ОСНОВЫ СВАРКИ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

НАГРЕВ МОЩНЫМИ БЫСТРОДВИЖУЩИМИСЯ ИСТОЧНИКАМИ

| Увеличение скорости сварки (повышение производительности) при

' | соответствующем повышении эффективной тепловой мощности свароч-

!. ной дуги (высокоамперная сварочная дуга) при условии, что величина

погонной энергии сварки изменяется незначительно, - тенденция раз - il вития электродуговой сварки в XX веке и в настоящее время, нашед-

;; шая отражение в появлении автоматической и полуавтоматической

I сварки. Исторически оправдано появление термина мощный быстро-

|, движущийся источник, понятие которого может быть записано следую-

|і шим образом;

!

я

q -> сс, і' —> се, — = е/п = const, г

При нагреве мощным быстродвнжущимся источником наблюдают­ся некоторые особенности в температурном поле предельного состоя­ния. По мере увеличения скорости v перемещения точечного пли ли­нейного источника теплоты и при пропорциональном увеличении его эффективной тепловой мощности q размеры зон, нагретых до опреде­ленной температуры, увеличиваются; длина зон увеличивается пропор­ционально мощности, а ширина возрастает, стремясь к определенному пределу. Позади источника нагретая область располагается узкой по­лосой, изотермические поверхности (изотермы) практически парал­лельны оси перемещения источника, градиент температуры в направ-

0Т а -д

лении оси перемещения источника практически равен нулю: — = 0. Это позволяет сделать вполне правомерные допущения:

• позади источника в области, близкой к оси перемещения источ­ника, теплота распространяется только в направлении, перпен­дикулярном к оси перемещения источника; перетекание тепло­ты вдоль оси перемещения источника практически отсутствует;

• впереди источника теплота практически не распространяется.

Эти допущения позволяют упростить расчетные схемы для получе­ния основных решений по оценке температурных полей предельного состояния.

1. Подвижный точечный иеточник на поверхности полубесконечного тела.

Представим, что полубесконечное тело состоит из бесконечного ко­личества тонких полубесконечных слоев (пластин) толщиной dx, ори­ентированных перпендикулярно к будущей оси перемещения источни­ка (рис. 13.8, а). Далее, перемещаясь по поверхности полубесконечного тела в направлении оси ОХ, точечный источник, пересекая по торцам выделенные слои, сообщает им мгновенные количества теплоты, рав - ,, . dx

ные Q = qdt = q—, которые распространяются только в пределах выде - г

ленных слоев, так как по сделанному выше допущению все слои в теп­ловом отношении изолированы: — = 0. Таким образом, процесс распространения теплоты в каждом слое идентичен действию мгновен­ного линейного источника в пластине, а отличается в каждом слое только началом действия мгновенного источника. За начальный момент вре­мени принимают момент пересечения источником слоя (х = 0, t ~ 0) и,

• і как следует из рис. 13.8, а, для слоя, находящегося па расстоянии (-.v)

! позади от источника, от начала действия в нем мгновенного источника

~.С ,

I, прошло время, равное і = — (знак минус, означает, что время t - поло-

! Г ■I жительная величина).

|j Воспользуемся решением (13.26). Согласуем это решение с расчет-

jt ной схемой рассматриваемой задачи (на рис. 13.8, б отдельно показан

выделенный слой.

• Координаты х, у заменим на у, г. Соответственно квадрат плос­кого радиуса-вектора г[13] = х2 + у'2 заменим на г == у[14] + г2.

' п п *!-х

■■■ • Ч - -(1—■ где множитель 2 означает, что выделенный слой явля-

г

ется полубесконечным, н по площади торца слоя (dxy) [cmj] теп-

I лообмен с окружающей средой отсутствует (поверхность полу-

11 бесконечного тела непроницаема для теплоты).

1: • Толщину пластины s заменим на толщину слоя dx.

• Коэффициент температуроотдачи с поверхностей слоев примем

, 2а,

равным нулю: е = —~ = 0. так как слон в тепловом отношении і fp'

і' изолированы друг от друга: а.=0.

После преобразовании получаем решение задачи

где г' ■= у - + гг - квадрат плоского радиуса-вектора, характеризующего отстояние любой точки тела от оси перемещения источника.

2. Подвижный линейный источник в пластине.

Рассуждая аналогично, представим, что пластина толщиной s состо­ит из бесконечного количества узких полосок (стержней) сечением (dxs) и ориентированных перпендикулярно оси перемещения линейного ис­точника (рис. 13,9, а). Линейный источник, перемещаясь в пластине,

dx

: Я' , которые

распространяются только в пределах выделенных полосок, так как по сде­ланному ранее допущению все полоски в тепловом отношении изолирова­ны друг от друга: — = 0. Таким образом, процесс распространения тепло-

,. " (>.Т

ты в каждой полоске идентичен действию мгновенного плоского источника в стержне, а отличается, как и в предыдущим случае, только началом ден-

-.т

ствия мгновенного источника

Воспользуемся решением (13.29). Сої ласуєм это решение с расчет­ной схемой рассматриваемой. задачи на рис. 13.9, 6 отдельно показана выделенная полоска).

• Координату v заменим на у.

• F=dxs.

• Теплообмен с окружающей средой поверхностей пластины учтем, оценив величину коэффициента температуроотдачи Ь} для стер­жня:

, а гР ar2dx 2ат.

6 = —і— = — —-— = —— = Ь, cpF cpdxs cps

где Р - периметр теплоотдающей поверхности, в рассматривае­мом случае Р = 2dx b - коэффициент температуроотдачи для пла­стины, в рассматриваемом случае b = Ь..

• Время С как уже оговаривалось: : = —.

Г

После преобразований получаем решение задачи

где у характеризует отстояние любой точки пластины от оси перемеще­ния источника.

Анализируя полученные решения (13.38) и (13.39), видим, что, если требуется оценить температурное поле предельного состояния, то в эти

решения вместо времени t следует подставить ассоциация тем­

пературного поля предельного состояния при этом показана на рис. 13.10. В то же время решения в приведенном выше виде позволяют оценить температурные изменения любых конкретных точек тел, отсто­ящих от оси шва на расстояниях гили у, во времени.

В сварочной практике изменение температуры конкретной точки тела во времени при сварке называют термическим циклом (ТЦ) этой точки.

Полученные решения можно рекомендовать для непосредственных ин­женерных расчетов ТЦ точек в областях, близко расположенных к шву. Причем при сварке материалов с низкой теплопроводностью (стали всех

классов, сплавы на основе никеля, титана и др.) - как при автоматической и полуавтоматической, так и при ручной электродуговой сварке; при свар­ке же металлов с высокой теплопроводностью (медь и сплавы на ее основе, алюминий и сплавы на его основе) - только при автоматической сварке (при достаточно высоких скоростях сварки).