Сварка в машиностроении.Том 1 (1041435), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Источники теплоты, применяемые для сварки, характеризуются эффективной тепловой мощностью, распределением выделяемой теплоты по поверхности или объему изделия и изменением этого распределения во времени. НАГРЕВ МЕТАЛЛА СВАРОЧНОЙ ДУГОЙ Тепловые характеристики сварочной дуги. Полную тепловую мощность дуги приближенно считают равной тепловому эквиваленту ее электрической мощности (0,24 (//, кал/с, где 1/ — падение напряжения на дуге, В; / — сила тока, А). Эффективная тепловая мощность дуги д есть количество теплоты, введенное за единицу времени в металл изделия и затраченное на его нагрев, здесь т)и — эффективный КПД процесса нагрева, представляющий отношение количества теплоты, введенное дугой в изделие, к тепловому эквиваленту электрической мощности дуги.
Он характеризует эффективность процесса выделения теплоты и теплообмена в дуговом промежутке н зависит от технологических условий сварки. Экспериментальные данные показывают, что Чя изменяется в следующих пределах: О,?Π— 0,85 — при сварке открытой дугой металлическими электродами; 0,90 — 0,99 — при сварке под флюсом; 0,50 — 0,75 при сварке угольными электродами в диапазоне мощностей 300 — 12 000 кал/с. Он уменьшается с удлинением дуги и возрастает с углублением дуги в ванну.
При металлических электродах Чи в малой степени зависит от полярности и величины сварочного тока. Тепловой поток сварочной дуги наиболее интенсивен в центральной части пятна нагрева, где происходит выделение теплоты в поверхностных слоях металла на~ряжения дуги датах увеличивается. С повышением напряжения, т. е. с удлинением дуги, при неизменном токе д „, „ уменьшается и распределение удельного теплового потока становится менее сосредоточенным (рис. 2).
Тепловой поток электрической дуги под флюсом значительно более сосредоточен, чем тепловой поток открытой угольной или металлической дуги (рис. 3). Рис. 3. Распределение удельного теплового потока да |кал/(смя с)) по пятну нагрева: а — открытой угольной дуги; б — открытой металлической дуги; в — металлической дуги под флюсом Расчеты тепловых процессов при сварке ууагрев металла сварочной дугой 25 Т Я, х)= — ехр — — (х+Я) 2лХИ 2а где )с' = х'+ у'+ га. Изотермические поверхности вращения вокруг оси перемещения значительно сгущены впереди источника и разрежены в области, пройденной источником.
С приближением к точечному источнику расчетная температура неограниченно возрастает. Дуговая сварка листов встык (однопроходная) описывается схемой перемещения линейного источника теплоты по бесконечной пластине с теплоотдачей на поверхности и с полным выравниванием температуры по толщине б, см. Температура предельного состояния процесса, отнесенная к подвижным координатам, выражается соотношением (г х) = 2 )„б ехр — 2 а (4) 8Ха где та=1+ — — критерий влияния теплоотдачи; гв = ха+ ув; К (и) (осу)в 6 о функция Бесселя от мнимого аргумента второго рода нулевого порядка. Процессы распространения теплоты.
Теплота местного источника, сосредоточенного на небольшом участке поверхности или в малом объеме изделия, сравнительно быстро нагревает металл до высокой температуры. Вследствие теплопроводности металла и теплообмена на поверхности теплота отводится от области приложения источника; местный нагрев до заданной температуры замедляется и снижается его эффективность.
Располагая характеристиками источников теплоты, можно рассчитать процесс распространения ее в металле. Из принципа местного влияния теории теплопроводности следует, что характер распределения теплоты местного источника оказывает существенное влияние на температурное поле только в области, близкой к источнику. Поэтому температурные поля в изделии в области, удаленной от дуги, можно описывать с достаточной точностью, схематизируя характер распределения теплового потока дуги. Наиболее просто считать, что теплота источника сосредоточена в элементарном объеме: в точке, по отрезку прямой или по участку плоскости в соответствии с формой теплопроводящего тела. При более точных расчетах температуры в области, близкой к дуге, следует учитывать распределение потока дуги, описываемое нормальным законом (2).
