результатом является и практически полное исключение погрешностей, возникающих от испарения калориметрической жидкости.The technical result is the almost complete elimination of errors arising from the evaporation of the calorimetric liquid.

Этот результат достигается благодаря тому, что размеры отверстия для погружения образца и крышки берутся минимальными, обеспечивающими только прохождение образцов в калориметр с минимальным зазором и подавляющее количество образующегося пара при закрытом отверстии оседает на конической части и внутренней поверхности стенки калориметра и способствует ускорению выравнивания температуры воды и стенок. Потери на испарение, благодаря малой массе калориметра, могут быть также оценены путем точного взвешивания массы калориметра с водой и образцом до и после калориметрирования. Наличие конического участка на одной из частей калориметрического сосуда и расположение на нем отверстия для погружения образца с поворотной заслонкой обеспечивает быстрое ручное закрывание отверстия и способствует уменьшению потерь на испарение.This result is achieved due to the fact that the dimensions of the hole for immersion of the sample and the cover are taken to be minimal, ensuring only the passage of the samples into the calorimeter with a minimum gap, and the overwhelming amount of the generated vapor, with the hole closed, settles on the conical part and the inner surface of the calorimeter wall and contributes to the acceleration of the equalization of the water temperature and walls. The evaporation loss, due to the low mass of the calorimeter, can also be estimated by accurately weighing the mass of the calorimeter with water and the sample before and after calorimetry. The presence of a conical section on one of the parts of the calorimetric vessel and the location of a sample immersion hole with a rotary damper on it ensures quick manual closure of the hole and helps to reduce evaporation losses.

Важным техническим результатом является возможность быстрого и точного измерения массы остающейся воды в серии опытов после вынимания сварочного образца путем взвешивания калориметра с водой перед серией опытов и после каждого опыта. Высокая точность обеспечивается малой массой сосуда по отношению к массе воды. При этом отпадает необходимость освобождения калориметра от жидкости после каждого измерения, сушки внутренних поверхностей от воды и нового заполнения ею, а также уменьшается время на определение погрешностей, вызванных с потерями жидкости при заполнении ею калориметра, например, на стенках мерного сосуда. Такое взвешивание обеспечивает подключение электрического датчика температуры воды (термопары или термосопротивления) через разъем, размещенный на наружной стенке сосуда.An important technical result is the ability to quickly and accurately measure the mass of the remaining water in a series of experiments after removing the welding sample by weighing the calorimeter with water before a series of experiments and after each experiment. High accuracy is ensured by the low mass of the vessel in relation to the mass of water. This eliminates the need to free the calorimeter from liquid after each measurement, to dry the inner surfaces from water and fill it again, and also reduces the time to determine errors caused by liquid losses when filling the calorimeter with it, for example, on the walls of a measuring vessel. This weighing ensures the connection of an electrical water temperature sensor (thermocouple or resistance thermometer) through a connector located on the outer wall of the vessel.

В известной конструкции можно точно определить массу воды в калориметре путем взвешивания ее вместе с мерным сосудом и мерного сосуда после переливания воды в калориметр, но после каждого измерения калориметр необходимо осушать и повторять измерение массы наливаемой воды. Это повышает трудоемкость опытов.In a known design, it is possible to accurately determine the mass of water in the calorimeter by weighing it together with a measuring vessel and a measuring vessel after pouring water into the calorimeter, but after each measurement, the calorimeter must be drained and the measurement of the mass of the poured water must be repeated. This increases the complexity of the experiments.

Техническим результатом того, что сосуд состоит из двух разъемных частей с возможностью их взаимного перемещения является то, что высота сосуда калориметра и его объем могут регулироваться в зависимости от длины сварочных образцов. Это расширяет номенклатуру сварочных образцов, позволяет изменять количество воды и массу образцов, регулировать их соотношение, добиваясь оптимального соотношения с точки зрения оптимальной точности измерений. Также обеспечивается легкое удаление образца из калориметра после опыта.The technical result of the fact that the vessel consists of two detachable parts with the possibility of their mutual movement is that the height of the calorimeter vessel and its volume can be adjusted depending on the length of the welding samples. This expands the range of welding samples, allows you to change the amount of water and the mass of samples, adjust their ratio, achieving the optimal ratio in terms of optimal measurement accuracy. It also provides easy removal of the sample from the calorimeter after the experiment.

Техническим результатом того, что сосуд калориметра изготавливается из прозрачного материала с мерными рисками является то, что это позволяет быстро и с достаточной точностью наливать требуемое количество воды без использования мерного сосуда, что сокращает время измерений. Если в процессе нескольких опытов массы воды в сосуде станет недостаточно, то легко дополнить ее необходимое количество и снова взвесить массу сосуда с водой.The technical result of the fact that the calorimeter vessel is made of a transparent material with dimensional risks is that it allows you to quickly and with sufficient accuracy to pour the required amount of water without using a measuring vessel, which reduces the measurement time. If, in the course of several experiments, the mass of water in the vessel becomes insufficient, then it is easy to supplement its required amount and again weigh the mass of the vessel with water.

На фиг. 1 представлена схема наплавки на пластину подвижной сварочной дугой, на фиг. 2 схематично показан общий вид предлагаемого калориметра, на фиг. 3 - график экспоненциальной функции теплоотдачи, на фиг. 4 - диаграмма удельной эффективной мощности сварочной дуги.FIG. 1 shows a diagram of surfacing on a plate with a movable welding arc, Fig. 2 schematically shows a general view of the proposed calorimeter, FIG. 3 is a graph of the exponential function of heat transfer, FIG. 4 is a diagram of the specific effective power of the welding arc.

На фиг. 1 сварочный образец 1 в виде пластины с размерами L⋅B⋅S мм из испытуемого сплава наплавляется с помощью сварочной горелки с соплом 2 плавящимся электродом 3, который механизированно подается в зону наплавки с постоянной скоростью V_Э с помощью роликов 4 и 5 подающего механизма. Ток от сварочного источника питания 6 подводится к электроду 3 через ролики 4 и 5. Второй полюс сварочного источника питания 6 подсоединяется к сварочному образцу 1 с помощью съемного токоподвода 7, который одновременно служит держателем сварочного образца 1 в горизонтальной плоскости. Наплавка производится в среде инертного газа (аргона или гелия), подаваемого в сопло 2. После зажигания сварочной дуги 8 начинается ее передвижение с постоянной скоростью наплавки V_С вдоль сварочного образца 1. В результате на сварочном образце 1 образуется сварной шов 9 длиной L_Ш. При этом часть электродного металла электрода 3 теряется на испарение и разбрызгивание, а большая часть переходит в сварной шов 9. Для получение точного значения массы сварочного образца 1 необходимо точно взвесить его до наплавки и после проведения калориметрирования. Это необходимо не только для получения более точного результата измерений, но также для определения количества тепловой энергии, передаваемой каплями расплавленного электрода 3 сварочному образцу 1. В процессе переноса сварочного образца 1 в калориметр в нем происходит выравнивание температур, что влияет на процесс образования пара при погружении сварочного образца 1 в калориметр с водой. Поэтому время переноса сварочного образца 1 может иметь оптимальное значение. При слишком быстром погружении сварочного образца 1 могут увеличиваться потери на испарение, а при слишком медленном - увеличиваются потери на поверхностную теплоотдачу от образца. Возможен и такой подбор времени действия дуги и ее мощности, что средняя температура сварочного образца 1 при помещении в калориметр не достигнет температуры кипения воды и парообразования не будет. Но при этом недостаточно высоким может быть изменение температуры воды, что снизит точность измерений.FIG. 1 welding sample 1 in the form of a plate with dimensions L⋅B⋅S mm from the tested alloy is deposited using a welding torch with a nozzle 2 with a consumable electrode 3, which is mechanically fed into the surfacing zone at a constant speed V _E using rollers 4 and 5 of the feed mechanism. The current from the welding power source 6 is supplied to the electrode 3 through the rollers 4 and 5. The second pole of the welding power source 6 is connected to the welding sample 1 using a removable current lead 7, which simultaneously serves as a holder of the welding sample 1 in the horizontal plane. Surfacing is carried out in an inert gas atmosphere (argon or helium) supplied to the nozzle 2. After the ignition of the welding arc 8, it begins to move at a constant deposition rate V _C along the welding specimen 1. As a result, a weld 9 with a length L _{W is} formed on the welding specimen 1. In this case, part of the electrode metal of electrode 3 is lost for evaporation and spattering, and most of it passes into the weld 9. To obtain an accurate value for the mass of welding sample 1, it is necessary to weigh it accurately before surfacing and after calorimetry. This is necessary not only to obtain a more accurate measurement result, but also to determine the amount of thermal energy transferred by the droplets of the molten electrode 3 to the welding sample 1. In the process of transferring the welding sample 1 to the calorimeter, temperatures equalize in it, which affects the process of steam formation during immersion welding sample 1 into the calorimeter with water. Therefore, the transfer time of the welding piece 1 can be optimal. If the welding sample 1 is immersed too quickly, evaporation losses may increase, and if too slow, the surface heat transfer losses from the sample may increase. It is also possible to select the duration of the arc and its power such that the average temperature of the welding sample 1, when placed in the calorimeter, will not reach the boiling point of water and there will be no vaporization. But at the same time, the change in water temperature may not be high enough, which will reduce the measurement accuracy.

До наплавки фиксируют значения условий сварки. Во время наплавки фиксируют режимы сварки. Наиболее оптимально наряду с этим вести запись мощности дуги и интегрировать ее для получения общей энергии дуги. Время от окончания процесса наплавки до погружения образца в калориметр фиксируется по записи электрических параметров дуги и началу роста температуры воды в калориметре. Это время необходимо для расчета поправки на теплоотдачу от образца в окружающую среду.Before surfacing, the values of the welding conditions are recorded. During surfacing, welding modes are recorded. Along with this, it is most optimal to record the arc power and integrate it to obtain the total arc energy. The time from the end of the surfacing process to the immersion of the sample into the calorimeter is recorded by recording the electrical parameters of the arc and the beginning of an increase in the water temperature in the calorimeter. This time is needed to calculate the correction for heat transfer from the sample to the environment.

При расчете температур в свариваемых изделиях при сварке и размеров сварных швов важной величиной является эффективная мощность сварочного источника тепла. Часть энергии сварочных источников тепла при сварке в различной степени теряется в окружающую среду. Эффективная мощность - это мощность, передаваемая свариваемому изделию, включая теплоотдачу с его поверхности. Поскольку теплоотдача с поверхности изделия в начальный момент действия источника тепла равна нулю и увеличивается со временем, то измерить можно только некоторую усредненную эффективную мощность за некоторое время. Среднее ее значение за время действия сварочного источника тепла можно определить по формулеWhen calculating the temperatures in the welded products during welding and the dimensions of the welds, the effective power of the welding heat source is an important parameter. Part of the energy of welding heat sources during welding is lost to the environment to varying degrees. Effective power is the power transmitted to the work piece, including heat dissipation from its surface. Since the heat transfer from the surface of the product at the initial moment of the action of the heat source is equal to zero and increases with time, it is possible to measure only a certain averaged effective power over some time. Its average value during the operation of the welding heat source can be determined by the formula

где Q - полная тепловая энергия, введенная в свариваемое изделие, Дж,where Q is the total thermal energy introduced into the welded product, J,

t - время действия сварочного источника тепла, с.t is the duration of the action of the welding heat source, s.

q измеряется в Вт.q is measured in watts.

