Неровный В.М. Теория сварочных процессов (841334), страница 38
Текст из файла (страница 38)
Эффективность нагрева изделия газовым пламенем зависит от разности температур пламени и металла, а также от скорости перемещения газового потока относительно поверхности нагрева. Чем больше разница температур и относительная скорость перемещения потока, тем выше эффективная мощность. С увеличением мощности пламени его эффективная тепловая мощность возрастает при некотором снижении КПД, связанном с уменьшением полноты сгорания горючего.
С увеличением скорости перемещения горелки, толщины нагреваемого материала и его коэффициента температуропроводности снижается температура нагреваемой поверхности, поэтому эффективность ввода теплоты в изделие возрастает. Угол наклона горелки также существенно влияет на эффективную тепловую мощность.
Шлаковая ванна. Выделение теплоты при электрошлаковой сварке происходит вследствие прохождения тока через расплавленный шлак. Полная мощность, выделяемая в шлаковой ванне, может быть определена как (5.33) Чо=/ пш где / — сварочный ток, А; Яш — сопротивление шлаковой ванны, Ом. Тепловые потери при электрошлаковом процессе прежде всего связаны с отбором теплоты формирующими устройствами и излучением с открытой поверхности сварочной ванны.
Эффективность нагрева изделия возрастает с увеличением толщины свариваемого металла, его температуропроводности и скорости сварки, так как теплоотвод в изделие при этом увеличивается. Электронно-лучевой нагрев. Электронно-лучевая обработка материалов основана на превращении в тепловую энергию кинетической энергии электронов при их торможении в поверхностных слоях твердого тела. Эффективная тепловая мощность при электронно-лучевой обработке определяется как 200 201 (5.34) где т) — эффективный КПД нагрева изделия электронным пучком; (7 — ускоряющее напряжение, кВ; 1 — ток электронного пучка, мА.
Потери энергии при электронно-лучевой обработке в основном связаны с отражением электронов от поверхности изделия и зависят главным образом от свойств обрабатываемого металла (его атомного номера и атомной массы). Эти потери ориентировочно составляют 8...10 % мощности электронного пучка (луча) для алюминия и 30...40 ' ... 0,4 для вольфрама. Кроме того, часть мощности электронного пучка расходуется на термоэлектронную и вторичную эмиссии, тормозное рентгеновское излучение и испарение из ванны.
Вместе эти потери энергии составляют несколько процентов. Эффективный КПД увеличивается с увеличением тока электронного пучка, что связано с уменьшением потерь с отраженными электронами. Электронно-лучевой нагрев отличается очень высокими значениями максимального удельного теплового потока (92 = 10 ...10 Вт/см ) и локальностью (коэффициент сосредоточенности можетдостигать8 10 см ). 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 а 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.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
