ТЕОРИЯ сварочных процессов

Источники теплоты и их схематизация

КЛАССИФИКАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛОТЫ

Нагрев тел может осуществляться разнообразными источни­ками теплоты, различающимися между собой по распределенно­сти, времени действия и движению их относительно тела. При определенных условиях все многообразие источников теплоты можно получить, пользуясь мгновенным точечным источником теплоты.

Мгновенный точечный источник теплоты — понятие абстракт­ное. Физической схемой, примерно соответствующей мгновенному точечному источнику, можно считать такую, при которой в очень малый объем за весьма малый промежуток времени вводится некоторое количество теплоты Q. Формально такое введение теплоты можно рассматривать как граничное условие при f = 0, когда вместо распределения температур задается распределение теплоты в теле. Действительно, если принять, что во всех точках тела, кроме одной, теплосодержание равно нулю, а в точке с координатами х0, уо, Zo при t = 0 содержится количество теп­лоты Q, то будем иметь случай мгновенного точечного источ­ника.

В последующие моменты времени теплота будет распростра­няться по телу, подчинясь уравнению теплопроводности (5.32).

Если воспользоваться принципом наложения, то, комбини­руя мгновенные точечные источники, можно получить множество иных источников теплоты. Принципом наложения можно поль­зоваться при условии, что теплофизические коэффициенты счи­тают независящими от температуры, а выделением и поглоще­нием теплоты в процессе фазовых превращений пренебрегают. Принцип наложения заключается в сложении температур от дей­ствия отдельных источников, которые либо находятся в разны точках тела, либо выделяют теплоту в различные моменты вре­мени, либо и находятся в разных точках тела, и выделяют теп­лоту неодновременно.

Мгновенный линейный источник теплоты представляет собой комбинацию мгновенных точечных источников, действующих одновременно и расположенных по линии. Распределение Q по линии действия ряда мгновенных точечных источников может выражаться различными функциями. Равномерное распределе­ние Q по линии (рис. 5.10, а) означает действие мгновенного линейного источника. В случае распределения Q по нормальному закону (рис. 5.10,6) имеем нормально линейный мгновенный источник.

Мгновенный плоский источник теплоты представляет собой совокупность мгновенных точечных источников теплоты, дейст­вующих одновременно и расположенных в одной плоскости. Рас­пределение теплоты Q при /= 0 может иметь разнообразный характер. Под мгновенным плоским источником обычно пони­мают равномерное распределение Q по сечению (рис. 5.10, в). В случае нормального распределения Q по кругу имеем мгновен­ный нормально круговой плоский источник (рнс. 5.10,г).

Мгновенный объемный источник теплоты представляет собой совокупность мгновенных точечных источников, распределенных по какому-либо закону в теле.

Используя принцип наложения, удается получить различные мгновенные источники, отличающиеся по распределенности. По существу только точечный источник сосредоточен по отношению ко всем координатным осям, линейный источник сосредоточен по отношению к двум координатным осям и распределен в третьем направлении, а плоский — сосредоточен лишь в одном направ­лении.

Объемный источник может служить примером распределен­ного источника по всем направлениям.

Непрерывно действующие и движущиеся источники теплоты представляют собой совокупность мгновенных источников, рас­пределенных по промежутку времени действия источника. На­пример, точечный источник может действовать непрерывно в те-

чение определенного отрезка времени t. В этом случае он уже не будет мгно­венным, так как теплота выделяется в точке постепенно.

Источники теплоты могут быть не­подвижные, движущиеся и быстродви - жущиеся. Очевидно, что движущийся источник не может быть мгновенным, так как предполагается, что его движе­ние протекает в течение некоторого отрезка времени, когда выделяется теплота. Точечный непрерыв­но действующий источник, продвигающийся из точки О в направ­лении х (рис. 5.11), представляет собой движущийся источник. Для быстродвижущихся источников характерен ряд особеннос­тей, которые рассмотрены в п. 6.4.

СХЕМАТИЗАЦИЯ СВАРОЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛОТЫ

В разд. I были рассмотрены многие виды источников теплоты, которые используют для целей сварки. Главные особенности этих источников — характер распределения и интенсивность теп­ловых потоков, сообщаемых ими свариваемому или нагреваемому телу. Не затрагивая здесь физических аспектов появления тепло­ты в телах, которые были подробно рассмотрены в разд. I, отме­тим, что теплота может либо передаваться телу через поверх­ность металла, либо выделяться на поверхностях металла и в тонких приповерхностных слоях, либо генерироваться в глубине металла.

Отмеченный различный характер выделения теплоты не явля­ется определяющим при выборе тех или иных расчетных схем введения теплоты в тело. Поясним это на примере обычного дугового разряда в случае сварки металла за один проход с пол­ным проплавлением.