В начальный период действия сварочного источника тепла, передаваемая им изделию мощность максимальна, так как почти отсутствуют потери тепловой энергии от изделия в окружающую среду. Она представляет собой начальную мгновенную истинную эффективную мощность. Однако определить ее путем калориметрирования сложно из-за малого количества выделенной за короткое время тепловой энергии и переходных процессов в источнике питания и в самом источнике тепла. Кроме того, значение начальной эффективной мощности имеет малое практическое значение и больше теоретическое значение, так как может существенно отличаться от среднего за большой период времени. Поэтому процесс сварки должен протекать достаточно продолжительное время, за которое и определяется средняя эффективная мощность. Увеличение продолжительности времени сварки в свою очередь приводит к увеличению потерь тепловой энергии от сварочного образца на теплоотдачу от поверхности, которые становится сложнее учесть с необходимой точностью. В процессе сварки передача полезной мощности несколько изменяется, так как меняется состояние, как свариваемого тела, так и сварочного источника тепла. Источник тепла может быть как движущимся, так и неподвижным. На величину эффективной мощности влияет ряд параметров сварки, роль которых и служит предметом изучения в научных, производственных и учебных целях. Параметры сварки следует разделять на условия сварки и режимы сварки. Условия сварки устанавливаются до начала сварки и не могут быть измерены во время сварки. К условиям сварки, например, неплавящимся электродом в инертном газе можно отнести диаметр электрода, угол заточки конца, притупление на конце, начальную температуру свариваемых деталей и другие. Режимы сварки могут быть измерены во время сварки. Обоснование необходимости разделения параметров сварки на условия и режимы сварки содержится в статье Сидорова В.П., Мельзитдиновой А.В. «Методика определения требований к точности параметров сварки». Сварка и Диагностика. - 2014. - №3. - С. 10-13.In the initial period of operation of the welding heat source, the power transmitted by it to the product is maximum, since there are almost no losses of thermal energy from the product to the environment. It represents the initial instantaneous true effective power. However, it is difficult to determine it by calorimetry due to the small amount of heat energy released in a short time and transient processes in the power source and in the heat source itself. In addition, the value of the initial effective power has little practical value and more theoretical value, since it can differ significantly from the average over a long period of time. Therefore, the welding process must run for a sufficiently long time, during which the average effective power is determined. An increase in the duration of the welding time, in turn, leads to an increase in the loss of thermal energy from the welding sample to heat transfer from the surface, which becomes more difficult to take into account with the required accuracy. In the process of welding, the transmission of useful power changes somewhat, since the state of both the body being welded and the welding heat source changes. The heat source can be either moving or stationary. The value of the effective power is influenced by a number of welding parameters, the role of which is the subject of study for scientific, industrial and educational purposes. Welding parameters should be divided into welding conditions and welding modes. Welding conditions are set before welding starts and cannot be measured during welding. Welding conditions, for example, with a non-consumable electrode in an inert gas, include the diameter of the electrode, the angle of sharpening of the end, bluntness at the end, the initial temperature of the parts to be welded, and others. Welding modes can be measured while welding. The rationale for the necessity of dividing the welding parameters into welding conditions and modes is contained in the article by V.P. Sidorov, A.V. Melzitdinova. "Methodology for determining the requirements for the accuracy of welding parameters." Welding and Diagnostics. - 2014. - No. 3. - S. 10-13.

В настоящее время отсутствуют методики прямого расчета эффективной мощности большинства сварочных источников тепла, приемлемые для инженерной практики. Во многом причиной этого является недостаточный объем экспериментальных данных, обусловленный сложностью калориметрирования сварочных образцов.Currently, there are no methods for direct calculation of the effective power of most welding heat sources that are acceptable for engineering practice. This is largely due to the insufficient amount of experimental data due to the complexity of calorimetry of welding samples.

Поэтому для расчетов температур в свариваемых изделиях используют понятие эффективного коэффициента полезного действия η сварочного источника тепла, который является безразмерной величинойTherefore, for calculating temperatures in welded products, the concept of effective efficiency η of a welding heat source is used, which is a dimensionless quantity

где Р - полная мощность сварочного источника тепла, Вт.where P is the total power of the welding heat source, W.

При определении эффективной мощности сварочного источника тепла точность должна быть сопоставимой с точностью измерения полной мощности, так как эффективная мощность определяется в основном для определения эффективного КПД и в инженерных и научных расчетах используется эффективный КПД. При дуговой сварке применяют еще один показатель тепловой эффективности сварочной дуги - удельная эффективная мощность. Это мощность, передаваемая изделию на 1 А тока сварочной дугиWhen determining the effective power of a welding heat source, the accuracy should be comparable to the accuracy of measuring the total power, since the effective power is determined mainly to determine the effective efficiency and the effective efficiency is used in engineering and scientific calculations. In arc welding, another indicator of the thermal efficiency of the welding arc is used - the specific effective power. This is the power transmitted to the product per 1 A of welding arc current.

где I - ток дуги, А.where I is the arc current, A.

В этом случае точность измерения эффективной мощности должна быть сопоставима с точностью измерения тока дуги.In this case, the accuracy of measuring the effective power should be comparable to the accuracy of measuring the arc current.

Измерения полной мощности сварочного источника тепла выполняется с определенной погрешностью. Например, при исследовании сварочной дуги необходимо измерять ток дуги и напряжение дуги. Вследствие инерционности электромагнитных процессов в сварочных источниках тепла сварочный ток достигает стабильной величины за некоторое время, исчисляемое в интервале 0,1-1 секунда. Аналогично напряжение дуги также меняется с изменением тока. При выключении дуги происходят аналогичные процессы. Поэтому оптимальным при измерениях полной мощности является определение мгновенных значений тока и напряжения, их перемножение и интегрирование для получения полной энергии за время сварки. При этом используемые датчики имеют относительные погрешности, которые можно оценить в ±2%. На это указано в работе (см. М.В. Nasiri, M.Behzadinejad, Н. Latifi, J. Martikeinen. Investigation on the influence of various welding parameters on the arc thermal efficiency of the GTAW process by calorimetric method / Journal of Mechanical Science and Technology 28 (8) (2014) 3255-3261 DOI 10.1007/s12206-014-0736-8:). «…Следовательно, неопределенность 2% предполагается во всех оценках мощности дуги…» (с. 3257). Следовательно, и при калориметрировании сварочных образцов не имеет смысла стремиться получить более высокую точность для количества тепла.Measurements of the full power of the welding heat source are performed with a certain error. For example, when examining a welding arc, you need to measure the arc current and arc voltage. Due to the inertia of electromagnetic processes in welding heat sources, the welding current reaches a stable value for some time, calculated in the range of 0.1-1 seconds. Similarly, the arc voltage also changes with the current. When the arc is turned off, similar processes occur. Therefore, when measuring the total power, it is optimal to determine the instantaneous values of current and voltage, multiply them and integrate them to obtain the total energy during welding. In this case, the sensors used have relative errors that can be estimated at ± 2%. This is indicated in the work (see M.V. Nasiri, M. Behzadinejad, H. Latifi, J. Martikeinen. Investigation on the influence of various welding parameters on the arc thermal efficiency of the GTAW process by calorimetric method / Journal of Mechanical Science and Technology 28 (8) (2014) 3255-3261 DOI 10.1007 / s12206-014-0736-8 :). “… Therefore, an uncertainty of 2% is assumed in all estimates of the arc power…” (p. 3257). Consequently, when calorimetrying welding samples, it makes no sense to strive to obtain a higher accuracy for the amount of heat.

Мощность сварочных источников тепла, например сварочной дуги, подвержена в свою очередь влиянию ряда случайных факторов, сложно поддающихся стабилизации. К таким факторам относится, например, влияние состояния поверхностей электродов - наличие окислов, чистота поверхности, степень легирования и распределение химических элементов по поверхности и много других. Поэтому на практике по этой причине значения полной и эффективной мощностей дуги всегда будут отличаться при близких сварочных параметрах. Это приводит к дополнительным погрешностям при определении эффективного КПД.The power of welding heat sources, such as a welding arc, is, in turn, subject to the influence of a number of random factors that are difficult to stabilize. Such factors include, for example, the influence of the state of the electrode surfaces - the presence of oxides, surface cleanliness, the degree of alloying and the distribution of chemical elements over the surface, and many others. Therefore, in practice, for this reason, the values of the total and effective arc powers will always differ at similar welding parameters. This leads to additional errors in determining the effective efficiency.

При использовании калориметрирования методом помещения образца после сварки в калориметр имеет место неопределенность, связанная с потерями энергии во время сварки, которая не зависит от устройства конкретного калориметра. Меры по уменьшению потерь энергии в процессе сварки делает условия опытов отличающимися от сварочных и не могут применяться в инженерной практике.When calorimetry is used by placing a sample in the calorimeter after welding, there is an uncertainty associated with energy losses during welding, which does not depend on the device of a particular calorimeter. Measures to reduce energy losses during the welding process make the experimental conditions different from the welding ones and cannot be applied in engineering practice.

О том, что на значения эффективного КПД сварочной дуги, горящей с вольфрамового электрода в среде аргона на прямой полярности, в большей степени влияют погрешности параметров сварки, чем точность калориметрических измерений свидетельствует весьма большой разброс данных по зависимости от тока дуги у разных исследователей (0,35-0,9). Данные приведены в монографии: Кархин В.А. Тепловые процессы при сварке / СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2015. - 672 с. - С. 46. рис. 1.2.12. При этом следует отметить, что этот способ сварки является наиболее простым при экспериментальных исследованиях, так как отсутствует плавление электрода.The fact that the values of the effective efficiency of a welding arc burning from a tungsten electrode in an argon atmosphere at straight polarity are more influenced by errors of welding parameters than the accuracy of calorimetric measurements is evidenced by a very large scatter of data on the dependence on the arc current among different researchers (0, 35-0.9). The data are given in the monograph: V.A. Thermal processes in welding / St. Petersburg: Publishing house of Polytekhi, University, 2015 .-- 672 p. - P. 46. fig. 1.2.12. It should be noted that this welding method is the simplest in experimental studies, since there is no electrode melting.

В работе A. Haeslig, M.Kusch, P.Mair. New findings on the efficiency of gas shielded arc welding / Welding in the World. - 2012. - vol. 56. - P. 98-104 приводятся данные, что коэффициент полезного действия дуги η с неплавящимся электродом изменяется в пределах 0,68-0,79, а дуги с плавящимся электродом диапазон изменений л составляет 18%. Причем остается неизвестным, как именно влияют конкретные условия сварки на значения η в этих диапазонах. Поэтому пользуются средними значениями диапазона, что дает погрешность определения эффективной мощности ±5,5% и ±9% соответственно. Это необходимо учитывать при выборе конструкции калориметра для изучения эффективной мощности.In the work of A. Haeslig, M. Kusch, P. Mair. New findings on the efficiency of gas shielded arc welding / Welding in the World. - 2012. - vol. 56. - P. 98-104 provides data that the efficiency of the arc η with a non-consumable electrode varies within 0.68-0.79, and the arc with a consumable electrode, the range of changes in l is 18%. Moreover, it remains unknown exactly how specific welding conditions affect the values of η in these ranges. Therefore, they use the average values of the range, which gives an error in determining the effective power of ± 5.5% and ± 9%, respectively. This must be taken into account when choosing the design of the calorimeter for studying the effective power.