~ Коэффициенты теплофизических свойств металла иэделия, осредненные в расчетном интервале температур, обозначены: Х вЂ” коэффициент теплопроводности, кал/(см с 'С); су — объемная теплоемкость, кал/(сма 'С); и = — — коэффициент су температуропроводности, см'/с. Поверхностный теплообмен изделия с окружающим воздухом характеризуется коэффициентом теплообмена се, кал/(сма с С), Процесс распространения теплоты при сварке можно разделить на три стадии: теплонасыщение, когда температуры в поле, перемещающемся вместе с источником теплоты, продолжают нарастать; предельное квазистационарное состояние, когда подвижное поле практически устанавливается; выравнивание температуры по окончании сварки. Наплавка дугой валика на массивное изделие описывается схемой точечного источника теплоты а, кал/с постоянной мощности, равномерно и прямолинейно перемещающегося по поверхности полубесконечного тела со скоростью о, см!с (рис.
4). Температура предельного состояния процесса, отнесенная к подвижным координатам ХУЯ, связанным с источником О, выражается соотношением Теплота в листе менее сконцентрирована у дуги но сравнению с теплотой в массивном теле (рнс. 5). Температуру Т (1) данной точки подвижного поля в процессе теплонасои и4еиия можно представить как произведение температуры Т (оо) той же точки 4РР 400 1гап опо воо впп 400 200 200 О си -5-4 Ру см 1О -в -а -4 -2 а) си -4 -5-4 -2 а 2 4 см 0 -1О -в -а Рис. 4, Пространственное температурное поле предельного состояния при дуго. вой наплавке валика на массивное стальное изделие: а = 1000 кал/с; о = = 0,1 см/с.
Сплошные линии — изотермы; штриховая линия — кривая максимальных температур: а — распределение температуры на поверхности ХОУ по прямым, параллельным оси ОХ; Р— распределение температуры в плоскости УОХ; в и г — иаотермы в плоскостях ХОУ и Уог Процесс выравнивания температуры после прекращения в момент 1а действия источника теплоты постоянной мощности д получается наложением двух процессов: процесса теплонасыщения Т (1) продолжающего действовать источника и процесса теплонасыщения Т (1 — 1о) равного ему стока теплоты а, начавшего действовать в момент 1о, когда действие реального источника прекратилось: т (1) ) ~,,=т (1) — т(1 — 1). (б) в предельном состоянии на коэффициент теплонасыщения ф (1), зависящий от времени (рис.
6): Т (1) = $ (1) Т (со). (5) Нагрев металла сварочной дугой 7;П 1400 7,0 1400 1200 1000 1000 Впп 800 800 ВПП 2 3 и) 200 0 2саг -В -4 -2 0 2 си В) -б -24 -22 -20 -18 -10 -14 -12 -1О -8 ' -В а) 2 3 В) В 7 -10 -В -В -4 -2 П 2саг В) 0,8 0,4 2 В 4 г б) Т(1» уо» то)= ехр 2тг)»,И [, 4а1 ) ' (7) при стыковой сварке листов (8) Расчеты тепловых прог4ессов при сварке Быстродвижущиеся источники. Температура предельного состояния при действии мощных дуг, движущихся с большой скоростьго (например, при автоматической сварке под флюсом и в газах), выражается упрощенными формулами: Рис. 5. Плоское температурное поле предельного состояния при дуговой сварке встык стальных листов толщиной 10 мм; а = 1000 кал/с; и= О,1 см/с; а = = 0,0014 кал/(сма с 'С).
Сплошные линии — изотермы; штриховая линия— кривая максимальных температур: и — распределение температуры на поверхности ХОУ по прямым, параллельным оси ОХ; б — распределение температуры на поверхности ХОг' по прямым, параллельным оси ОУ: в — ивотермы в плоскости ХОУ при наплавке валика на массивное изделие Т(1, уо)= ехр~ — — — — '); д / 2а1 уо'1. об 1»г 44п)»,су/ ~, сУб 4а1) х здесь 1= — — — время, прошедшее после пересечения дугой плоскости )'о02„ в которой расположена рассматриваемая точка поля А (рис. 7). Эти выражения относятся к неподвижным прямоугольным координатам Хо)'ело.
