ВНУТРЕННИЕ УСИЛИЯ И ДЕФОРМАЦИИ ПРИ СВАРКЕ

ТЕМПЕРАТУРНОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТАЛЛА ПРИ СВАРКЕ Температурное поле при сварке тонких пластин

Температурное поле представляет совокупность мгновенных значений температур во всех точках изучаемого пространства или рассматриваемого тела в данный момент времени. Темпера­турное поле изображается при помощи изотермических линий или изотермических поверхностей.

При сварке изделия сосредоточенным источником тепла про­изводится интенсивный кратковременный местный нагрев ме­талла до высоких температур. Тепло, выделяемое источником нагрева, расплавляет небольшой объем металла в месте свари­вания и вследствие теплопроводности распространяется в при­легающие слои основного металла. За короткое время темпера­тура металла в месте сварки изменяется в широких пределах: от температуры окружающей среды до температуры плавления; затем по мере удаления источника нагрева металл остывает. При этом в сварочной ванне происходят физико-химические и металлургические процессы, а в наплавленном и основном ме­талле — структурные и объемные изменения. Большая скорость нагрева при сварке и сравнительно быстрое охлаждение создают в сва-риваемом металле неравномерное температурное поле со значительным падением температуры при переходе от места сварки к холодным участкам металла.

Рассмотрим подвижное температурное поле при нагреве сва­рочной дугой тонкой пластины.

Тонкими пластинами называют такие, в которых при одно­проходной сварке распределение температуры по толщине мож­но считать равномерным, т. е. в рассматриваемой точке пласти­ны температура по толщине металла одинаковая.

В начальный период сварочного нагрева температурное по­ле будет неустановившимся. Температура отдельных точек сва­риваемого металла с увеличением времени нагрева будет повы­шаться до некоторых предельных значений, при которых темпе-

ратурное поле достигнет своего предельного состояния и в дальнейшем остается неизменным, т. е. установившимся.

При нагреве сварочной дугой предельное состояние темпе­ратурного поля в области, близкой к источнику нагрева, практи­чески наступает довольно скоро после начала сварки. При элек- тродуговой сварке установившееся предельное подвижное темпе­ратурное поле наступает после нескольких минут, а иногда даже нескольких секунд. Установившееся предельное температурное поле движется вместе С дугой ПОСТОЯННОЙ МОЩНОСТИ ПрЯМОЛИ' 'нейно и равномерно с постоянной скоростью V. Такое поле бу­дет квазистационарным. Изотермы :квазистационарного темпера­турного поля движутся с ним поступательно с той же скоростью, не изменяясь по величине. В подвижном квазистационарном поле температурное состояние металла, наблюдаемое в сече­нии 1 в момент времени 11, повторяется в параллельном сече­нии 2 в момент времени t2 и т. д.

Наиболее полное исследование температурного поля при сварке произведено Н. Н. Рыкалиным [1]. Приняв ряд допуще­ний^ Н. Н. Рыкалин теоретически и экспериментально исследо­вал температурное состояние металла в разных точках поля для случаев, когда источник нагрева при сварке неподвижный и когда он движется прямолинейно и равномерно вдоль шва.

При электродуговой сварке тонких пластин схему распрост­ранения тепла от источника нагрева принимают линейной, как показано на фиг. 1 (линия 00'), т. е. считают, что все тепло, вос­принимаемое пластиной от источника нагрева, распространяется от линии 00' и вследствие теплопроводности нагревает приле­гающие слои металла.

При нагреве пластины по схеме линейного источника темпе­ратурное поле будет плоским. Температура в каждой точке поля по толщине пластины считается одинаковой.. Температурное со­стояние точек пластины в плоском поле определяется двумя ко­ординатами х и у. Изотермы плоского температурного поля представляют собой замкнутые цилиндрические поверхности, построенные на изотермических «кривых. Образующими этих по­верхностей служит толщина пластины. На поверхности пластины изотермы подвижного плоского температурного поля имеют вид вытянутых вдоль линии шва замкнутых кривых, которые пере­мещаются с постоянной скоростью вместе с источником нагре­ва, не изменяясь по величине (фиг. 1, а). Центр подвижной системы координат совпадает с положением движущегося источ­ника нагрева.