В специальной литературе приводятся таблицы для выбора эффективного КПДη, такие как таблицы 1.Tables for selection of effective efficiency η, such as Table 1, are given in the literature.

Данные таблицы 1 взяты из монографии Кархина В.А. «Тепловые процессы при сварке» / СПб.: Изд-во Политехн. ун-та. - 2015. - С. 59, табл. 1.7.1. Из этой таблицы видно, какую большую погрешность дает определение эффективной мощности с помощью эффективного КПД. Поэтому обеспечение возможности прямого измерения эффективной мощности для условий сварки обеспечит значительное повышение качества продукции за счет оптимизации ее тепловых условий.The data in Table 1 are taken from the monograph by V.A. "Thermal processes in welding" / SPb .: Publishing house of the Polytechnic. un-that. - 2015 .-- P. 59, tab. 1.7.1. This table shows what a large error is given by the definition of effective power using effective efficiency. Therefore, providing the possibility of direct measurement of effective power for welding conditions will provide a significant increase in product quality by optimizing its thermal conditions.

На фиг. 2 схематично представлен предлагаемый калориметр. Он представляет из себя герметичный сосуд 10 из прозрачного тонкого полиэтилентерефталата, выполненного в виде герметичной емкости из двух цилиндрических частей 11 и 12 с конической верхним участком. Высота конического участка части 12 выбирается в зависимости от ширины сварочного образца 1 со сварным швом 9. Часть 12 плотно одевается на часть 11 на высоту 10-15 мм. Калориметр наполняется водой 13 до 0,2-0,5 высоты цилиндрической части 11 сосуда 10, чтобы примерно 0,3-0,6 длины сварочного образца 1 находилась над поверхностью воды 13. Сварочный образец 1 располагается в сосуде 10 под наклоном с опорой на его дно и стенку верхней части 12. В конической поверхности части 12 сосуда 10 выполняют отверстие 14, по форме совпадающее с формой поперечного сечения меньшей площади сварочного образца 1. Отверстие 14 закрывается поворотной заслонкой 15 из того же материала, из которого изготовлены части 11 и 12 сосуда 10. Ось 16 заслонки 15 изготавливается из такого же материала, что и стенки сосуда 10, плоское основание оси 16 приклеивается к конической части сосуда 12. На заслонке 15 клеем крепится ручка 17 с отверстием для оси 16 заслонки 15. Фиксация заслонки 15 после погружения нагретого сварочной дугой сварочного образца 1 в сосуд 10 производится с помощью штифта 18, закрепленного клеем на конической поверхности части 12 сосуда 10. В сосуд 10 в донной части устанавливается датчик 19 (термопара или термосопротивление), с разъемом 20, прикрепленном к наружной стороне сосуда 11. Соединительные провода 21 от датчика 19 через разъем 20 присоединяются к измерительному прибору 22 через разъем 21. На наружную поверхность части емкости 10 наносят мерные риски, приблизительно показывающие объем залитой в нижнюю часть сосуда 10 воды 13.FIG. 2 schematically shows the proposed calorimeter. It is a sealed vessel 10 of transparent thin polyethylene terephthalate, made in the form of a sealed container of two cylindrical parts 11 and 12 with a conical upper section. The height of the tapered section of the part 12 is selected depending on the width of the welding sample 1 with the welded seam 9. Part 12 is tightly put on the part 11 to a height of 10-15 mm. The calorimeter is filled with water 13 to 0.2-0.5 of the height of the cylindrical part 11 of the vessel 10, so that approximately 0.3-0.6 of the length of the welding sample 1 is above the surface of the water 13. The welding sample 1 is located in the vessel 10 at an angle with support on its bottom and the wall of the upper part 12. An opening 14 is made in the conical surface of part 12 of the vessel 10, the shape of which coincides with the shape of the cross-section of the smaller area of the welding sample 1. The opening 14 is closed by a rotary damper 15 made of the same material from which parts 11 and 12 are made vessel 10. The axis 16 of the shutter 15 is made of the same material as the walls of the vessel 10, the flat base of the axis 16 is glued to the conical part of the vessel 12. A handle 17 with a hole for the axis 16 of the shutter 15 is attached to the shutter 15 with glue. the welding sample 1 heated by the welding arc into the vessel 10 is made using a pin 18 fixed with glue on the conical surface of part 12 of the vessel 10. In the vessel 10 in the bottom part sensor 19 (thermocouple or thermistor) is installed, with connector 20 attached to the outer side of the vessel 11. Connecting wires 21 from the sensor 19 through connector 20 are connected to the measuring device 22 through connector 21. Measured marks are applied to the outer surface of part of the container 10, approximately showing the volume of water poured into the lower part of the vessel 10 13.

Сварочный образец 1 опускается в сосуд 10 с водой вертикально вниз предпочтительно стороной с большей температурой, опирается на дно. В процессе его наклона и опирания на стенку сосуда 12 он быстро охлаждается водой 13, что ускоряет выравнивание температуры в нем. Затем происходит перемешивание воды 13 и выравнивание ее температуры в течение нескольких секунд. Температура воды 13 фиксируется измерительным прибором 22.The welding sample 1 is lowered into the vessel 10 with water vertically downward, preferably with the side with a higher temperature, rests on the bottom. In the process of tilting and resting on the wall of the vessel 12, it is quickly cooled by water 13, which accelerates the equalization of the temperature in it. Then the water 13 is stirred and its temperature is equalized within a few seconds. The water temperature 13 is recorded by the measuring device 22.

Определение общего количества тепла Q, переданного сварочным образцом калориметру, схема которого представлена на фиг. 2, производится по формулеDetermination of the total amount of heat Q transferred by the welding sample to the calorimeter, the diagram of which is shown in Fig. 2 is produced according to the formula

где Q_W - приращение количества тепловой энергии воды в сосуде, Дж,where Q _W is the increment in the amount of thermal energy of water in the vessel, J,

Q_O - приращение количества тепловой энергии в образце, Дж,Q _O is the increment in the amount of thermal energy in the sample, J,

Q_I - потери тепловой энергии теплоотдачей от калориметра в процессе выравнивания в нем температуры, Дж,Q _I - losses of thermal energy by heat transfer from the calorimeter in the process of equalizing the temperature in it, J,

Q_S - приращение количества тепловой энергии в стенке сосуда калориметра, Дж.Q _S is the increment in the amount of thermal energy in the vessel wall of the calorimeter, J.

Количество тепловой энергии Q_W определяется по формулеThe amount of heat energy Q _W is determined by the formula

где M_W - масса воды в калориметре во время калориметрирования, г,where M _W is the mass of water in the calorimeter during calorimetry, g,

c_W - удельная теплоемкость воды, Дж/(г⋅°С),c _W - specific heat capacity of water, J / (g⋅ ° C),

T_W0 - средняя температура воды перед помещением сварочного образца в сосуд калориметра, °С,T _W0 - average water temperature before placing the welding sample into the calorimeter vessel, ° С,

T_WK1 - средняя температура воды после выравнивания температуры в сосуде калориметра с учетом поправки на теплоотдачу от калориметра в окружающую среду за время выравнивания температуры воды, °С.T _WK1 - average water temperature after equalization of the temperature in the calorimeter vessel, taking into account the correction for heat transfer from the calorimeter to the environment during the time of equalization of the water temperature, ° С.

Удельная теплоемкость воды зависит от ее температуры. Эта зависимость приведена в таблице 2.The specific heat capacity of water depends on its temperature. This dependence is shown in Table 2.

Данные взяты с сайта:Data taken from the site:

tehtab.ru/GuideMedias/GuideWater/GuideWater1barOt0100deg/ (Дата обращения 27.11.20).tehtab.ru/GuideMedias/GuideWater/GuideWater1barOt0100deg/ (Date of treatment 11/27/20).

Удельная теплоемкость обычной воды отличается от теплоемкости дистиллированной в третьем знаке.The specific heat capacity of ordinary water differs from the heat capacity of distilled water in the third decimal place.

Выбор значения теплоемкости с помощью таблицы 2 или ей аналогичных должен выполняться по среднему значению между температурой воды в калориметре после ее выравнивания T_WK и ее начальной температурой T_W0 методом линейной интерполяции с округлением результата к большему значению. Это позволит уменьшить погрешность измерения, вязанную с небольшой разницей между T_WK и T_WK1.The choice of the heat capacity value using Table 2 or similar should be performed according to the average value between the water temperature in the calorimeter after its equalization T _WK and its initial temperature T _W0 by the method of linear interpolation with the result rounded to a larger value. This will reduce the measurement error associated with a small difference between T _WK and T _WK1 .

Для обеспечения высокой точности измерений количество тепловой энергии Q_W при проведении измерений должно существенно преобладать над другими слагаемыми формулы (4). Для этого масса воды должна существенно преобладать над массой образца и стенок калориметра. Проведенные эксперименты показали, что три последних слагаемых в формуле (4) в сумме составляют примерно 10% от первого слагаемого. Поэтому общая точность измерений будет определяться в основном погрешностями множителей в формуле (5). Из этих множителей наибольшее значение будет иметь точность определения температуры воды в калориметре, которую можно оценить в ±0,5%.To ensure high measurement accuracy, the amount of heat energy Q _W during measurements should significantly prevail over other terms in formula (4). For this, the mass of water must significantly prevail over the mass of the sample and the walls of the calorimeter. Experiments have shown that the last three terms in formula (4) add up to about 10% of the first term. Therefore, the overall measurement accuracy will be determined mainly by the errors of the factors in formula (5). Of these factors, the most important will be the accuracy of determining the water temperature in the calorimeter, which can be estimated at ± 0.5%.

Приращение количества тепловой энергии в образце Q_O определяется по формулеThe increment in the amount of thermal energy in the sample Q _O is determined by the formula

где M_O - масса образца после опыта, г,where M _O is the mass of the sample after the experiment, g,

c_O - удельная теплоемкость металла образца, Дж/(г⋅°С),c _O - specific heat capacity of the sample metal, J / (g⋅ ° C),

Т₀₀ - средняя температура образца перед началом действия сварочного источника тепла, °С. При длительном выдерживании металлических образцов в помещении проведения опытов их температура принимается равной температуре помещения.T ₀₀ is the average temperature of the sample before the start of the action of the welding heat source, ° C. With long-term storage of metal samples in the experiment room, their temperature is taken to be equal to the room temperature.

Разность температур в формуле (6) обычно >0. В этом случае Q_O получается положительной величиной.The temperature difference in formula (6) is usually> 0. In this case, Q _O turns out to be a positive value.

Масса образца должна дополнительно определяться после калориметрирования. Это позволит учесть изменение массы образца при наплавке проволоки или потери расплавленного металла сварочной ванны.The sample mass should be additionally determined after calorimetry. This will allow taking into account the change in the mass of the sample during surfacing of the wire or the loss of molten metal of the weld pool.

Удельная теплоемкость металла образцов из конкретного сплава обычно известна с достаточной точностью и может приниматься по справочникам.The specific heat capacity of the metal of samples from a particular alloy is usually known with sufficient accuracy and can be taken from reference books.

В таблице 3 представлена зависимость теплоемкости высоколегированной стали Х18Н10 от температуры.Table 3 shows the dependence of the heat capacity of high-alloy steel Kh18N10 on temperature.

