Неровный В.М. - Теория сварочных процессов (1043833), страница 2
Текст из файла (страница 2)
4 -2 Фотонно-лучевые источники. При лазерной обработке материалов нагрев изделия осуществляется когерентным излучением. Лазерное излучение при попадании на поверхность твердого тела частично отражается. Интенсивность отражения энергии определяется значением коэффициента отражения, который зависит от рода материала и длины волны излучения.
В современной лазерной технологии используют плотно 4 8 2 сти мощности от 10 до 1О Вт!см . Эффективность передачи энергии лазерного излучения обрабатываемому материалу определяется значением эффективного коэффициента поглощения, который фактически характеризует КПД лазерной сварки и зависит от многих факторов — состояния и формы поверхности, температуры изделия, электропроводности материала, скорости сварки, вида защитной среды и т.
п. 5.9. Схематизация источников теплоты Разнообразие применяемых источников теплоты обусловило необходимость их схематизации. Учет реального пространственного распределения тепловой мощности источника позволяет с достаточной точностью описывать процессы, происходящие в непосред- 202 ственной близости от места действия источника, однако существенно усложняет расчеты. Расчеты упрощаются при использовании приниипа местного влияния. Сущность принципа применительно к сварочному нагреву сформулирована Н.Н.
Рыкалиным: характер распределения мощности источников теплоты существенным образом сказывается на температурном поле лишь на расстояниях одного порядка с размерами области ввода теплоты. Температурное поле в области, удаленной от источника, практически не изменится, если заменить распределенный источник теплоты приложенным в его центре сосредоточенным источником равной мощности. В соответствии с этим принципом при проведении инженерных расчетов реальные сварочные источники теплоты заменяют схематизированными: точечными, линейными, плоскими. При принятии схемы точечного источника полагают, что вводимая в изделие теплота сосредоточена в бесконечно малом объеме (точке). Обычно данную схему применяют в сочетании с расчетной схемой массивного тела или плоского слоя. В случае принятия схемы линейного источника полагают, что вводимая в изделие теплота распределена по отрезку линии, длина которого чаще всего равна толщине изделия.
Линейные источники обычно применяют для расчетных схем пластин, а также в виде источников ограниченной ширины для схем массивного тела или плоского слоя. При использовании схемы плоского источника обычно предполагается равномерное распределение вводимой теплоты по сечению стержня. Такая схема применяется, например, для расчета температурного поля при контактной стыковой сварке стержней. Применение схем сосредоточенных источников допустимо при расчете температур точек, удаленных от центра пятна нагрева на расстояние более 0,7 его диаметра. По длительности выделения теплоты источники подразделяются на мгновенные (время действия стремится к нулю) и непрерывно действующие, которые могут быть неподвижными, подвижными и быстродвижущимися.
Последний вид источников применяют тогда, когда можно пренебречь тепловыми потоками вдоль оси движения источника, что значительно упрощает расчет. В этом случае обычно пользуются понятием погонной энергии сварки — количеством теплоты, вводимой на единицу длины шва: (5.35) Ч» = Ч~ о~ где д — эффективная мощность источника теплоты, о — скорость сварки, 203 Контрольные вопросы !. Почему ири решении практических задач сварки возникает необходимость анализа тепловых процессов? 2.
Ка кими способами возможна передача тепловой энергии? 3. П еречислите основные теплофизические свойства материалов. Являются ли теплофизические свойства реальных материалов постоянными величинами? 4. К . Какие допущения и почему приняты в классической теории распространения теплоты при сварке? 5.