Теплота передается свариваемой пластине через поверхность ванны расплавленного металла. Казалось бы, что источник теп­лої ь, должен быть предстгвлен в виде распределенного источ­нике на поверхности пластины, аналогично рис. 5.10, г. Но пото­ки жидкого металла в ванне перемещаются с большими скоро­стями, а поверхность самой ванны имеет некоторое углубление. В результате этого для случая сварки с полным проплавлением источник теплоты представляют как равномерно распределенный по толщине пластины. В плоскости хОу распределение теплового потока описывают кривой Гаусса (нормальным законом)

<72 = <72 тегкг (5.33)

где <72т — наибольший тепловой поток в центре пятна нагрева; k — коэффициент сосредоточенности теплового потока источника; г — радиальное расстояние от рассматриваемой точки до оси (рис. 5.12).

Если коэффциент сосредоточенности k велик, то в ряде случаев источник теп­лоты считают даже линейным (рис. 5.10, а), пренебрегая его распределен­ностью на плоскости ху.

Численные значения qim и k подбирают так, чтобы распределение теплового пото­ка по уравнению (5.33) наиболее близко соответствовало фактическому распреде­лению, которое определяют опытным пу­тем.

Существует определенная связь меж­ду законом нормального распределения теплового потока и эффективной мощ­ностью q источника теплоты, которая устанавливается путем интегрирования (5.33):

Я = (л/6)<72

При использовании в расчетах выраже­ния (5.33) принято считать радиусом

пятна нагрева расстояние ги = йи/2, на котором удельный тепловой поток q^rH) равен 0,05 q^m. Отсюда следует, что

<7г(гн) = q 2me~krl= 0,05(72™; е-*'! = 0,05; kr= 3,0.

Условный расчетный диаметр пятна нагрева

dH= 3,46/-Д. (5.35)

Зная диаметр пятна нагрева dH, можно из уравнения (5.35) определить k. На рис. 5.13 приведено сравнение тепловых пото­ков различных сварочных дуг. Опытами установлено, что с уве­личением тока увеличивается q? m, a k уменьшается; с повыше­нием напряжения q2m и k уменьшаются. Газовое пламя при оди­наковой мощности с дугой обладает значительно меньшим мак­симальным удельным тепловым ПОТОКОМ q2m и значительно мень­шей сосредоточенностью k. Например, металлическая дуга пере­менного тока при /=550 А, // = 37,5 В и такой же мощности q газовое пламя имеют соответственно <72т = 4160 Вт/см2, k = = 1,32 1/см2 и <72т = 510 Вт/см2, /г = 0,17 1/см2.

Весьма значительной сосредоточенностью могут обладать электронный и лазерный лучи при соответствующей фокусировке их на поверхность свариваемого тела. Концентрация энергии может быть настолько значительной, что теплопроводность ме­талла оказывается недостаточной для отвода теплоты в глубину тела и металл закипает, испаряясь с поверхности. При расфоку­сировке луча или при быстром его перемещении по поверхности

£}!Ят/смг

74 ООО

,Вт1шг

moo -

с охватом достаточно большой площади пятна нагрева сосредо­точенность источника теплоты может оказаться низкой. Харак­тер распределения теплоты от электронного луча можно изме­нять в широких пределах, устанавливая различную траекторию движения луча по поверхности и фокусировку.

Имеются источники теплоты со сложной формой распределе­ния теплового потока, например электрошлаковый (см. рис. 7.21,

п. 7.9).

Теплота может распределяться по толщине металла по раз­личным законам. Как указывалось выше, часто распределение считают равномерным (см. рис. 5.10, а). В случае наплавки на массивное тело распределенностью теплоты в направлении оси Oz можно пренебречь и считать источник точечным, находящимся на поверхности тела.

При необходимости учесть распределенность теплоты, напри­мер, от сварочной дуги, по глубине металла можно принять нор­мальный закон распределения по аналогии с формулой (5.33). В общем случае использования различных сварочных источников теплоты вопрос о распределенности теплового потока по толщине металла должен решаться каждый раз конкретно в зависимости от свойств самого источника и его взаимодействия со сваривае­мым металлом. В первом приближении о характере распреде­ления вводимой энергии можно судить по форме проплавления. На рис. 5.14, а, б, в показаны формы провара в электрошлако - вых сварных соединениях в зависимости от расположения и характера перемещения сварочных проволок в зазоре. Случай

а) ГТ~Т

на рис. 5.14,8 соответствует равномерному выделению теплоты по толщине металла. При электронно-лучевой сварке металла большой толщины при горизонтальном расположении луча и движении его снизу вверх (рис. 5.14, г) форма проплавления на большей части толщины б имеет вид конуса (рис. 5.14, д), что указывает на некоторую неравномерность выделения теплоты по толщине металла на передней поверхности образующегося при сварке отверстия. Для практических целей определения термиче­ских циклов в случае как электрошлаковой, так и электронно­лучевой сварки можно считать выделение теплоты равномерным по толщине. Если же в расчете необходимо весьма точно описать температурное поле вблизи сварочной ванны, то судить о пра­вильности принятого закона распределения теплоты в источнике можно по совпадению расчетной и фактической форм проплав­ления.

Характер и последовательность выделения теплоты при раз­личных способах сварки могут быть довольно разнообразными. В каждом конкретном случае это предопределяет принятие той или иной схемы источника теплоты. Более подробно указанные вопросы рассматриваются в п. 7.7, 7.9, 7.10.