Данные таблицы 3 взяты по сайту: www/http//ssk2121.com/teploemkost-nerzhaveyuschey-stali// (Дата обращения 15.11.2020).The data in Table 3 are taken from the website: www / http // ssk2121.com / teploemkost-nerzhaveyuschey-stali // (Date of treatment 11/15/2020).

Значение c_O для расчетов по формуле (6) должно выбираться методом линейной интерполяции для среднего значения температуры T_CP в интервале температур между начальной температурой образца перед опытом T₀₀ и средней температурой воды в калориметре после выравнивания температурThe value of c _O for calculations by formula (6) should be selected by linear interpolation for the average temperature T _CP in the temperature range between the initial sample temperature before the experiment T ₀₀ and the average water temperature in the calorimeter after temperature equalization

Поскольку разница температур по формуле (6) при измерениях составляет порядка 10-50°С, то погрешность при использовании усредненной удельной теплоемкости будет очень мала. При расчете теплоемкости с помощью формулы (7) округление также следует проводить в сторону увеличения теплоемкости до ближайшей значащей цифры.Since the temperature difference according to formula (6) during measurements is about 10-50 ° C, the error when using the averaged specific heat will be very small. When calculating the heat capacity using formula (7), rounding should also be carried out in the direction of increasing the heat capacity to the nearest significant figure.

Как следует из таблицы 3 удельная теплоемкость высоколегированной стали в интервале температур 20-100°С изменяется в пределах ±3,45% от среднего значения, а в пределах температур измерений существенно меньше. Поэтому использование усредненной теплоемкости в формуле (6) обеспечивает необходимую точность.As follows from Table 3, the specific heat capacity of high-alloy steel in the temperature range of 20-100 ° C varies within ± 3.45% of the average value, and within the measurement temperatures it is significantly less. Therefore, the use of the averaged heat capacity in formula (6) provides the required accuracy.

Потери тепловой энергии на теплоотдачу с поверхности калориметра Q_I в процессе выравнивания температуры воды в калориметре можно учесть с помощью поправки, основанной на законе Ньютона. Известно, что охлаждение тела через его поверхность происходит по закону Ньютона и зависимость средней температуры воды в калориметре от времени можно описать экспоненциальной функцией видаThe loss of thermal energy for heat transfer from the surface of the calorimeter Q _I during the equalization of the water temperature in the calorimeter can be taken into account using a correction based on Newton's law. It is known that the cooling of a body through its surface occurs according to Newton's law and the dependence of the average temperature of water in the calorimeter on time can be described by an exponential function of the form

где T_H - средняя начальная температура воды в калориметре, °С,where T _H is the average initial water temperature in the calorimeter, ° С,

T_C - температура окружающей среды в процессе теплоотдачи, °С.T _C is the ambient temperature during heat transfer, ° C.

В - эмпирический коэффициент, учитывающий общую поверхностнуюB is an empirical coefficient that takes into account the total surface

теплоотдачу и имеющий размерность 1/с.heat transfer and having a dimension of 1 / s.

Вывод формулы (8) приведен в учебнике «Теория сварочных процессов» под ред. В.В. Фролова. М.: Высшая школа, 1988. - 559 с. - С. 148-149.The derivation of the formula (8) is given in the textbook "Theory of welding processes", ed. V.V. Frolov. M .: Higher school, 1988 .-- 559 p. - S. 148-149.

Коэффициент В в формуле (8) для конкретных условий теплоотдачи можно определить экспериментально. Для точного определения В необходимо измерить несколько раз температуру воды в калориметре при охлаждении с определенным интервалом времени от какой-то начальной температуры и определить с помощью логарифмирования В, а затем усреднить результат по количеству опытов. Шаг по времени для измерения температуры воды следует брать достаточно большим, порядка 10 с. Coefficient B in formula (8) for specific conditions of heat transfer can be determined experimentally. For an accurate determination of B, it is necessary to measure several times the temperature of the water in the calorimeter during cooling at a certain time interval from some initial temperature and determine using the logarithm of B, and then average the result over the number of experiments. The time step for measuring the water temperature should be taken rather large, about 10 s.

При проведении опыта следует наполнить калориметр водой в объеме, используемом при измерениях, то есть примерно на 1/3 от объема цилиндрической части при температуре, соответствующей диапазону измерений, например 50°С. За температуру калориметра принимается температура воды в нем. Среднюю температуру воды в сосуде перед началом ее выравнивания T_WK1 можно определить из формулы на основе (8)During the experiment, the calorimeter should be filled with water in the volume used for measurements, that is, approximately 1/3 of the volume of the cylindrical part at a temperature corresponding to the measurement range, for example, 50 ° C. The temperature of the water in it is taken as the temperature of the calorimeter. The average water temperature in the vessel before the start of its leveling T _WK1 can be determined from the formula based on (8)

Таким образом, по результатам опытов по определению В производится интерполяция средней температуры воды и образца на момент погружения образца на T_WK1. Решение производится с помощью логарифмирования выражения (9)Thus, according to the results of experiments to determine B, the average temperature of the water and the sample at the time of immersion of the sample on T _{WK1 is} interpolated. The solution is made using the logarithm of the expression (9)

Для решения нелинейных уравнений типа (10) в справочниках имеются готовые компьютерные программы, в частности в книге Дьяконова В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке Бейсик для персональных ЭВМ. М.: Наука. 1987. 240 с. - С. 86-91. Эти программы легко могут быть переведены на другие языки программирования. Решение (10) также возможно графоаналитическим методом путем построения графиков правой и левой частей (10).To solve nonlinear equations of the type (10), there are ready-made computer programs in reference books, in particular, in the book by V.P. Dyakonov. Reference book on algorithms and programs in the BASIC language for personal computers. M .: Science. 1987.240 s. - S. 86-91. These programs can be easily translated into other programming languages. Solution (10) is also possible by the graphical analytical method by plotting the graphs of the right and left sides (10).

На фиг. 3 приведен график аппроксимированной зависимости для формулы (8), полученный по шести точкам остывания калориметра с водой при комнатной температуре 22°С с помощью компьютерной программы справочника. Опытные значения практически полностью совпадают с расчетными. Вода охладилась от температуры 47°С до 46,5°С за 121 секунду. При этом получили расчетное значение начальной температуры Т_Н=24,97947°С, значение коэффициента В=1,729488428⋅10^-4 1/с. Среднее алгебраическое отклонение (САО) между расчетными и опытными значениями меньше 0,1%. Это дает значение поправки на охлаждение температуры воды за время ее перемешивания с примерно такой же точностью.FIG. 3 shows a graph of the approximated dependence for formula (8), obtained from six cooling points of the calorimeter with water at a room temperature of 22 ° C using the computer program of the handbook. The experimental values almost completely coincide with the calculated ones. The water cooled from 47 ° C to 46.5 ° C in 121 seconds. At the same time, the calculated value of the initial temperature T _H = 24.97947 ° C was obtained, the value of the coefficient B = 1.729488428⋅10 ^-4 1 / s. The average algebraic deviation (SAO) between the calculated and experimental values is less than 0.1%. This gives the value of the correction for cooling the temperature of the water during its mixing with approximately the same accuracy.

При необходимости могут быть выполнены несколько серий опытов по определению коэффициента В формуле (8) для диапазона используемых температур и массы воды. Тогда значение В может впоследствии выбираться с помощью интерполяции.If necessary, several series of experiments can be performed to determine the coefficient B in formula (8) for the range of temperatures used and the mass of water. The value B can then be subsequently selected by interpolation.

Количество тепла в стенках сосуда Q_S должно определяться по формулеThe amount of heat in the walls of the vessel Q _S should be determined by the formula

где M_S - масса сосуда с датчиком температуры и массой разъема, заслонки, г,where M _S is the mass of the vessel with the temperature sensor and the mass of the connector, damper, g,

c_S - средняя удельная теплоемкость материала стенки сосуда образца, Дж/(г°С),c _S is the average specific heat of the material of the vessel wall of the sample, J / (g ° C),

T_WS - среднемассовая температура массы калориметра, °С,T _WS - mass-average temperature of the calorimeter mass, ° С,

T_W0 - средняя температура воды и стенок сосуда перед помещением образца в калориметр, °С.T _W0 is the average temperature of the water and the walls of the vessel before placing the sample in the calorimeter, ° С.

Принятие средней теплоемкости массы калориметра равной теплоемкости стенок, вносит очень малую погрешность, что обусловлено близкими значениями удельной теплоемкости разных материалов и малой долей массы элементов конструкции калориметра к его общей массе.The adoption of the average heat capacity of the calorimeter mass equal to the heat capacity of the walls introduces a very small error, which is due to the close values of the specific heat capacity of different materials and a small fraction of the mass of the calorimeter structural elements to its total mass.

В формуле (11) используется не температура воды с учетом потерь тепловой энергии в от теплопередачи в окружающую среду T_WK1, а температура после ее выравнивания T_WK, что учитывает, то, что перепад температур во время передачи энергии через стенку сосуда в окружающую среду происходит при температуре окружающей среды примерно на 10-20°С ниже, чем температура воды после помещения образца. Распределение температур по толщине стенки таково, что вторая производная d₂T/dx² положительна, поэтому использование в формуле (11) T_WK обеспечивает более высокую точность определения слагаемого Q_S.In formula (11), not the water temperature is used, taking into account the loss of thermal energy from heat transfer to the environment T _WK1 , but the temperature after its equalization T _WK , which takes into account the fact that the temperature difference during the transfer of energy through the vessel wall to the environment occurs at an ambient temperature about 10-20 ° C lower than the water temperature after placing the sample. The distribution of temperatures over the wall thickness is such that the second derivative d ₂ T / dx ^{2 is} positive, therefore the use of T _WK in formula (11) provides a higher accuracy in determining the term Q _S.

Наиболее сложным является определение средней температуры стенок сосуда. Температура стенок постоянна в пределах высоты воды в цилиндре и изменяется от максимума на границе у поверхности воды T_WK1 до некоторой неизвестной температуры на верхней поверхности сосуда, которую можно в первом приближении можно принять равной начальной температуре стенок T₀₀. Распределение температур носит нелинейный характер. Точное распределение температур можно найти как решение задачи о распределении температур в бесконечном стержне. Начальным и граничным условием будет равенство температуры стенки на уровне воды температуре T_WK1. Распределение температур определяется для момента времени окончания выравнивания температуры воды. Затем можно выполнить путем интегрирования среднюю температуру стенки. Решение такой задачи известно. Однако в таком точном решении нет необходимости.The most difficult thing is to determine the average temperature of the walls of the vessel. The wall temperature is constant within the height of the water in the cylinder and varies from a maximum at the boundary near the water surface T _WK1 to some unknown temperature on the upper surface of the vessel, which can, in a first approximation, be taken equal to the initial wall temperature T ₀₀ . The temperature distribution is non-linear. The exact temperature distribution can be found as a solution to the temperature distribution problem in an infinite rod. The initial and boundary condition will be the equality of the wall temperature at the water level to the temperature T _WK1 . The temperature distribution is determined for the moment of the end of the water temperature equalization. You can then perform by integrating the average wall temperature. The solution to this problem is known. However, such a precise solution is not necessary.

Также точное значение формы распределения температур вдоль стенок калориметра можно получить путем измерения температуры поверхности в нескольких точках по высоте сосудов с помощью широко используемых бесконтактных термометров.Also, the exact value of the shape of the temperature distribution along the walls of the calorimeter can be obtained by measuring the surface temperature at several points along the height of the vessels using widely used non-contact thermometers.