Какие физические законы использованы при выводе дифференциального уравнения теплопроводности? 6. К . Какие начальные и граничные условия используются при решении дифференциального уравнения теплопроволности? 7. Ох арактеризуйте основные расчетные схемы иагреваемых тел. Чем необходимо руководствоваться при выборе расчетной схемы нагреваемого тела? 8. В ч ем состоит принцип местного влияния источника теплоты? 9. По каким признакам различаются источники теплоты? 1О. Какие расчетные схемы источников теплоты используются в классической теории распространения теплоты при сварке? Глава 6. РАСЧЕТЫ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СХЕМАХ НАГРЕВА В инженерных расчетах тепловых процессов при сварке широко используют схематизацию и упрощения реальных процессов распространения теплоты: 1) ) источники теплоты либо считают сосредоточенными, либо принимают распределение их мощности по некоторому закону, позволяющему относительно просто описать процесс распространения теплоты; 2) формы тел упрощают в соответствии со схемами, которые были рассмотрены в разд.
5.4; 3) используют допущения, изложенные в разд. 5.6, которые хотя и искажают представление реального процесса распространения теплоты в теле, но позволяют значительно упростить математические выражения. У казанные упрощения и допущения позволили получить теорию, пригодную для анализа температурных полей в телах при их нагреве различными источниками теплоты. Эта классическая теория, развитая Н.Н. Рыкалиным в середине ХХ в. применительно к сварке, хорошо отражает качественную картину, а в ряде случаев 204 дает также и достаточно точное для инженерных расчетов описание сварочных процессов. В данной главе в основном излагается ее математическая сторона. Однако нужно иметь в виду, что наибольшие погрешности будут при описании температурных полей в зонах вблизи действия источников теплоты, а при расчетах температурных полей в точках, где находятся сосредоточенные источники теплоты, можно получить бесконечно большие значения температуры.
Поэтому определение температур в этих зонах по изложенным здесь методикам проводить не следует. 6.1. Нагрев тел мгновенными источниками теплоты Приведенные ниже решения дифференциального уравнения теплопроводности для основных схем ввода теплоты в тело мгновеннымн источниками получены в начале ХХ в. математиком Д. Розенталем. Эти решения являются элементарными в том смысле, что на их основе в классической теории распространения теплоты при сварке были получены решения для более сложных схем — для постоянно действующих источников, подвижных источников, распределенных источников и т. п.
6.1.1. Мгновенный точечный источник в бесконечном теле В начальный момент времени г = 0 в бесконечно малом элементе объема сйдус?х неограниченного теплопроводящего тела с равномерно распределенной начальной температурой Т„сосредоточено количество теплоты Д. Тогда в прямоугольной декартовой системе координат Охух, начало которой О совпадает с точкой сосредоточения теплоты (см. рис. 5.5, а), нестационарное температурное поле от действия мгновенного точечного источника теплоты описывается выражением Т1Я, г) = Т„+ ЬТ = Т„+ ехр~ — ~, (6.1) срД4яаг) где 11= х +у +г — расстояние от источника теплоты до точки 2 2 2 тела с координатами х, у, х; 1 — время, отсчитываемое от момента ввода теплоты; ЬТ вЂ” изменение температуры в произвольной точке тела с координатами х, у, х в момент времени а Выражение 205 ЬТ,К (6.1) является решением диф- 1200 ференциального уравнения теп- 1000 лопроводности (5.22).
Очевид- 800 но, что температурное поле в 600 данном случае симметрично 400 относительно точки О, термический цикл любой точки тела определяется только модулем ее 0 2 1,5 1,0 0,5 0 0,5 1,0 1,5 2 радиус-вектора Ф, а изотермиПлоскость хОу ческими поверхностями являются концентрические сферы 11 = сопз1 с центром в точке О. 7 В начальный момент времеРис. 6.1. Распределение прираще- ни 7 = О выРажение (6.1) дает ния температуры 2зТ по расстоянию бесконечно большую темпера- Я от мгновенного точечного источ- туру в точке О, так как в этот ника теплоты в полубескоиечиом момент времени конечное ко- 3 теле (О = 2 кдж, ср = 4 Дж~(см ' 1~) личество теплоты сосредотоа = 0,1 см 1с) а различные моменты чено в бесконечно малом объевремени ме источника (точке 0). Во всем объеме тела вне источника в начальный момент времени температура равна начальной: Т17' 0) Тн.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