Наиболее крутое падение температуры образуется впереди источника нагрева там, где изотермы очень сгущены. Крутое падение температуры наблюдается также в направлении оси у. Сварочная дуга как бы сгущает изотермы впереди себя и сбоку. В направлении, обратном движению дуги, изотермы вытянуты, а градиент падения температуры невысокий.

Плоское температурное поле образуется при сварке однопро­ходным стыковым швом в том случае, когда проплавление основ­ного металла обеспечивается по всей толщине пластины. Практи­чески тепловой расчет по схеме нагрева линейным источником можно применять при автоматической сварке под флюсом для пластин толщиной до 16—20 мм, свариваемых обычно за один

проход. Температура в любой точке плоского температурного поля в градусах определяется по формуле Н. Н. Рыкалина:

где г — расстояние точки от источника нагрева, равное Ух2у2 х — координата точки до начала подвижной системы коор­динат;

q — эффективная тепловая мощность источника нагрева в кал/сек (для электрической дуги q = г • 0,24/6/, где / и U — ток и напряжение сварочной дуги); т] — коэффициент использования тепла, принимаемый в пре­делах: при сварке угольным электродом 0,50—0,70, при сварке открытой дугой металлическим электродом 0,70— 0,80 и при сварке под флюсом 0,75—0,90; v — скорость перемещения источника нагрева по оси х в см/сек;

8 — толщина пластины в см

X — коэффициент теплопроводности в кал/см • сек град; а — коэффициент температуропроводности в см2/сек (а = —, где су — объемная теплоемкост)ь; b — коэффициент температуроотдачи в 1/сек; Ъ =

km — коэффициент поверхностной теплоотдачи радиацией в кал /см2 • сек град]

Ко (Ц)—бесселева функция нулевого порядка второго рода от мнимого аргумента.

В табл. 1 приведены значения функции Ко (^) Для некоторых значений аргумента (и).

Из уравнения (1) видно, что температура в любой точке пла­стины возрастает с увеличением интенсивности источника нагре­ва q и с уменьшением скорости движения дуги v. Значение со-

_ —

множителей е 2а и Ко (^) убывает с удалением точки от источ­ника нагрева, что свидетельствует о большой концентрации теп­ла около источника нагрева и о резком снижении температуры в удаленных от источника нагрева точках металла.

При нагреве тонких пластин неподвижным источником пре­дельное температурное состояние металла в каждой точке насту­пит тогда, когда приток тепла к этой точке пластины будет ра­вен потерям его в этой же точке. Изотермы неподвижного пло­ского температурного поля предельного состояния представляют концентрические окружности, которые сгущаются к центру, где расположен источник нагрева. Температурное поле располагается симметрично относительно источника нагрева, и градиенты паде­ния температуры будут одинаковыми по всем направлениям от - центра. Температуру точек пластины при нагреве ее неподвижным линейным источником до предельного состояния можно опреде­лить на основании уравнения (1), которое при v = 0 будет

В неподвижном плоском поле предельного состояния наиболее высокая температура будет у источника нагрева, а с удалением от центра она падает в соответствии с изменением функции Ко{и)~

В подвижном температурном поле характер изменения темпе­ратурного состояния точек свариваемого металла зависит от ско -

роста движения источника нагрева. С увеличением скорости сварки изотермы подвижного температурного поля становятся более вытянутыми. Области нагрева металла до высоких темпе­ратур становятся более узкими. На фиг. 2, а показаны изотермы для случаев сварки электрической дугой одинаковой мощности на различных скоростях.

При большой скорости сварки распределение температур в поперечных сечениях пластины позади источника нагрева пример­но одинаковое, так как условия нагрева и теплоотдачи для каж­дого сечения, кроме крайних, почти тождественны. Изотермы температурного поля становятся вытянутыми в направлении дви­жения дуги. Область нагрева металла до высоких температур сосредоточивается на узкой полоске вдоль оси х. Температура соседних точек, лежащих на одинаковом расстоянии от линии нагрева (точек, лежащих на линии у = const), почти одинакова (фиг. 2,6).

