ВНУТРЕННИЕ УСИЛИЯ И ДЕФОРМАЦИИ ПРИ СВАРКЕ

Температурное поле при сварке толстых пластин

При сварке пластин толще 50 мм область высоких температур концентрируется вблизи источника нагрева. В отдаленных массах

металла повышение температу­ры весьма незначительное. Рас­чет ведется по схеме нагрева точечным источником полубес­конечного тела.

При сварке пластин толщиной 20—50 мм распределение темпе-

стой пластине. источнику нагрева, отличается

от распределения температур в рассмотренных выше плоском и пространственном температур­ных полях. В этом случае расчет ведут по схеме точечного источника, действующего на поверхности плоского слоя опреде­ленной толщины 8 с учетом теплоотдачи от граничных плос­костей.

При нагреве точечным источником, движущимся на одной гра­ничной поверхности толстой пластины, различают три области, которые характеризуются неодинаковым распределением темпера­тур по толщине пластины (фиг. 4). В области /, прилегающей непосредственно к источнику нагрева, распределение температур по всем трем направлениям примерно такое же, как в полубес­конечном теле. В области II в точках, лежащих на оси z и уда-

. 6

ленных от источника нагрева на расстояние z > - у закономер­ность распределения температур значительно уклоняется от за­кономерности, наблюдаемой в полубесконечном теле. В области Illy удаленной от оси г, температура по толщине пластины вы - 14
равнивается и напоминает картину плоского температурного поля в тонких пластинах.

В точках, лежащих на оси г, предельная температура по тол­щине пластины при подвижном источнике нагрева определяется по формуле (5) пространственного температурного поля с попра­вочным коэффициентом k

VZ

T(-z' V = k (Ц)

где k — отношение температуры в точках на оси г толстой пла­стины к температуре той же точки в полубесконечном теле.

Поправочный коэффици­ент k зависит от двух без-

размерных параметров и

. Параметр > зависящий

от скорости перемещения ис­точника нагрева, является постоянным для всех точек температурного поля. Другой

безразмерный параметр у-

представляет собой относи­тельную глубину располо­жения точек на оси 2. Зна­чение поправочного коэффи­циента k в зависимости от обоих безразмерных парамет­ров выбирается по графику, приведенному на фиг. 5.

Из фиг. 5 видно, что в точках, непосредственно прилегающих к источнику нагрева, где 2 = 0, поправочный коэффициент k ра­вен единице и возрастает с удалением от источника нагрева вглубь по оси 2. С увеличением скорости движения источника на­грева поправочный коэффициент k уменьшается, и температура точек на оси 2 толстой пластины мало отличается от температу­ры этих же точек в полубесконечном теле. Исключение составля­ет точка 2 = 8, лежащая на нижней граничной поверхности. В этой точке температура превышает в два и более раза темпе­ратуру точек полубесконечного тела на той же глубине.

Во всех остальных точках толстой пластины (за исключением точек на оси г) предельную температуру можно определить по формуле (1) для линейного подвижного источника с коэффици­ентом /72.

——

T(r, x,z) = m^r-e 2аКо(Щ, (12)

8

а — нагреваемая плоскость 2— 0; б — средняя плоскость z = —; в — ненагреваемая плоскость z — 5.

где Ко {и) — бесселева функция от мнимого аргумента второго рода нулевого порядка;

г— радиус-вектор плоского поля (г = j/x2 + У2);

/гг — поправочный коэффициент, который показывает отно­шение температуры в точках толстой пластины, на­греваемой движущимся по верхней поверхности то­чечным источником, к температуре пластины, нагре­ваемой линейным источником.

Поправочный коэффициент т зависит от трех безразмерных

vb г z т-г „ а 5

параметров: 2а’ Т И ~ь~' Первый параметр ^ является постоян­ным для всех точек температурного поля и зависит от скорости движения источника нагрева. Второй параметр у представляет

относительный радиус-вектор точек плоского поля, а третий - у-

является относительной глубиной расположения точек металла 5т$)лстой пластины. Последние два параметра являются чисто гео­метрическими. Значение коэффициента т в зависимости от ука­занных трех безразмерных параметров приведено на графике іиг. 6.

.Г Для точек верхней граничной поверхности толстой пластины, эде 2 = 0, коэффициенты т увеличиваются с приближением точек Ж источнику нагрева и уменьшаются с удалением от него, при­нимая значения, близкие к единице. Для точек, лежащих в

средней плоскости пластины, где г = коэффициенты умень­шаются с приближением к оси 2, а при удалении от нее увели­чиваются, стремясь к единице. На нижней граничной поверх­ности, где 2 = 8, коэффициенты т увеличиваются с удалением от оси 2, стремясь к единице.

Коэффициенты т, учитывающие точечность источника на­грева, показывают, что в областях, близких к источнику нагре­ва, температура точек на верхней граничной плоскости, по ко­торой движется дуга, выше, чем в соответствующих точках ниж­ней граничной плоскости. В местах, удаленных от источника нагрева, влияние коэффициента т на изменение температуры по толщине пластины мало сказывается, и значение его стремится к единице. На расстоянии г = 46 температура ограничивающих плоскостей отличается от средней температуры [1] не более, чем на 5%.

Для более конкретного представления о подвижном темпе­ратурном поле предельного состояния в толстой пластине на фиг. 7 приведены изотермы распределения температур в пласти­не толщиной 20 мм. На нагреваемой (верхней) плоскости хоу ■изотермы имеют вид замкнутых кривых, напоминающих подвиж­ное поле в тонких пластинах и на граничной поверхности полу­бесконечного тела. На нагреваемой (нижней) плоскости пласти-

ны, где 2=6, изотермы напоминают такое же подвижное поле, но с меньшими значениями температур в области, прилегающей к оси 2, и с иной закономерностью распределения температур относительно этой же оси 2. В то время, когда точка с макси­мальной температурой на нагреваемой плоскости совпадает

с началом координат, в ненагреваемой плоскости, где 2=6, точка с максимальной температурой будет расположена в 14 мм поза­ди оси 2, проходящей через источник нагрева. Кроме того мак­симальная температура на ненагреваемой плоскости значительно ниже, чем температура в этой области. на нагреваемой плоскости.

В менее нагретых областях, удаленных от оси z, температура по толщине пластины практически выравнивается. В областях, где температура ниже 200° С, изотермы нагреваемой и ненагреваемой плоскостей почти совпадают (см. фиг. 7).

По продольному сечению xoz пластины (фиг. 7, в) и по по­перечному сечению yoz, проходящему через источник нагрева (фиг. 7, г), изотермы показывают неравномерное распределение температуры по толщине пластины в областях, прилегающих к оси г, и выравнивание температуры по толщине пластины в местах, удаленных от оси г.

Геометрическое место точек, имеющих наибольшие темпера­туры при заданном положении подвижного источника нагрева, показано пунктиром на фиг. 7, а, б.