Неровный В.М. Теория сварочных процессов (841334), страница 37
Текст из файла (страница 37)
где Ь = — — коэффициент температуроотдачи стержн, срР' К решениям уравнений (5.22)-(5.24) применим принцип суперпозиции (наложения) — суммарное приращение температуры в точке от нескольких источников теплоты равно сумме приращений температур от каждого источника. Эта особенность широко используется в классической теории распространения теплоты при сварке. 5.7. Граничные условия Чтобы решить дифференциальное уравнение теплопроводности, необходимо задать распределение температур в начальный момент времени (начальное условие) и условия взаимодействия тела с окружающей средой иа его границах (граничные условия).
Начальное условие определяется заданием закона распределения температур в теле в начальный момент времени — функции Т(х, у, г, О). Во многих практических задачах принимают равномерное распределение температуры в начальный момент времени: Т(х, у, г, О) = Т„= сопка (5. 25) В практике инженерных расчетов обычно рассматриваются границы тела и соответствующие им граничные условия трех родов. Граничное условие первого рода состоит в явном задании функции распределения температур на границе.
Частным случаем такой границы является изотермичеекая граница, когда поверхность тела обладает постоянной температурой в течение всего процесса распространения теплоты. Граничное условие второго рода состоит в явном задании удельного теплового потока через границу. Частным случаем такой границы является адиабатичеекая граница, когда тепловой поток через иее равен нулю. В технических расчетах сварочных процессов границу можно считать адиабатической, если тепловой поток через нее мал по сравнению с тепловыми потоками внутри тела. Граничное условие третьего рода обычно характеризует теплообмен между поверхностью.тела и окружающей средой: (5.26) ХйгадТ = а(Т вЂ” Т,).
Из граничного условия третьего рода как частные случаи могут быть получены; граничное условие первого рода (изотермическая граница при а = сс) и граничное условие второго рода (адиабатическая граница при а = О). 196 5.8. Сварочные источники теплоты Как правило, при сварке теплота либо вводится в изделие через некоторый участок поверхности, называемый пятном нагрева, либо генерируется в некотором объеме в глубине материала. Не затрагивая физических аспектов появления теплоты в телах, можно отметить, что реальные сварочные источники теплоты имеют различные распределения и интенсивности тепловых потоков. (5.27) где д2 — максимальный удельный тепловой поток в центре пятна нагрева, Вт!см; к — коэффициент сосредоточенности источника, 2 см; г — радиальное расстояние от центра пятна нагрева, см.
Источник с таким видом распределения удельного теплового потока (рис. 5.7) носит название нормально-кругового. Диаметр условного пятна нагрева, за пределами которого удельный тепловой поток не превышает 0,0592„„ 3,46 а'= — ' Л' (5.28) Максимальный удельный тепловой поток дг,„может быть определен по соотношению (5.29) где 9 — эффективная тепловая мощность источника теплоты.
197 Электрическая сварочная дуга, плазменная струя, пламя газовой горелки, световой луч — эти источники теплоты обычно считаются поверхностными. Распределение удельного теплового потока по пятну нагрева у них неравномерное и зависит от многих факторов. Однако в большинстве случаев с достаточной точностью оно может быть описано законом нормального распределения: Рис. 5.7. Распределение удельного теплового потока 92 при нагреве поверхности тела нормально-круговым источником теплоты Сварочная дуга.
Превращение электрической энергии в тепловую сварочной дугой характеризуется сосредоточением теплоты в небольшом объеме и развитием весьма высокой температуры. Однако не вся выделяемая сварочной дугой теплота используется при сварке для нагрева изделия. Часть теплоты затрачивается на нагрев нерасплавляющейся части электрода и теряется в окружающем пространстве вследствие конвекции и излучения. При сварке плавящимся электродом значительная часть тепловой энергии переносится на изделие с каплями перегретого электродного металла и шлака. Эффективная тепловая мощность сварочной дуги определяется выражением (5.30) 055 0,8 0,9 198 где г) — эффективный КПД нагрева изделия сварочной дугой; и†напряжение на дуге, В; 1 — сварочный ток, А.
Эффективность ввода теплоты в изделие сварочной дугой определяется видом и режимом сварки, а также условиями ее выполнения. При сварке открытыми дугами потери возрастают за счет излучения в окружающую среду, разбрызгивания н испарения металла. Поэтому эффективный КПД при сварке под флюсом, как правило, выше, чем при сварке открытой дугой, сварке в среде защитных газов и сварке электродами с покрытием.