Для каждой точки свариваемых пластин в любой момент вре­мени нагрева мощным быстродвижущимся источником температу­ра может быть определена по формуле Н. Н. Рыкалина

(3)

где у — расстояние точки от оси шва;

t — время, отсчитываемое с момента прохождения источником тепла линии оу, на которой лежит рассматриваемая точка.

По формуле (3) можем найти распределение температуры в поперечных сечениях, параллельных оси у и лежащих позади движущегося источника тепла.

При сварке под флюсом потери на теплоотдачу в окружаю­щую среду ничтожны и ими можно пренебречь. В этом случае температура в разных точках пластины определяется по формуле

Максимальная температура точек при сварке пластины мощ­ным быстродвижущимся линейным источником определяется по формуле

где у — расстояние от оси шва в см.

Так как коэффициент темпер ату роотдачи 6=—у, а коэффи-

Для стали примерное значение коэффициента поверхностной теплоотдачи km = 0,0008, а значение коэффициента тёплопроводно - km 0,0008

сти А = 0,1, поэтому = —д 1 = 0,008. Максимальная темпера­

тура нагрева точек при сварке стальных пластин, исходя из фор­мулы (4,а), определяется выражением

W«L(,_0,008£). (46)

Двучлен ^1—0,008-уj учитывает потери энергии на поверх­ностную теплоотдачу. С уменьшением координаты у и увеличе­нием толщины свариваемых пластин величина двучлена (1 —

и2

— 0,008 стремится к единице, и влияние поверхностной тепло­

Тт ах-

отдачи на температуру точек, лежащих вблизи шва, становится мало заметным. Так, в точках, лежащих на расстоянии от оси шва у = 2 см при сварке стальных пластин толщиной 1 см ве­личина 1 — 0,008 • 4 = 1 — 0,032 = 0,968, что отличается от еди­ницы примерно на 3%. При значениях координаты у < 2 см

двучлен ^1—0,008-у j будет отличаться от единицы меньше чем

на 3%, и влияние его на значение температуры по формуле (46) станет ничтожным. В таком случае при определении наибольшей температуры в точках, расположенных близко к шву, можно не учитывать поверхностной теплоотдачи и пользоваться приближен­ной формулой

Т — 0*484? (4В

Ymax“ 2 vbc^y *

Пространственное температурное поле при сварке

При местном нагреве металла большой толщины температур­ное поле имеет пространственный характер. Расчет температурно­го поля производится по схеме нагрева точечным источником. По толщине металла температура распределяется неравномерно. Температура каждой точки металла определяется тремя коорди­натами. Пластину металла большой толщины, с точки зрения на­грева сварочной дугой, можно рассматривать как полубесконечное тело, на граничной поверхности которого находится точечный источник нагрева. Такое допущение основано на том, что в ме­талле большой толщины подвижное температурное поле практи­чески затухает в отдаленной массе металла. Влияние нижней ограничивающей поверхности мало сказывается на распределении температуры в пространственном поле. При электродуговой сварке расчетная схема точечного источника применяется для металла толщиной свыше 50 мм.

10

Местный нагрев полубесконечного тела существенно отличает­ся от нагрева тонких пластин. В то время как при нагреве тон­ких пластин большую роль играет внешняя поверхностная тепло­отдача, в полубесконечном теле последняя весьма незначительна по сравнению с внутренней. В полубесконечном теле почти вся тепловая энергия, создаваемая источником нагрева, восприни­мается металлом. В пространственном температурном поле концен­трация тепла у источника нагрева значительно сильнее, чем в плоском поле. Предельное температурное состояние температур­ного поля в полубесконечном теле при подвижном точечном источнике нагрева наступает раньше, чем при нагреве тонких пластин.

Температура в любой точке полубесконечного тела при уста­новившемся (предельном) подвижном пространственном поле без теплоотдачи определяется по уравнению:

vx vR

Т (R, х) = ■ е~Та ~ Та, (5)

где х—координата расстояния точки от подвижного источника нагрева по направлению сварки;

R — расстояние точки до источника нагрева, т. е. радиус-век­тор;

v — постоянная скорость перемещения дуги в см/сек; q — эффективная мощность в кал/сек; і — коэффициент теплопроводности металла; а — коэффициент температуропроводности; е — основание натуральных логарифмов.