Достаточную точность обеспечит определение средней температуры по формулеAdequate accuracy will ensure the determination of the average temperature by the formula

Допустим температура стенки на границе воды после перемешивания T_WK1=40°С, а начальная температура T₀₀=20°С. Тогда T_C=25°С, что на 5°С ниже полусуммы температур. При этом погрешность определения средней температуры части сосуда, свободной от воды не превысит 2°С. Учитывая, что, допустим, масса этой части сосуда составит 60% его общей массы, средняя температура стенок составитLet us assume the wall temperature at the water boundary after mixing T _WK1 = 40 ° С, and the initial temperature T ₀₀ = 20 ° С. Then T _C = 25 ° C, which is 5 ° C below the half-sum of temperatures. In this case, the error in determining the average temperature of the part of the vessel free of water will not exceed 2 ° C. Considering that, for example, the mass of this part of the vessel will be 60% of its total mass, the average temperature of the walls will be

Таким образом, общая погрешность определения средней температуры стенок будет иметь погрешность около 3%. Учитывая, что масса стенок составляет не более 10% от общей массы воды и образца, это даст вклад в общую погрешность измерений порядка 0,3%. Средняя температура стенок сосуда будет зависеть от соотношения масс стенок до уровня воды и выше уровня воды и может быть как больше полусуммы температур T_WK и T₀₀, так и меньше.Thus, the total error in determining the average wall temperature will have an error of about 3%. Considering that the mass of the walls is no more than 10% of the total mass of water and the sample, this will contribute to the total measurement error of the order of 0.3%. The average temperature of the walls of the vessel will depend on the ratio of the masses of the walls to the water level and above the water level and can be either more than the half-sum of the temperatures T _WK and T ₀₀ , or less.

Удельная теплоемкость материала стенки сосуда c_S, который изготавливается из полиэтилентерефталата, также может выбираться по справочной литературе и мало изменяется в небольшом интервале температур воды порядка 20-50°С, при которой происходит калориметрирование сварочных образцов. При выборе c_S может учитываться доли массы и теплоемкости элементов калориметра из других материалов - датчика температуры воды, соединительных проводов и т.д.The specific heat capacity of the vessel wall material c _S , which is made of polyethylene terephthalate, can also be selected from the reference literature and changes little in a small range of water temperatures of the order of 20-50 ° C, at which the calorimetry of welding samples occurs. When choosing c _{S, one} can take into account the mass fraction and heat capacity of the calorimeter elements made of other materials - a water temperature sensor, connecting wires, etc.

Калориметр используется следующим образом. При калориметрировании тепловой энергии, выделяемой сварочным источником тепла, например, сварочной дугой вначале в диапазоне исследуемых мощностей подбирают приращение температуры воды в калориметре, обеспечивающее достаточно низкую погрешность измерения температуры. Например, если для измерения используется цифровой милливольтметр с точностью измерения ЭДС термопары 0,1 mV, то абсолютная погрешность измерения температуры будет примерно такой же. При необходимости обеспечения относительной точности измерения температур порядка ±1% температура воды в калориметре должна увеличиться примерно на 10°С. Зависимость теплоемкости исследуемого металла образцов от температуры металла известна с высокой точностью и приводится в справочной литературе. Можно использовать правило, что масса воды должна составлять примерно 3-4 массы образца.The calorimeter is used as follows. When calorimetrying the heat energy released by a welding heat source, for example, a welding arc, first, in the range of the investigated powers, the increment of the water temperature in the calorimeter is selected, which provides a sufficiently low temperature measurement error. For example, if a digital millivoltmeter is used for measurement with an accuracy of measuring the emf of a thermocouple of 0.1 mV, then the absolute error in temperature measurement will be approximately the same. If it is necessary to ensure a relative accuracy of temperature measurement of the order of ± 1%, the water temperature in the calorimeter should increase by about 10 ° C. The dependence of the heat capacity of the studied metal of the samples on the temperature of the metal is known with high accuracy and is given in the reference literature. You can use the rule that the mass of water should be about 3-4 mass of the sample.

В качестве материала свариваемых или наплавляемых образцов выбирают сплав определенной марки, для которого известны точные значения удельной теплоемкости в используемом интервале температур. Размеры образцов отличаются не более чем на 1 мм. Перед проведением опытов все образцы взвешиваются на точных весах с точностью до 0, 01 г. В месте хранения образцов устанавливается термометр с точностью измерения температуры места хранения не менее 0,1°С. Образцы маркируют термостойким красителем для идентификации результатов измерений.As the material of the welded or welded samples, an alloy of a certain grade is selected, for which the exact values of the specific heat in the used temperature range are known. The dimensions of the samples differ by no more than 1 mm. Before carrying out the experiments, all samples are weighed on an accurate balance with an accuracy of 0.01 g. A thermometer is installed in the place of storage of the samples with an accuracy of measuring the temperature of the storage place of at least 0.1 ° C. The samples are marked with a heat-resistant dye to identify the measurement results.

Масса сухого калориметра должна быть измерена с той же точностью, что и масса образцов. В эту массу входят и датчик температуры и заслонки калориметра, а также масса соединительных проводов вместе с разъемом для подключения прибора измерения температуры в калориметре.The mass of the dry calorimeter should be measured with the same precision as the mass of the samples. This mass also includes the temperature sensor and the calorimeter shutters, as well as the mass of connecting wires together with a connector for connecting a temperature measuring device in the calorimeter.

До сборки двух частей емкости калориметра в нижнюю цилиндрическую часть наливают необходимое количество воды, ориентируясь на мерные риски из условия оптимального повышения температуры воды в калориметре после погружения образа и выравнивания температуры воды. Определяют продолжительность нагрева образца сварочным источником тепла, исходя из ориентировочных исследуемых параметров процесса.Before assembling two parts of the calorimeter vessel, the required amount of water is poured into the lower cylindrical part, focusing on dimensional risks from the condition of an optimal increase in the water temperature in the calorimeter after immersion of the image and equalization of the water temperature. Determine the duration of heating the sample by the welding heat source, based on the approximate investigated parameters of the process.

После залива воды собирают верхнюю часть сосуда с нижней частью и взвешивают массу калориметра с водой. По разнице масс точно рассчитывают массу воды в калориметре, которая наиболее важна для точного измерения количества теплоты. После этого через разъем подключают датчик измерения температуры, например термопару, расположенную в калориметре в донной его части. Изменение температуры воды в калориметре фиксируют с помощью записывающего регистратора с использованием компьютерной программы.After filling with water, collect the upper part of the vessel with the lower part and weigh the mass of the calorimeter with water. From the difference in masses, the mass of water in the calorimeter is accurately calculated, which is most important for accurate measurement of the amount of heat. After that, a temperature measurement sensor, for example, a thermocouple, located in the calorimeter at the bottom of the calorimeter, is connected through the connector. The change in water temperature in the calorimeter is recorded using a recording recorder using a computer program.

Перед сваркой маркированного образца измеряют температуру в месте хранения, которую принимают за начальную температуру образца T₀₀.Before welding the marked sample, measure the temperature at the storage location, which is taken as the initial sample temperature T ₀₀ .

Перед началом сварки и до окончания выравнивания температур ведут видеофиксацию процесса горения сварочной дуги со скоростью не менее 120 кадров в секунду, что обеспечивает определение времени сварки, времени переноса образца в калориметр и времени выравнивания температур с точностью выше 0,01 с.Before the start of welding and until the end of the temperature equalization, video recording of the process of burning the welding arc at a speed of at least 120 frames per second is carried out, which ensures the determination of the welding time, the time of transfer of the sample to the calorimeter and the time of temperature equalization with an accuracy of better than 0.01 s.

После сварки высвобождают свариваемый образец из держателя и с помощью специальных щипцов с теплоизоляцией перемещают его в калориметр, опуская через отверстие в конической части сосуда вниз к донной части стороной с более высокой температурой для ускорения передачи тепла от образца к воде. После опускания образца, когда он опускается ко дну и опирается на стенку внутри калориметра, заслонку отверстия на конической части немедленно закрывают. В случае образования пара, подавляющая его часть конденсируется на стенках сосуда, в том числе на конической поверхности, способствуя передаче энергии стенкам и выравнивания температуры стенок и воды. Причем в данной конструкции в случае образования пара он, благодаря конической форме верхней части сосуда, максимально конденсируется на стенках сосуда, что ускоряет выравнивание температуры стенок сосуда с температурой воды. Если ориентировочно принять, что доля пара, потерянная из сосуда в окружающее пространство пропорциональна отношение площадей поверхности сосуда и площади отверстия, то она составит порядка 0,02% всей массы пара. Такая погрешность очень незначительно скажется на суммарной погрешности измерения количества теплоты.After welding, the sample to be welded is released from the holder and, using special forceps with thermal insulation, it is moved into the calorimeter, lowering it through the hole in the conical part of the vessel down to the bottom with the side with a higher temperature to accelerate the transfer of heat from the sample to the water. After lowering the sample, when it sinks to the bottom and rests on the wall inside the calorimeter, the shutter of the hole on the conical part is immediately closed. In the event of steam formation, the overwhelming part of it condenses on the walls of the vessel, including on the conical surface, contributing to the transfer of energy to the walls and equalization of the temperature of the walls and water. Moreover, in this design, in the case of steam formation, due to the conical shape of the upper part of the vessel, it condenses as much as possible on the vessel walls, which accelerates the equalization of the temperature of the vessel walls with the water temperature. If it is roughly assumed that the fraction of steam lost from the vessel into the surrounding space is proportional to the ratio of the surface areas of the vessel and the area of the opening, then it will be about 0.02% of the total mass of steam. Such an error will have a very insignificant effect on the total error in measuring the amount of heat.

После этого вручную перемешивают воду в калориметре в течение нескольких секунд. Для спокойного перемешивания воды лучше, чтобы форма сосуда была в виде цилиндра, но возможны и другие формы. Опыт заканчивают после протекания времени заведомо большего времени выравнивания температуры воды, например через 10 с. При обработке и анализе результатов значение максимальной температуры и время выравнивания температур определяют по записи термического цикла температуры воды на регистрирующем устройстве, сравнивая его с данными по времени при видеофиксации процесса.After that, the water is manually stirred in the calorimeter for a few seconds. For gentle mixing of water, it is better to have the shape of the vessel in the form of a cylinder, but other shapes are also possible. The experiment is terminated after a time of the obviously longer time for equalizing the water temperature, for example, after 10 s. When processing and analyzing the results, the value of the maximum temperature and the temperature equalization time are determined by recording the thermal cycle of the water temperature on the recording device, comparing it with the time data during video recording of the process.

После окончания опыта отключают датчик температуры через разъем, сосуд разъединяют на две части, и вынимают сварочный образец. Его высушивают и повторно взвешивают. Он может затем использоваться через достаточно большое время, после выравнивания в нем температуры до температуры помещения. Взвешивание необходимо в любом случае, даже если образец не пригоден к повторному использованию потому что, даже при отсутствии дополнительного металла при сварке, возможно разбрызгивание металла сварочной ванны и его испарение. Если имеет место изменение массы образца после сварки, то в расчетах количества энергии необходимо использование массы образца после высушивания. При сварке с использованием дополнительного металла (присадочной или электродной проволоки) эта проволока должна храниться длительное время в том же помещении, что и образцы.After the end of the experiment, the temperature sensor is disconnected through the connector, the vessel is disconnected into two parts, and the welding sample is taken out. It is dried and reweighed. It can then be used after a sufficiently long time, after it has equalized the temperature to the room temperature. Weighing is necessary in any case, even if the sample is not suitable for reuse, because, even in the absence of additional metal during welding, splashing and evaporation of the weld pool metal is possible. If there is a change in the mass of the sample after welding, then in the calculation of the amount of energy it is necessary to use the mass of the sample after drying. When welding using an additional metal (filler or electrode wire), this wire should be stored for a long time in the same room as the samples.

