Особливості теплових процесів при зварюванні

Основним способом зварювання конструкцій є дугове зварювання, яке використовує тепло електричної дуги, що вводиться у матеріал в обмеженій зоні, яку називають п’ятном нагріву. Частину тепла, яка йде на нагрівання матеріалу, називають ефективною тепловою потужністю нагріву:

, (2.1)

де q – ефективна потужність дуги, Вт/с;

U – напруга, В;

I – сила струму, А;

η – ефективний коефіцієнт корисної дії.

Величина коефіцієнта η приймається:

- при ручному зварюванні η=0,70 0,75;

- для автоматичного зварювання під флюсом η =0,8 0,9;

- у середовищі вуглекислого газу η =0,5 0,7;

- при аргонодуговому зварюванні η=0,5 0,55;

- вольфрамовим електродом у середовищі аргону η=0,48 0,52;

- вуглецевим електродом η=0,5 0,7.

Розрахункові залежності для визначення температурних полів при зварюванні одержуються на основі трьох основних схем тіла, що нагрівається:

- напівнескінченне тіло з плоскою поверхнею (масив);

- плоский шар товщиною δ, нескінченний у двох напрямках (пластина);

- одномірне тіло з прямолінійною або криволінійною віссю і відносно малою площею поперечного перерізу (стержень).

Джерела тепла у свою чергу моделюються у вигляді:

- точкового джерела, зосередженого в елементарному об’ємі dx×dy×dz;

- лінійного джерела, зосередженого у призмі розмірами dх×dy ;

- плоского джерела розмірами F×dх. (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1– Схеми джерел тепла

Температурні поля від вказаних вище джерел описуються наступними залежностями:

1) для напівнескінченого тіла (масиву), на поверхні якого прикладене миттєве джерело:

, (2.2)

де – радіус-вектор точки, для якої визначається температура;

Q – кількість теплоти, яка вво­диться миттєвим джерелом, Дж;

t – час дії джерела, с;

сρ – об’ємна теплоємність. Дж/см³;

а – коефіцієнт температуропроводності, см²/с.

Згідно з (2.2), поверхні рівних температур від точкового джерела є півсферами.

2) для пластини від лінійного миттєвого джерела без урахування тепловіддачі.

; (2.3)

з урахуванням тепловіддачі з поверхні:

, (2.4)

де - радіус-вектор точок у площині XОY;

δ - товщина пластини, см;

b =2α_Т/сρδ - коефіцієнт тем­пературовіддачі для пластини, 1/°С;

α_Т –– коефіцієнт поверхневої тепловіддачі, який характеризує інтенсивність віддачі тепла поверхнею пластини у навколишнє середовище, Вт/(cм^2•ºС).

Для випадку тепловіддачі з поверхні стального листа у повітря

α_γ=3∙10^-3 Вт/(см² ºС)

3) Для стержня від плоского миттєво прикладеного джерела:

, (2.5)

де F – площа перерізу стержня, см²;

– коефіцієнт температуровіддачі для стержня; 1/°С;

р – периметр перерізу стержня, см.

Формули (2.2–2.5) є базовими при одержанні залежностей для температурних полів від рухомих джерел тепла. Температурні поля, які описуються формулами (2.2–2.5) є стаціонарними.

Особливість температурних полів при зварюванні полягає у тому, що процес нагрівання має два періоди: перехідний період (теплонасичення), при якому температура і розміри нагрітої зони збільшуються, і стаціонарний період, коли температурне поле стає незмінним у деякій рухомій системі координат, пов’язаній із джерелом. Як показують досліди, стаціонарний період наступає вже через декілька секунд після початку дії джерела тепла. У рухомій системі координат для цього періоду температура обчислюється наступними формулами:

а) у випадку наплавлення шва на масив:

; (2.6)

б) у випадку наплавлення шва на пластину:

; (2.7)

в) при нагріванні стержня плоским рухомим джерелом тепла:

, (2.8)

де q – ефективна потужність дуги (2.1);

V – швид­кість переміщення джерела тепла, см/с;

k₀ – функція Бесселя нульового порядку;

- коефіцієнт впливу тепловіддачі на температурне поле.

При великих швидкостях переміщення джерела тепло розповсюджується в основному у напрямку, перпендикулярному осі переміщення джерела, що дозволяє спростити формули (2.6) –(2.8).

а) у випадку наплавлення шва на масив:

, (2.9)

де r²=x²+y² ;

t - час, що відраховується з моменту, коли джерело досягає площини YОZ, у якій розраховується температура.

б) при наплавленні шва на пластину:

, (2.10)

де δ - товщина пластини;

b=2α_Т/сρδ - коефіцієнт тепловіддачі з поверхонь пластини.

в) для випадку швидкого переміщення плоского джерела тепла у стержні:

. (2.11)

У процесі зварювання температура кожної точки тіла змі­нюється у відповідності з термічним циклом, характерних для цієї точки. У багатьох випадках основний інтерес має найбіль­ша температура, яка досягається у даній точці.

У випадку наплавлення шва на поверхню масиву температу­ра у точці з координатою r:

. (2.12)

У випадку зварювання пластин без урахування тепловід­дачі температура у точці з координатою y₀:

. (2.13)

При врахуванні тепловіддачі:

. (2.14)

Зазначимо, що формули (2.12–2.14) одержані для тіл з нескінченно великими розмірами у відповідних напрямках. При обмежених розмірах необхідно враховувати тепловіддачу і відбиття тепла від поверхонь, що обмежують тіло ( [Рыкалин], с.106).