ТЕОРИЯ сварочных процессов

Мгновенная скорость охлаждения при данной температуре

Мгновенная скорость охлаждения w является первой произ­водной температуры по времени

w = dT/dt. (7.13)

В общем случае, когда температурное поле выражается фор­мулами (6.22) и (6.26), ее определяют следующим образом. По формулам (6.22) и (6.26) находят координаты точки, располо­женной в исследуемой зоне и имеющей температуру, при кото­рой требуется определить скорость охлаждения. Затем значения этих координат подставляют в формулу скорости охлаждения

(7.13).

Так как в большинстве случаев оказывается достаточным приближенное определение скорости охлаждения, то используют теорию мощных быстродвижущихся источников теплоты без уче­та теплоотдачи. Скорости охлаждения обычно определяют только для оси шва ввиду их незначительного отличия от скоростей охлаждения околошовных зон.

Температуры точек оси шва при наплавке валика на массив­ное тело и однопроходной сварке пластин встык с учетом началь­ной температуры находим из формул (6.46) и (6.47) при г = 0 и £/=0:

T — Ta=q/(2nkvt); (7.14)

Т — Ти= q/(v6^4nkcpt), (7-15)

где Ти — начальная температура изделия или температура сопут­ствующего подогрева.

Если по формуле (7.13) вычислить производные от выраже­ний (7.14) и (7.15), т. е.

dT/dt— ~q/{2n'kvt2)', (7.16)

dT/dt=q/{2vb-^[AvTkcpF) (7.17)

и в уравнения (7.16) и (7.17) подставить значения t из уравне­ний (7.14) и (7.15), то получим скорости охлаждения;

а>=-2яА, ^т~г^ ■ (7.18)

q/v

Знак минус в уравнениях (7.18) и (7.19) показывает, что происходит остывание металла. Скорость охлаждения зависит от формы изделия (массивное тело, пластина), эффективной погонной энергии q/v и температуры подогрева Ти.

Температура подогрева Ти практически позволяет в большей степени регулировать скорость охлаждения, чем эффективная погонная энергия. Однако при сварке крупных деталей нагрев приходится ограничивать по соображениям облегчения условий труда.

Влияние подогрева и погонной энергии сварки на скорость охлаждения сильнее сказывается в пластинах, чем в массивных телах. Это следует из показателей степеней в формулах (7.18) и (7.19).

Пример 4. Режим сварки на поверхности массивного тела из низколегиро­ванной стали подобран из условия качественного формирования шва и характе­ризуется следующими параметрами: / = 400 Л, U = 38 В, v= 18 м/ч = 0,5 см/с, г) = 0,8. Требуется определить мгновенную скорость охлаждения металла при Г = 920 К н в случае, если она выше 25 К/с, определить температуру подогрева Ги, обеспечивающую указанную скорость охлаждения. Теплофизические коэффи­циенты стали: а=0,08см2/с, Х = 0,38 Вт/(см-К), ср= 4,8 Дж/(см3-К).

Определим вначале эффективную мощность источника теплоты и погонную энергию сварки q/v:

q— T)t// = 0,8-38-400 = 12 150 Вт;

q/v= 12 150/0,5= 24 300 Дж/см.

Скорость охлаждения вычислим по формуле (7.18):

w = -23,14-0,38(650- 20)2/24 300= —39 К/с.

Определяем температуру подогрева, обеспечивающую скорость охлажде­ния —25 К/с, используя формулу (7.18):

(Г - Г„)2 = — wq/v/(2лХ) = -25-24 300/(2• 3,14• 0,38) = 25,5-104 К2;

Г-Г„ = 514 К; Г„= 7-514=920-514 = 406 К,

т. е. требуется осуществить подогрев изделия примерно до температуры Та = = 400 К-

При сварке по плоскому слою скорость охлаждения также целесообразно определять для точек на оси шва, т. е. для у = 0, z = 0. Скорость охлаждения определяют при помощи номограммы (рис. 7.7). Вначале необходимо определить критерий

2д/у

п&2ср(Т — Т„) ’

т. е. значение аргумента на номограмме рис. 7.7, а, затем по кри­вой найти численное значение функции — безразмерного крите­рия 0).

Скорость охлаждения точек плоского слоя определяется по формуле

w=—<n2n . (7.21)

q/v

Следует отметить, что при значениях критерия 1/0>2,5 скорости охлаждения точек плоского слоя, расположенных по оси движения источника теплоты, почти совпадают со скоростью охлаждения точек пластины, а при 1/0 <0,4 — со скоростью охлаждения точек полубесконечного тела.

Пример 5. На лист из стали 6 = 24 мм наплавляют валик при погонной энергии <7/0 = 32 ООО Дж/см Теплофизические коэффициенты: X =0,38 Вт/(см-К), ср = 5,2 Дж/(см3-К).

Определить влияние окружающей температуры, изменяющейся в пределах от 293 до 243 К, на мгновенную скорость охлаждения металла на оси шва при 7 = 973 К.

Толщина листа 6 = 24 мм не соответствует значениям, для которых скорость охлаждения определяют по уравнениям (7.18) и (7.19). Поэтому будем опреде­лять скорость охлаждения по номограмме, приведенной на рис. 7.7.

Вычисляем прн 7Н = 293 К безразмерный критерий

1 2-32 000

6 “ 3,14-2,43-5,2(973-293) “ ’

По номограмме находим соответствующее значение критерия м = 0,79.

Скорость охлаждения определяем по формуле (7.21):

Определяем скорость охлаждения при температуре окружающей среды Т„ = 243 К:

1 Г”, о^=0-93.

0 3,14-2,42-5,2(973-243)

Находим по номограмме о)=0,87.

Скорость охлаждения при начальной температуре металла Гн = 24 К

-=-0.87 2-^S3^= -34’5 К/С-

Скорость охлаждения изменяется примерно на 7 К/с при изменении началь­ной температуры тела на 50 К.