После удаления образца из калориметра две его части снова соединяют и взвешивают. Это позволяет точно определить массу воды в следующем опыте, поскольку масса самого калориметра не изменяется. При необходимости перед взвешиванием доливают в сосуд воду, ориентируясь на мерные риски. После этого снова с помощью разъема подсоединяют датчик температуры и можно проводить следующий опыт с новым образцом.After removing the sample from the calorimeter, the two parts are reconnected and weighed. This makes it possible to accurately determine the mass of water in the next experiment, since the mass of the calorimeter itself does not change. If necessary, before weighing, add water to the vessel, focusing on the measured risks. After that, the temperature sensor is connected again using the connector and the next experiment can be carried out with a new sample.

При исследованиях эффективной мощности чаще всего используют образцы из пластин с отношением длины к ширине не менее 2-3 и при ширине одной пластины порядка 50 мм. Таким образом, длина образца 100-150 мм. В зависимости от длины образцов может быть выбрана высота цилиндрической части калориметра. Сварку тонких образцов менее 2 мм реализовать сложнее, так как происходит деформирование образцов во время сварки, что требует их прижатия к подкладным устройствам, в которые отбирают тепло от образцов, что трудно учесть. Сварка или наплавка образцов должна выполняться навесу при минимальном контактировании с опорами и токоподводом. Токоподвод выполняется с помощью компактного пружинного прижима для быстрого высвобождения образца после сварки или наплавки, чтобы минимизировать потери энергии при переносе образца в калориметр. Наиболее целесообразно выполнять наплавку. При необходимости учесть влияние зазора, разделки кромок, других факторов на эффективную мощность, должна быть обеспечена фиксация двух деталей, например с помощью прихватки. В этом случае взвешивают собранные образцы для учета массы прихваток. Поэтому оптимальными толщинами образцов при исследованиях является толщины 4-5 мм. При этих толщинах тепловая энергия сосредотачивается в образце, потери энергии в окружающую среду минимальны. В то же время обеспечивается достаточная жесткость образца, позволяющая обойтись без подкладных и прижимных устройств. При больших толщинах она оказывает небольшое влияние условия ввода тепла и теплоотдачу, но необходимо существенное увеличение размеров калориметра и массы воды в нем.In studies of the effective power, samples are most often used from plates with a length-to-width ratio of at least 2-3 and with a width of one plate of the order of 50 mm. Thus, the sample length is 100-150 mm. Depending on the length of the samples, the height of the cylindrical part of the calorimeter can be selected. Welding of thin samples less than 2 mm is more difficult to implement, since the deformation of the samples occurs during welding, which requires them to be pressed against the backing devices, into which heat is removed from the samples, which is difficult to take into account. Welding or cladding of samples should be carried out over a canopy with minimal contact with the supports and the current lead. The current feed is performed using a compact spring clamp for quick release of the sample after welding or deposition to minimize energy loss during transfer of the sample to the calorimeter. Surfacing is most advisable. If it is necessary to take into account the influence of the gap, grooving, and other factors on the effective power, the fixation of the two parts must be ensured, for example, using a tack. In this case, the collected samples are weighed to take into account the weight of the tacks. Therefore, the optimal thickness of samples for research is 4-5 mm. At these thicknesses, thermal energy is concentrated in the sample, and energy losses to the environment are minimal. At the same time, sufficient rigidity of the sample is ensured, which makes it possible to do without padding and clamping devices. At large thicknesses, it has little effect on the conditions for heat input and heat transfer, but a significant increase in the size of the calorimeter and the mass of water in it is necessary.

Пример 1. С помощью калориметра предлагаемой конструкции калориметрировали количество тепловой энергии, передаваемой сварочной дугой наплавляемой пластине из коррозионностойкой стали Х18Н10. В качестве сварочного источника тепла использовали свободную дугу, горящую в среде аргона с неплавящимся вольфрамовым электродом. Наплавку вели без присадочной проволоки. Размеры образцов 96×49×3,7 мм. Дугу питали в режиме постоянного тока прямой полярности от сварочного источника Brima TIG-200P AC/DC, предназначенного для сварки разнополярными импульсами тока прямоугольной формы. Для наплавки использовали сварочную горелку типа ГНР с керамическим соплом, которое заканчивалось цилиндрическим участком с внутренним диаметром 13 мм и длиной 27 мм. Установочная длина дуги во всех опытах была 2,7 мм. Вольфрамовый электрод марки ЭВИ диаметром 4 мм затачивался на угол 30°, расстояние от сопла до изделия 7 мм. Расход защитного аргона, измеряемого по ротаметру РМ-0,04 ЖУ2, составлял 7 л/мин. На каждом из токов дуги I=99 А и I=80 А производили по 3 опыта с некоторым изменением времени горения дуги t_Д. Время горения дуги определялось с помощью видеосъемки дуги со скоростью 120 кадров в секунду с точностью 0,0083 с. Ток дуги измеряли с видеофиксацией цифровой панели источника питания, напряжение дуги - стрелочным вольтметром Э59 класса 0.5, также видеофиксацией. Массу образцов определяли взвешиванием на химических весах с точностью до 0,01 г. Масса каждой пластины составляла в среднем 147, 3 г. Example 1. Using a calorimeter of the proposed design, the amount of heat energy transmitted by the welding arc to a weld plate made of corrosion-resistant steel X18H10 was calorimetric. A free arc burning in an argon atmosphere with a non-consumable tungsten electrode was used as a welding heat source. Surfacing was carried out without filler wire. The dimensions of the samples are 96 × 49 × 3.7 mm. The arc was fed in direct current direct polarity mode from a Brima TIG-200P AC / DC welding source intended for welding with bipolar rectangular current pulses. For surfacing, a GNR-type welding torch with a ceramic nozzle was used, which ended in a cylindrical section with an inner diameter of 13 mm and a length of 27 mm. The installation length of the arc in all experiments was 2.7 mm. An EVI grade tungsten electrode 4 mm in diameter was sharpened at an angle of 30 °, the distance from the nozzle to the product was 7 mm. The consumption of protective argon, measured with a rotameter RM-0.04 ZhU2, was 7 l / min. On each of the arc current I = 99 A, and I = 80 A produced 3 experience with some variation arcing time t _D. The arc burning time was determined by filming the arc at a speed of 120 frames per second with an accuracy of 0.0083 s. The arc current was measured with video recording of the digital panel of the power source, the arc voltage was measured with an E59 class 0.5 pointer voltmeter, also with video recording. The mass of the samples was determined by weighing on a chemical balance with an accuracy of 0.01 g. The mass of each plate averaged 147.3 g.

Наплавку на пластины производили на весу при токоподводе сварочного кабеля к пластине с двух сторон на общей площади 2 см², что, по сравнению с суммарной площадью поверхности 105 см², составляет меньше 2%, что обеспечивало небольшие потери энергии в токоподводы во время наплавки. Следует учитывать, что потери тепла в токоподвод компенсируются выделением небольшой мощности Джоуля-Ленца в контакте токоподвода с образцом. На каждую пластину наплавляли точки с 30% смещением от центра по длине образцов, чтобы иметь возможность погружались их в воду стороной с более холодной частью, что сводит к минимуму испарение при погружении образца в воду.Surfacing on the plates was carried out by weight with the current lead of the welding cable to the plate from both sides on a total area of 2 cm ² , which, compared to the total surface area of 105 cm ² , is less than 2%, which provided small energy losses into the current leads during surfacing. It should be taken into account that heat losses in the current lead are compensated by the release of a small Joule-Lenz power in the contact of the current lead with the sample. Dots were deposited on each plate with a 30% offset from the center along the length of the samples to be able to immerse them in water with the colder side, which minimizes evaporation when the sample is immersed in water.

После наплавки образец быстро перемещали в калориметр с водой в течение 5-6 секунд и после перемешивания и выравнивания температуры воды производили повторное измерение температуры воды с образцом.After surfacing, the sample was quickly transferred to the calorimeter with water for 5-6 seconds, and after stirring and equalizing the water temperature, the temperature of the water with the sample was measured again.

Для изготовления калориметра была использована емкость из полиэтилентерефталата с толщиной стенки 0,3 мм диаметром 80 мм, объемом около 1000 см³, состоящая из двух частей, одна из них которых была на конце конусной. Теплоемкость этого материала c_S=1,08 Дж/г, теплопроводность λ=0,14 Вт/(м°⋅К). Температура плавления данного материала составляет 200°С, поэтому при погружении образца в случае соприкосновения его со стенками, стенки не подплавлялись. Температура на кромках образца не превышает этой температуры, поэтому предохранять стенки от расплавления нет необходимости. Теплофизические данные взяты на сайте http//vuzlit.ru/728916/fizicheskie_ (Дата обращения 02.11.2020).For the manufacture of the calorimeter, a container made of polyethylene terephthalate with a wall thickness of 0.3 mm and a diameter of 80 mm, with a volume of about 1000 cm ³ , consisting of two parts, one of which was at the end of the conical, was used. The heat capacity of this material c _S = 1.08 J / g, thermal conductivity λ = 0.14 W / (m ° ⋅K). The melting temperature of this material is 200 ° C, therefore, when the sample was immersed in the case of contact with the walls, the walls were not melted. The temperature at the edges of the sample does not exceed this temperature; therefore, there is no need to protect the walls from melting. Thermophysical data were taken from the website http // vuzlit.ru / 728916 / fizicheskie_ (Date of treatment 11/02/2020).

Собранный сухой калориметр взвешивали вместе с термопарой, отключенный от измерительного прибора через разъем. Его масса составляла 40,1 г. Воду в нижнюю часть калориметра заливали до сборки частей, ориентируясь на нанесенные риски на внешней поверхности сосуда, а затем устанавливали верхнюю часть с конусом и отверстием для погружения образца. Размеры отверстия на 0,5 мм превышали размеры образцов, то есть были 49,5×4,2 мм, что обеспечивало свободное прохождение образца в сосуд калориметра. Отверстие быстро закрывалось поворотной заслонкой из того же материала после погружения образца.The assembled dry calorimeter was weighed together with a thermocouple, disconnected from the measuring device through a connector. Its mass was 40.1 g. Water was poured into the lower part of the calorimeter before assembling the parts, focusing on the marked marks on the outer surface of the vessel, and then the upper part with a cone and a hole for immersion of the sample was installed. The dimensions of the hole were 0.5 mm larger than the dimensions of the samples, that is, they were 49.5 × 4.2 mm, which ensured free passage of the sample into the calorimeter vessel. The hole was quickly closed with a rotary flap made of the same material after the sample was immersed.

