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

ТЕМПЕРАТУРНОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТАЛЛА ПРИ СВАРКЕ Температурное поле при сварке тонких пластин

Фиг. 1. Подвижное плоское температурное поле в бесконечной тонкой пластине по Рыкалину: а — изотермы подвижного поля; б — кривые распределения температуры по линиям, параллельным оси ох-% в — кривые распределения темпера­туры по линиям, параллельным оси оу.

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).

Таблица 1

Значения функции Ко (и) для некоторых значений аргумента

и

Ко (и)

и

h'o (и)

и

К0 (и)

0

оо

1,2

0,32

3

0,038

0,02

4,02

1,4

0,24

3,5

0,020

0,06

2,93

1,5

0,13

4

0,011

0,1

2,44

1,6

0,14

4,5

0,006

0,4

1,11

2

0,11

5

0,0037

0,7

0,56

2,4

0,07

6

0,0012

1

1

0,42

2,8

0,04

8

0,00015

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)~

ТЕМПЕРАТУРНОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТАЛЛА ПРИ СВАРКЕ Температурное поле при сварке тонких пластин

Фиг. 2. Влияние скорости движения дуги на форму подвижного температур­ного поля в пластине:

а — при v = 0,1 см/сек и г>= 0,2 см/сек б — при v ■= 0,5 см [сек и и 1 см /сек.

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

ТЕМПЕРАТУРНОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТАЛЛА ПРИ СВАРКЕ Температурное поле при сварке тонких пластин

(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

ТЕМПЕРАТУРНОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТАЛЛА ПРИ СВАРКЕ Температурное поле при сварке тонких пластин

где у — расстояние от оси шва в см.

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

ТЕМПЕРАТУРНОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТАЛЛА ПРИ СВАРКЕ Температурное поле при сварке тонких пластин

циент температуропроводности а = —, то после подстановки их значений формула (4) примет вид

I

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)

2лА R

Т°с

ТЕМПЕРАТУРНОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТАЛЛА ПРИ СВАРКЕ Температурное поле при сварке тонких пластин

6)

Фиг. 3. Подвижное пространственное температурное поле в полу - бесконечном теле по Рыкалину: а — изотермы по граничной плоскости хоу б — кривые распределения тем­пературы в плоскостях, перпендикулярных к оси оу в — кривые распре­деления температуры в плоскостях, перпендикулярных к оси ох; г — изо­термы в плоскости yoz.

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.

ВНУТРЕННИЕ УСИЛИЯ И ДЕФОРМАЦИИ ПРИ СВАРКЕ

Правка сварных конструкций

Для устранения деформаций после 'сварки - применяется хо­лодная и горячая правка сварных конструкций. Холодная правка основана на растяжении укороченных уча­стков и мест сварной конструкции до проектных размеров - и форм. …

Мероприятия по уменьшению деформаций при сварке

Образование остаточных напряжений и деформаций при сварке вызывается появлением внутренних усилий при местном нагреве металла. Оба эти явления находятся во взаимной связи, но проявляются при сварке конструкций в различной степени …

Технологические мероприятия в процессе сварки

могут быть самые разнообразные и зависят от характера соединений и вида конструкции, применяемых методов сварки, режима нагрева, механических характеристик и химического состава сваривае­мых металлов. Как правило, для уменьшения пиков остаточных …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Партнеры МСД

Контакты для заказов шлакоблочного оборудования:

+38 096 992 9559 Инна (вайбер, вацап, телеграм)
Эл. почта: inna@msd.com.ua

За услуги или товары возможен прием платежей Онпай: Платежи ОнПай