На фиг. 3 изображено подвижное пространственное темпера­турное поле. Изотермические поверхности пространственного тем­пературного поля представляют половины замкнутых поверхностей вращения относительно линии движения источника нагрева оси х. Изотермические поверхности вытянуты в направлении оси х и сгущены впереди источника нагрева (фиг. 3,а).

Температура любой точки, определяемая по формуле (5), за­висит не только от расстояния до источника нагрева R, но и от положения этой точки относительно плоскости yoz, т. е. от коор­динаты х. Наибольшие градиенты падения температуры будут впереди источника нагрева в направлении оси х в плоскостях хог. Крутое падение температуры будет также в плоскости yoz, перпендикулярной линии сварки. Наименьшее падение темпера­туры наблюдается позади источника нагрева в плоскости xoz при отрицательном значении координаты х.

На основании формулы (5) температура точек на координат­ной плоскости yoz, где х = 0 (фиг. 3, г) определяется выражением

Температура точек на координатной плоскости xoz, где у = О (фиг. 3, б) впереди источника нагрева при х > 0 в точке х = R определяется выражением

_vR

Т (х = R) —

(7)

Предельная температура точек на координатной оси х позади источника нагрева, где х < 0 определяется выражением

T(x = ~R) = 2^Ьг' <8>

Наибольшая область нагрева и наименьшие градиенты паде­ния температуры будут позади движущегося источника тепла* 12

В этой области температура точек на координатной оси х не за­висит от скорости перемещения дуги и определяется только рас­стоянием R этих точек от источника нагрева по формуле (8).

С увеличением скорости движения мощного точечного источ­ника нагрева изотермические поверхности в полубесконечном теле становятся более вытянутыми в направлении линии нагрева. Около оси х располагаются области металла, нагретого до наи­более высоких температур.

Температура точек полубесконечного тела, лежащих на неболь­ших расстояниях г от линии перемещения (от оси х) быстродви - жущегося точечного источника нагрева приближенно определяет­ся по формуле

^=ТЖ ■ <9а>

где г = VУг + г2 — расстояние точки от оси х, а у и г— коорди­наты этой точки; t — время, отсчитываемое от момента прохождения источником теплоты плоскости у'о'г', в кото­рой лежит рассматриваемая точка. Максимальная температура точек, лежащих в плоскости yoz и несколько удаленных от оси ху наступает через некоторое вре­мя после прохождения источником нагрева плоскости yoz. Прак­тический интерес представляет определение максимальной темпе­ратуры точки полубесконечного тела. По исследованиям Н. Н. Ры - калина максимальная температура в точках полубесконечного тела при предельном состоянии нагрева быстродвижущимся то­чечным источником прямо пропорциональна погонной энергии

источника и обратно пропорциональна квадрату расстояния

этой точки от оси х. Максимальная температура точки в полу­бесконечном теле определяется по формуле

'т1 __ 0,736д /дч

шах пис^іг2* '

где q — эффективная мощность дуги в кал/сек; v — скорость движения дуги в см qf — объемная теплоемкость металла; г — расстояние точки от оси шва (г = У у2 + z2).

При нагреве полубесконечного тела неподвижным источником изотермы представляют собой сферические поверхности, центр которых совпадает с источником нагрева. Температура точек полубесконечного тела при предельном состоянии нагрева непо­движным источником определяется по уравнению (5) при усло­вии v = 0

Т = ЪilR ’

где R — расстояние точки до источника нагрева, т. е. радиус сферы.

Предельная температура точек полубесконечного тела при на­греве неподвижным точечным источником изменяется обратно про­порционально радиусу R и находится в прямой зависимости от эффективной мощности источника нагрева. С приближением точек к источнику нагрева температура их резко повышается, так как

при малых значениях R отношение возрастает, поэтому кон­центрация тепла у источника нагрева весьма значительная.

Изотермы температурного поля предельного состояния при нагреве полубесконечного тела неподвижным точечным источни­ком представляют собой концентрические полусферы. Градиент падения температуры в полубесконечном теле во всех направле­ниях от неподвижного точечного источника одинаковый. Область высоких температур концентрируется около источника нагрева, а в отдаленных слоях температура снижается равномерно.