В придонной области калориметра устанавливали термопару из сплава хромель-алюмель и измеряли температуру воды с точностью 0,1°С по предварительно оттарированному микропроцессорному прибору 2ТРМ0. После помещения образца в калориметр воду в нем перемешивали до момента выравнивания ее температуры в течение 5-7 секунд. Сварочный образец находился в сосуде под наклоном к стенке и опирался одним ребром в дно емкости, и боковой поверхностью на стенку. Образец погружается в воду примерно на 0,3-0,5 его длины. Вследствие большой площади соприкосновения сварочного образца с водой и высокой теплопроводности металла происходит полное выравнивание температуры воды и образца за время перемешивания. Результаты измерений и расчетов приведены в таблице 4 и на диаграммах фиг. 4.A thermocouple made of chromel-alumel alloy was installed in the bottom area of the calorimeter, and the water temperature was measured with an accuracy of 0.1 ° C using a previously calibrated 2TPM0 microprocessor device. After placing the sample in the calorimeter, the water was stirred in it until its temperature was equalized for 5-7 seconds. The welding sample was in the vessel at an angle to the wall and supported with one edge against the bottom of the vessel, and with its lateral surface against the wall. The sample is immersed in water for about 0.3-0.5 of its length. Due to the large area of contact of the welding sample with water and the high thermal conductivity of the metal, the temperature of the water and the sample is completely equalized during stirring. The results of measurements and calculations are shown in Table 4 and in the diagrams in FIG. 4.

Диаграммы получены для двух токов дуги 99 и 80 А. Средние значения удельной эффективной мощности по трем опытам показаны пунктирными линиями. Малая величина среднего алгебраического отклонения удельной эффективной мощности на 1 А для обеих токов свидетельствует о достаточно высокой точности определения количества тепла, поглощаемого свариваемыми образцами. Значения эффективной мощности получены без учета поправок на теплоотдачу от наплавляемых образцов при сварке и при переносе их в калориметр. Значения удельной эффективной мощности хорошо согласуются с результатами, полученными с помощью сложного калориметра Seebeck Envelope Calorimetr в работе GTA Welding Efficiency: Calorimetric and Temperature Field Meausuremtnts / B.W Giedt, L.N. Tfllerico and P.W. Fuerschbach//Welding Research Supperment. - 1989 t. - 96. - s. 28-32 при близких параметрах.The diagrams were obtained for two arc currents 99 and 80 A. The average values of the specific effective power for three experiments are shown by dashed lines. The small value of the average algebraic deviation of the specific effective power per 1 A for both currents indicates a fairly high accuracy in determining the amount of heat absorbed by the welded samples. The values of the effective power were obtained without taking into account the corrections for heat transfer from the deposited samples during welding and during their transfer to the calorimeter. The power density values are in good agreement with the results obtained with the complex Seebeck Envelope Calorimetr in GTA Welding Efficiency: Calorimetric and Temperature Field Meausuremtnts / B.W. Giedt, L.N. Tfllerico and P.W. Fuerschbach // Welding Research Supperment. - 1989 t. - 96. - s. 28-32 with similar parameters.

После заполнения сосуда калориметра водой его снова взвешивали и по разнице замеров заполненного и сухого калориметра определяли массу воды с точностью 0,01 г. Температуру образца до сварки принимали равной температуре помещения, в котором образцы выдерживались длительное время.After filling the calorimeter vessel with water, it was weighed again and the water mass was determined from the difference between the measurements of the filled and dry calorimeter with an accuracy of 0.01 g. The sample temperature before welding was taken equal to the temperature of the room in which the samples were kept for a long time.

Конечную среднюю температуру воды в калориметре принимали после данным видеосъемки табло микропроцессорного прибора.The final average water temperature in the calorimeter was taken after the data of video filming of the microprocessor device board.

При выполнении расчетов удельную теплоемкость воды c_W принимали по справочнику по среднему значению в интервале ее начальной температуры и температуры после выравнивания. Удельная теплоемкость стали c_C, принималась по справочным данным как среднее значение в интервале между начальной температурой и температурой после выравнивания c_C=0,465 Дж/(г°С), удельная теплоемкость полиэтиллентерефталата С_П, принималась по данным ранее приведенного сайта постоянной с_П=1,08 Дж/(г°С). Время переноса образца в калориметр определяли по видеосъемке. На каждом из токов дуги I=99 А и I=80 А производили по 3 опыта с некоторым изменением времени горения дуги t_d. Время горения дуги измерялось с помощью видеосъемки дуги со скоростью 120 кадров в секунду с точностью 0,01 с. Ток дуги измеряли с видеофиксацией цифровой панели источника питания, напряжение дуги - стрелочным вольтметром Э59 класса 0.5, также видеофиксацией.When performing the calculations, the specific heat capacity of water c _{W was} taken according to the reference book according to the average value in the range of its initial temperature and the temperature after equalization. The specific heat capacity of steel c _C was taken according to the reference data as the average value in the interval between the initial temperature and the temperature after leveling c _C = 0.465 J / (g ° C), the specific heat capacity of polyethylene terephthalate C _P was taken according to the data of the previously given site as constant with _P = 1.08 J / (g ° C). The time of transfer of the sample to the calorimeter was determined by video recording. At each of the arc currents I = 99 A and I = 80 A, 3 experiments were performed with some change in the arc burning time t _d . The arc burning time was measured using video recording of the arc at a speed of 120 frames per second with an accuracy of 0.01 s. The arc current was measured with video recording of the digital panel of the power source, the arc voltage was measured with an E59 class 0.5 pointer voltmeter, also with video recording.

Предварительно, путем проведения опытов по измерению температуры воды в калориметре, был рассчитан коэффициент В при таком же объеме воды, залитой в калориметр. Температуру измеряли с интервалом 10 секунд и для определения коэффициента по методу наименьших квадратов использовали стандартную компьютерную программу расчета экспоненциальной функции, приведенную в справочнике Дьяконова В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке Бейсик для персональных ЭВМ. М.: Наука. 1987. - 240 с. - С. 141, программа 5.22. В результате получили среднее значение В=1,7310^-4 1/с при среднем относительном отклонении абсолютных величин от среднего значения САО 0,1%. Значения САО дают наиболее простую и наглядную оценку разброса опытных данных (см. Львовский Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул. М.: Высш. шк. - 1988. - 239 с. - С. 28).Preliminarily, by conducting experiments on measuring the water temperature in the calorimeter, the coefficient B was calculated for the same volume of water poured into the calorimeter. The temperature was measured with an interval of 10 seconds, and to determine the coefficient by the method of least squares, a standard computer program for calculating the exponential function, given in the reference book by V.P. Dyakonov, was used. Reference book on algorithms and programs in the BASIC language for personal computers. M .: Science. 1987 .-- 240 p. - P. 141, program 5.22. As a result, an average value of B = 1.7310 ^-4 1 / s was obtained with an average relative deviation of the absolute values from the average value of the CAO of 0.1%. The CAO values give the most simple and visual assessment of the scatter of experimental data (see Lvovskiy E.N. Statistical methods for constructing empirical formulas. M .: Higher school. - 1988. - 239 p. - P. 28).

После проведения опыта сначала рассчитывали среднюю температуру воды в калориметре W_K1 с учетом потерь теплоты от калориметра в окружающую среду с помощью формулы (11). В результате температурная поправка (T_W1-T_W0) на снижение средней температуры воды в калориметре за счет теплоотдачи в процессе выравнивания температуры изменялась в опытах в пределах 0,07-0,1°С (таблица 4)After the experiment, the average water temperature in the calorimeter W _{K1 was} first calculated taking into account the heat loss from the calorimeter to the environment using formula (11). As a result, the temperature correction (T _W1 -T _W0 ) for a decrease in the average water temperature in the calorimeter due to heat transfer in the process of temperature equalization changed in the experiments within the range of 0.07-0.1 ° C (Table 4)

Затем вели расчет составляющих тепловой энергии сварки по формуле (4). Для повышения производительности расчетов была составлена компьютерная программа на языке С+, на которой выполняли все необходимые расчеты.Then the components of the thermal energy of welding were calculated according to the formula (4). To increase the productivity of calculations, a computer program was compiled in the C + language, on which all the necessary calculations were performed.

Примечание: q_УS - среднее значение удельной эффективной мощности по данным трех опытов; η_S - среднее значение эффективного КПД по данным трех опытов.Note: q _УS - the average value of the specific effective power according to the data of three experiments; η _S is the average value of the effective efficiency according to the data of three experiments.

Так как время горении дуги отличалось в разных опытах, что равносильно изменению скорости сварки при сварке протяженных сварных швов, то наилучшим образом разброс экспериментальных данных характеризует удельная эффективная мощность на 1 А тока дуги q_y. САО для двух серий опытов разных токах отличаются незначительно. Значения эффективного КПД отличаются примерно на 4,5% в меньшую сторону, чем полученные в аналогичных условиях в работе GTA Welding Efficiency: Calorimetric and Temperature Field Meausuremtnts / B.W. Giedt, L.N. Tfllerico and P.W. Fuerschbach // Welding Research Supperment. - 1989 t. - 96. - s. 28-32 с помощью сложного калориметра Seebeck Envelope Calorimetr. При этом в данной работе калориметрирование проводилось для движущейся дуги. Известно, что с увеличением скорости сварки КПД несколько выше из-за интенсификации конвективной передачи тепла дугой к более холодному изделию. Поэтому точность измерений с помощью предлагаемого калориметра на уровне высокоточных сложных калориметров.Since the arc burning time differed in different experiments, which is equivalent to a change in the welding speed when welding long welded seams, the best way to characterize the scatter of experimental data is the specific effective power per 1 A of the arc current q _y . SAO for two series of experiments at different currents differ insignificantly. Effective efficiency values differ by about 4.5% less than those obtained under similar conditions in GTA Welding Efficiency: Calorimetric and Temperature Field Meausuremtnts / BW Giedt, LN Tfllerico and PW Fuerschbach // Welding Research Supperment. - 1989 t. - 96. - s. 28-32 with the sophisticated Seebeck Envelope Calorimetr. Moreover, in this work, calorimetry was carried out for a moving arc. It is known that with an increase in the welding speed, the efficiency is somewhat higher due to the intensification of convective heat transfer by the arc to a colder product. Therefore, the accuracy of measurements using the proposed calorimeter is at the level of high-precision complex calorimeters.

Удельная эффективная мощность q_y в приведенной выше работе увеличивается с увеличением тока сварки. Приращение при увеличении тока на 100 А составляет 0,63-10^-2 Вт/А². В нашем случае аналогичное приращение составляет 0,9-10^-2 Вт/А². То есть в обоих случаях обнаружена подобная зависимость роста удельной эффективной мощности с ростом тока, причем диаметры вольфрамовых электродов были различны. Это свидетельствует о высокой точности измерений, обеспечиваемой при использовании калориметра предлагаемой конструкции.Specific effective power q _y in the above work increases with increasing welding current. The increment with increasing current by 100 A is 0.63-10 ^-2 W / A ² . In our case, a similar increment is 0.9-10 ^-2 W / A ² . That is, in both cases, a similar dependence of the increase in the specific effective power with increasing current was found, and the diameters of the tungsten electrodes were different. This testifies to the high measurement accuracy provided when using the calorimeter of the proposed design.

Из таблицы 4 видно, что потери энергии на теплоотдачу от калориметра в процессе выравнивания температур весьма незначительны.Table 4 shows that the energy losses for heat transfer from the calorimeter in the process of temperature equalization are very insignificant.

За значения q_y и η принималось ее среднее значение по данным трех опытов на одном токе.For the values of q _y and η, its average value was taken according to the data of three experiments at one current.