Теплота, введенная мощным источником, быстродвижущимся по осн ОХ, распро остраняется преимущественно по направлениям, перпендикулярным к этой оси (рис. 7, а). Рис, б. )коэффициент теплонасыщения в зависимости от времени: а — для точечного источника в нолубесконечном теле; б — для лн. — — » нейного источника в пластине с теплоотда чей (р, =у —; т =у» — /; о,х) в — для пл ского источника в стержне с тенлоотдачей (р» =ив 2а в»1 '» т — уа 4а/ В области, прилегающей позади дуги к шву или валику, выражения (7) и (8) для быстродвижущихся источников описывают также с достаточной точностью и процесс распространения теплоты дуги, перемещающейся с произвольной ко.
и металла плазменной дугой Расчеты тепловых пройессов прп сварке -ас -20 О 5) -л,см Режим Нагреваемый материал Аргон; 1 = 200 А; расход газа 0,1 — 5 г/с Аргон; 1 = !90 А; расход гази 1,5 г/с Аргон; 1 = 250 —: 350 А 0,30 — 0,75 0,10 0,20 Массивное тело Проволока Порошок, ... Газ: аргон ..... водород 1 = 250 А; расход газа 0,2 г/с 1 = 220 А; расход газа 0,3 г/с 0,10-0,70 0,30 — 0,30 0,484ч / уз'1 (Уа) псу б2уо ~ )„б / (ГО) нечной скоростью. Лишь в области впереди штриховой кривой на рис. 7, в ошибка при расчете температуры по выражению (7) не превышает 1е/а.
Максимальные температуры. В процессе распространения по металлу теплоты сварочной дуги температура отдельных точек повышается, достигает максимума 7шах н затем падает, стремясь к средней температуре изделия. В точках изделия, удаленных от сварного шва или валика, скорости нагрева (охлаждения) и максимальные температуры тем ниже, а момент достижения максимума температуры наступает тем позже, чем дальше расположена рассматриваемая точка от оси перемещения источника теплоты.
и) Рис. 7. Процесс распространения теплоты мощной быстродвижущейся дуги в массивном стальном изделии; д = 5000 кал/с; в = 1 см/с; а — изохроны температуры по оси 0)га; б — распределение температуры по осям, параллельным оси перемещения источника; в — изотермы на поверхности изделия Максимальная температура точки массивного изделия в процессе распространения теплоты при наплавке валика мощной быстродвижущейся сварочной дугой х ('о)— 1 а (9) осу — г' о обратно пропорциональна квадрату расстояния г, от оси перемещения точечного источника. Максимальная температура точки тонкой пластины при сварке встык мощ/" Ы нои быстродвижущеися дугой на малых расстояниях уо К' ,~/ — от оси шва Я при отсутствии теплоотдачи (а = О) обратно пропорциональна расстоянию у от , от плоскости перемещения линейного источника. В массивном теле и в пластине максимал ь альные температуры Т пропорциональны погонной энергии д/р мощного шах быстродв внжущегося источника, т.
е. количеству теплоты, вводимому дугой в изде„нв, на единицу длины шва или валика. Влияние ограниченности размеров изделия по толщине, ширине нли длине на распр ространения теплоты сварочной дуги учитывают по методу отражений, лагая что ограничивающие поверхности не пропускают теплоты [6, 7]. Решение более сложных задач нагрева мощными источниками может быть найдено, например, с помощью интегральных преобразований в конечных и бескоконечных пределах ]5]. Методы решения задач нагревания металлов с учетом температур' урной зависимости теплофизических свойств рассмотрены в монографии 13]. НАГРЕВ МЕТАЛЛА ПЛАЗМЕННОЙ ДУГОЙ Тепловые характеристики плазменной дуги.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