Ниже приведены значения эффективного КПД нагрева изделий при сварке и наплавке: Электрическая дуговая сварка и наплавка: графитовым электродом. 0,5-0,6 покрытым электродом на постоянном токе ................. 0,75 — 0,85 покрытым электродом на переменном токе ................. 0,65-0,75 в углекнслом газе 0,72 — 0,92 в аргоне вольфрамовым электродом......................,...... 0,65-0,75 в аргоне плавящимся электродом....,.........................., 0,70-0,80 порошковой проволокой (открытая дуга) .................... 0,80-0,90 под слоем флюса. 0,80 — 0,95 лентой под флюсом..
0,88-0,93 лентой открытой дугой и в газе ..................................... 0,68-0,75 Вибродуговая наплавка ' .......... 0,60 — 0,75 Пдазменно-дуговой нагрев.........................................,...... 0,60-0,75 Нагрев плазменной струей ..........,.................................... 0,10-0,50 Нагрев газовым пламенем. 0,30-0,80 Электрошлаковая сварка листов толщиной, мм: 50.. 100 200 0,75 — 0,80 0,9 0,75-0,95 0,70-0,90 . 0,02-0,20 Электрошлаковая сварка с гранулированной присадкой листов толщиной, мм: 50.. 100 Электрошлаковая наплавка Электронно-лучевой нагрев..
Нагрев лучом лазера 24 9, Вт/смз дц Втйсмз мз м-2 2 0 2г,см 2 0 2 г,см 2 0 2 г,см и б Ряс. 5.8. Распределение удельных тепловых поток в д2 р о сва очных дуг по радиусу ьс ; б — мшаплическая открытая дуга, 1 " 1100 А, гг= 37,5 В; в — металлическая дуга под флюсом, 1 = 9 199 Увеличение напряжения дуги однозначно ведет к снижению эффективного КПД. При сварке втавр или в глубокую разделку эффективныи ф " КПД на 5...10 % выше, чем при наплавке на плоскую поверхность, ь что объясняется лучшим использованием излучения стол а дуги б и и теплоты газов обтекающих поверхность изделия.
При близких значениях силы тока и напряжения коэффициенты сосредоточенности я открытых дуг близки по значению и находятся в пределах 1,0...1,3 см (рис. 5.8), однако максимальный удельный тепловой поток при сварке плавящимся электродом 60...70% больше, чем при сварке неплавящимся электродом.
на ... о П и сварке под слоем флюса вследствие ограничения пятна н агрева г ре газошлаковым пузырем коэффициент сосредоточенности — 2 достигает значении ... с " 6...7 см а максимальный удельный тепловой дп Вт/см поток в центре пятна нагрева в 2 — 3 раза выше, чем при аналогичных условиях нагрева открытой дугой. Экспериментально установлено, что с увеличением сварочного тока максимальный удельный тепловой поток д2,„возрастает, а коэффициент сосредоточенности й несколько уменьшается.
Увеличение напряжения на дуге влечет за собой снижение как о2,я, так и/с Сжатые сварочные дуги. При обработке материалов плазменно-дуговыми методами эффективность нагрева во многом определяется особенностями формирования плазменной струи. При использовании плазменной дуги прямого действия, когда анодом является изделие, эффективность его нагрева, как правило, оказывается выше, чем в случае использования плазменной дуги косвенного действия (плазменной струи), когда анодом является сопло плазмотрона. Это различие определяется тем, что в первом случае мощность, выделяемая в анодном пятне и анодной области, используется на нагрев изделия, тогда как во втором случае — бесполезно расходуется на нагрев сопла плазмотрона.
Эффективный КПД плазменно-дугового нагрева изделия включает КПД плазмотрона 11, и КПД струи Чс: Ч ЧгЧс (5.31) КПД плазмотрона Ч зависит от его конструкции и режима работы и особенно сильно влияет на Ч при обработке плазменной дугой косвенного действия. КПД плазменной струи Ч, снижается с увеличением расстояния от среза сопла плазмотрона до изделия вследствие увеличения потерь тепловой энергии на теплообмен струи с окружающей средой. Эти потери резко возрастают при переходе от ламинарного режима течения струи к турбулентному. Они увеличиваются также с увеличением расхода плазмооб ау ще о газа, так как возрастают потери тепловой энергии на теплообмен с окружающей средой и снижается температура стр азокиелородное пламя, При газопламенной обработке нагрев изделия осуществляется за счет конвективного и лучистого теплообмена между продуктами сгорания и нагреваемой поверхностью.
При этом вклад лучистого теплообмена невелик и составляет 10...15;4 о общего теплового потока. Эффективная мощность газокислородного пламени определяется выражением (5.32) Чаи збоо' где Ч вЂ” эффективный КПД нагрева изделия газовым пламенем; Д— 3 низшая теплотворная способность горючего, кДж/м; Р— объемз ный расход горючего, м /ч. Значения величин, входящих в формулу (5.32), для различных видов горючего приведены в справочниках по сварке.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