Пример 2. Проводили определение эффективной мощности сварочной дуги обратной полярности с плавящимся электродом при механизированной наплавке шва на образцы из алюминиевого сплава АМц (см. фиг. 1).Example 2. Conducted the determination of the effective power of the welding arc of reverse polarity with a consumable electrode during mechanized surfacing of the seam on samples of aluminum alloy AMts (see Fig. 1).

Наплавку вели от источника питания Kempi KMS-50 с подающим механизмом Kempi FastMig MXF 65 проволокой диаметром 1,2 мм, содержащей 99,7% алюминия. Расход защитного аргона по ротаметру установки составлял 20 л/мин. Наплавку выполнял квалифицированный сварщик. На данной установке задается скорость подачи проволоки, которая поддерживается постоянной, регулированием силы тока. Кроме того, записывали данные по току и напряжению дуги с помощью электронного регистратора на компьютер.Surfacing was carried out from a Kempi KMS-50 power source with a Kempi FastMig MXF 65 feeder with a 1.2 mm diameter wire containing 99.7% aluminum. The flow rate of protective argon through the rotameter of the installation was 20 l / min. The surfacing was performed by a qualified welder. This setting sets the wire feed speed, which is kept constant by adjusting the amperage. In addition, the data on the arc current and voltage were recorded using an electronic recorder on a computer.

Определение эффективной мощности производили с помощью калориметрирования наплавленных сварочной дугой образцов (пластин) размерами 127×39×6 мм. После наплавки пластины помещали в калориметр из тонкостенного полиэтилентерефлата, с водой массой 500 г. Масса калориметра составляла 34,9 г. В верхней части калориметра было выполнено закрывающееся узкое отверстие с размерами, обеспечивающими быстрое погружение образца в воду. После погружения образца в воду отверстие закрывали во избежание утечки из него пара. Образцы наплавляли вдоль пластины по ее центру и погружали в воду стороной с более холодной частью, что сводило к минимуму испарение. При этом в случае испарения пар оседает на стенках калориметра, нагревает их и воду, что повышает точность измерений. Массу образцов определяли взвешиванием на химических весах с точностью до 0,01 г до сварки и после калориметрирования. Температуру образца до сварки принимали равной температуре помещения, в котором образцы выдерживались длительное время. При повторном использовании образца после его остывания его температура уточнялась с помощью специальной термопары, прижимаемой к поверхности. В придонной области калориметра устанавливали термопару и измеряли температуру воды с точностью 0,1°С по микропроцессорному прибору 2ТРМ0. После помещения образца в калориметр, воду в нем перемешивали до момента выравнивания ее температуры, что происходило в течение примерно 5 секунд.Determination of the effective power was carried out using calorimetry of samples (plates) with dimensions of 127 × 39 × 6 mm deposited with a welding arc. After surfacing, the plates were placed in a calorimeter made of thin-walled polyethylene tereflate with water weighing 500 g. The calorimeter mass was 34.9 g. A closable narrow hole was made in the upper part of the calorimeter with dimensions that ensure rapid immersion of the sample in water. After immersing the sample in water, the hole was closed to prevent vapor leakage from it. Samples were deposited along the center of the wafer and immersed in water with the colder side to minimize evaporation. In this case, in the case of evaporation, the vapor settles on the walls of the calorimeter, heats them and the water, which increases the measurement accuracy. The mass of the samples was determined by weighing on a chemical balance with an accuracy of 0.01 g before welding and after calorimetry. The temperature of the sample before welding was taken equal to the temperature of the room in which the samples were kept for a long time. When the sample was reused after its cooling, its temperature was specified using a special thermocouple pressed to the surface. A thermocouple was installed in the bottom area of the calorimeter and the water temperature was measured with an accuracy of 0.1 ° C using a 2TRM0 microprocessor device. After placing the sample in the calorimeter, the water was stirred in it until its temperature was equalized, which took about 5 seconds.

Образцы располагались на решетчатом сварочном столе без прижатия, что обеспечивало небольшие потери энергии во время наплавки. Время наплавки в зависимости от тока дуги варьировалось от 3 до 10 секунд.The samples were placed on a grid welding table without pressing, which provided small energy losses during surfacing. The surfacing time, depending on the arc current, varied from 3 to 10 seconds.

Эффективную мощность сварочной дуги q_И рассчитывали без учета потерь в окружающую среду в процессе наплавки и при переносе образца в калориметр по формуле:The effective power of the welding arc q _{And was} calculated without taking into account losses to the environment during surfacing and when transferring the sample to the calorimeter according to the formula:

где c_W - удельная теплоемкость воды, Дж/(г⋅°С),where c _W is the specific heat capacity of water, J / (g⋅ ° C),

M_W - масса воды, г,M _W - mass of water, g,

ΔТ_B - изменение температуры воды по отношению к ее начальной температуре, °С,ΔТ _B - change in water temperature in relation to its initial temperature, ° С,

c_S - удельная теплоемкость сплава АМц, принималась по литературным данным c_S=1,0 Дж/(г⋅°С),c _S is the specific heat capacity of the AMts alloy, taken according to the literature data c _S = 1.0 J / (g⋅ ° C),

M_O - масса образца после окончания опыта, г,M _O is the mass of the sample after the end of the experiment, g,

ΔT_O - изменение температуры пластины по отношению к ее начальной температуре, °С,ΔT _O is the change in the temperature of the plate in relation to its initial temperature, ° С,

c_S - удельная теплоемкость полиэтилена, принималась по литературным данным с_П=1,0 Дж/(г°С),c _S - specific heat capacity of polyethylene, taken according to literature data with _P = 1.0 J / (g ° C),

M_S - масса стенок емкости из полиэтилена, г,M _S is the mass of the walls of the polyethylene container, g,

t_Д - время горения дуги, секунд.t _D - arc burning time, seconds.

На токе дуги 200 А произвели 3 опыта с некоторым изменением времени горения дуги t. Время горения дуги измерялось с помощью видеосъемки дуги со скоростью 120 кадров в секунду с точностью выше 0,01 с. Ток дуги измеряли с видеофиксацией цифровой панели источника питания, напряжение сварки - стрелочным вольтметром Э59 класса 0.5 и также видеофиксацией. За значение эффективной мощности принималось ее среднее значение по данным трех опытов на одной установке тока. Результаты измерений и расчетов приведены в таблице 5.At an arc current of 200 A, 3 experiments were carried out with some change in the arc burning time t. The arc burning time was measured using video recording of the arc at a speed of 120 frames per second with an accuracy of better than 0.01 s. The arc current was measured with video recording of the digital panel of the power source, the welding voltage was measured with an E59 class 0.5 pointer voltmeter and also video recording. The value of the effective power was taken to be its average value according to the data of three experiments on one current setting. The results of measurements and calculations are shown in Table 5.

Примечание: g - производительность наплавки электродной алюминиевой проволоки; указаны значения САО для величины в предыдущем столбце.Note: g - productivity of welding electrode aluminum wire; the CAO values for the quantity in the previous column are indicated.

Как видно из таблицы 5 значение САО=0,57% для удельной эффективной мощности очень мало, что свидетельствует о высокой стабильности и точности измерений тепловой энергии с учетом того, что время наплавки изменялось, а перемещение дуги вдоль образца производилось вручную.As can be seen from Table 5, the value of CAO = 0.57% for the specific effective power is very small, which indicates a high stability and accuracy of measurements of thermal energy, taking into account the fact that the deposition time was changed, and the arc was moved along the sample manually.

Полученное значение эффективного КПД дуги с плавящимся электродом η=0,8 хорошо совпадает с литературными данными. В работе A. Haeslig, M.Kusch, P.Mair. Welding in the World. New findings on the efficiency of gas shielded arc welding. - 2012. - vol. 56. - P. 98-104 установлено, что дуга в аргоне с плавящимся электродом на обратной полярности имеет эффективный КПД в пределах η=0,73-0,91. Среднее значение получается η=0,82. С учетом того, что в примере 2 не учитывались потери на теплоотдачу, совпадение очень хорошее.The obtained value of the effective efficiency of the arc with a consumable electrode η = 0.8 is in good agreement with the literature data. In the work of A. Haeslig, M. Kusch, P. Mair. Welding in the World. New findings on the efficiency of gas shielded arc welding. - 2012. - vol. 56. - P. 98-104 it was established that an arc in argon with a consumable electrode on reverse polarity has an effective efficiency in the range η = 0.73-0.91. The average value is obtained as η = 0.82. Considering that heat transfer losses were not taken into account in Example 2, the match is very good.

Предлагаемая конструкция калориметра отличается доступностью комплектующих материалов, что позволяет изготовить такой калориметр для большого диапазона толщин свариваемых изделий и проводить определение эффективной мощности не только в исследовательских целях, но и в условиях производственных лабораторий сварки и учебных заведений. Значительно сокращается трудоемкость проводимых опытов. В то же время обеспечивается высокая точность измерений тепловой энергии соответствующая точности ее воспроизведения в условиях сварки. Это свидетельствует о промышленной применимости калориметра и позволит проводить оптимизацию параметров сварки, существенно экономить как непосредственно сварочную энергию и затраты полной энергии ее преобразователей. Методика измерений количества тепла сварочных образцов с помощью предлагаемого калориметра имеет возможности повышения точности измерений за счет уточнения коэффициентов теплоотдачи с поверхности калориметра и уточнения степени выравнивания температуры стенок с температурой воды за время выравнивания температуры воды.The proposed design of the calorimeter is distinguished by the availability of component materials, which makes it possible to manufacture such a calorimeter for a wide range of thicknesses of the welded products and to determine the effective power not only for research purposes, but also in the conditions of industrial welding laboratories and educational institutions. The labor intensity of the experiments is significantly reduced. At the same time, high accuracy of thermal energy measurements is ensured, corresponding to the accuracy of its reproduction under welding conditions. This testifies to the industrial applicability of the calorimeter and will make it possible to optimize the welding parameters, to significantly save both welding energy and the total energy consumption of its converters. The technique for measuring the amount of heat of welding samples using the proposed calorimeter has the ability to increase the measurement accuracy by refining the heat transfer coefficients from the calorimeter surface and refining the degree of equalization of the wall temperature with the water temperature during the time of equalization of the water temperature.

Claims

1. Welding calorimeter for measuring the thermal energy introduced into the welding sample during arc welding or surfacing, containing a vessel for placing the calorimetric liquid and the welding sample in it, a sensor for measuring the temperature of the calorimetric liquid located in the bottom area, characterized in that the vessel is split from two tightly fitting parts of a transparent waterproof non-metallic heat-resistant material with a thickness of 0.2-0.4 mm, and one part is cylindrical, and the other has a cylindrical section and a conical section, the height of which is 0.25-0.45 height cylindrical section, while the split vessel is made with the possibility of mutual longitudinal movement of its cylindrical sections to change the volume of the vessel depending on the length of the welding sample, and an opening is made on the conical part for introducing a calorimetable welding sample into the vessel, while the length of the hole is equal to the maximum width of the welding sample, and the width of the hole is equal to the maximum thickness of the sample to be welded with a tolerance for its free passage, moreover, a rotary damper is installed on the conical part of the vessel to close the aforementioned hole after the welding sample is immersed in the vessel, and the temperature sensor in the bottom of the vessel is connected to the measuring device through a connector , fixed on the wall outside the vessel, while graduations are applied to the outer surface of the vessel to measure the mass of the calorimetric liquid.

2. Welding calorimeter according to claim 1, characterized in that the vessel is made of polyethylene terephthalate.