Контактная сварка с непрерывным оплавлением. При оплав лении с равномерно возрастающей скоростью температура в околоконтактной области
(2.69)
где Тпл — температура плавления металла; S — ускорение дви жения захвата.
Максимально допустимое ускорение
|
|
(2.60) |
где |
7д — температура |
пластического деформирования (для |
стали |
7^=770-^-970 К); |
/0.с — околоконтактная зона стержня, |
прогретая выше температуры Тл).
Температура стыка после выключения тока определяется по формуле
АТ =■ Т пл exp (mt) erfc д / m t , |
(2.61) |
где t — время после выключения тока. Параметр
2.6.2. Точечная контактная сварка листов |
|
|
|
||||||||
Температурное |
поле |
вокруг |
сварной точки в листах |
толщиной |
|||||||
6 после |
выключения тока и размыкания |
электродов |
описыва |
||||||||
ется |
схемой |
мгновенного |
|
нормально |
|
кругового |
|
источника |
|||
в тонкой пластине с теплоотдачей |
|
|
|
|
|||||||
ДТ |
-------- 5-------- ехр |
Г------------ -----------— 1 , |
|
(2.62) |
|||||||
|
|
4яШ(<о + 0 |
|
L |
4а (<о + о |
срб J |
|
' |
|||
где |
Q — количество |
теплоты, |
введенное |
в металл; |
г — расстоя |
||||||
ние от центра сварной точки; |
t — время, прошедшее с момента |
||||||||||
разведения электродов; |
to — постоянная |
времени, |
характери |
||||||||
зующая распределенность теплоты по радиусу в пластине в мо мент выключения тока при (= 0 (можно принять £о«(св).
Введенная в металл теплота
Q — Qi + Qa.
где Qj — теплота, затраченная на расплавление объема металла свариваемых листов толщиной 26 между электродами диамет
ром dB; |
Q2 — теплота, |
затраченная на нагрев кольца металла |
шириной |
* = 4 д/<ц"- |
окружающего расплавленный металл. Ус |
ловно принимают среднюю температуру металла в кольце рав ной Гпл/4.
С учетов теплосодержания металла
лd*
Qi — — “р —2 б ср Т плI |
(2.63) |
4 |
|
Q2= Агхядс (d9+ *) 26ср Тпл , |
(2.64) |
где k t=0,8 — коэффициент, учитывающий неравномерность на грева кольца.
Мгновенная скорость охлаждения центральной точки при Т< 0,5 Тпл
|
ш0 = |
4 л \ ( Т - Т н)* |
|
|
|
|
|
QI26 |
|
где |
Тя — начальная |
температура |
||
свариваемых |
листов. |
|
||
ет |
Скорость |
охлаждения возраста |
||
при |
использовании |
жестких ре |
||
жимов |
сварки. |
|
||
2.6.3. Электрошлаковая сварка
Нагрев металла при электрошлаковой сварке представляют как суммирование температур от дей ствия 3-х движущихся распределен ных ИСТОЧНИКОВ тепЛОТЫ (<7мет и 2-х источников ршл), равномерных по толщине металла (рис. 2.14).
Мощность источника на линии AtB, Ямет— vf&ps„„,
(2.65)
Рис. 2.14. Схемы процесса (а) и движения источников теплоты (б)
при электрошлаковой сварке
(2.66)
где v — скорость сварки, б — толщина металла, 5Пл — теплосо держание единицы массы расплавленного металла при темпе ратуре шлака в активной зоне.
Мощность двух источников на линиях АС и BD
Яшл — Я — Ямет< |
(2.67) |
где q — полная эффективная мощность.
Линейная интенсивность мощности металлического источ
ника |
теплоты |
равна <7 мет/ 2 |
Ьпр, шлакового источника ?шл/ 2 hmn. |
В |
области |
температур |
ниже 970—1170 К температурное |
поле можно рассчитывать по схеме линейного источника теп лоты в пластине. При этом принимают, что интенсивность ис точника по толщине пластины равномерна.
При электрошлаковой сварке с порошкообразным приса дочным металлом, выполняемой на высоких скоростях, тем пературное поле рассчитывают по схеме линейного источника теплоты, движущегося в пластине по оси шва, в тепловом
центре процесса (на глубине 15—20 мм от поверхности шла ковой ванны). Скорость охлаждения и длительность нагрева при этом определяют по формулам (2 .2 2 ) и (2.26).
Основным параметром термического цикла, служащим кри терием оптимальности режима при электрошлаковой сварке, является время пребывания околошовной зоны выше 1170 К (длительность перегрева металла).
2.6.4. Плазменная сварка
Энергия плазменной дуги передается изделию электронами, тя желыми частицами, конвективными потоками, излучением столба дуги.
Эффективный к. п. д. плазменно-дугового нагрева (табл. 2.4) ниже, чем к. п. д. дуги, из-за большей теплоотдачи стен кам сопла и окружающему пространству.
Эффективный к. п. д. зависит от сварочного тока / и рас хода газа V.
При обработке материала плазменной струей энергия пере носится высокотемпературным газовым потоком и передается
изделию в результате конвекции |
и излучения |
струи. |
||
ЭФФЕКТИВНЫЙ к. п. д. |
|
|
|
ТАБЛИЦА 2.4 |
ПЛАЗМЕННО-ДУГОВОГО НАГРЕВА [4] |
||||
|
|
|
Режим |
|
Нагреваемый объект |
л |
|
/. А |
V, г/с |
|
|
|
||
Массивное тело |
0 ,3 -0 ,7 5 |
Аргон |
200 |
0 ,1 - 5 |
Проволока |
0,1 |
» |
190 |
1,5 |
Порошок |
0 ,2 |
250—350 |
|
|
Газ: |
|
|
|
|
аргон |
0 ,1 -0 ,7 |
|
250 |
0 ,2 |
водород |
0,3—0,8 |
|
220 |
0,3 |
|
|
|
|
ТАБЛИЦА 2.5 |
ЭФФЕКТИВНЫЙ К- П. Д. НАГРЕВА ПЛАЗМЕННОЙ СТРУЕЙ [4] |
||||
|
|
|
Режим |
|
Нагреваемый объект |
л |
|
/, А |
V, г/с |
|
|
|
||
Массивное тело |
0,1—0,5 |
Аргон |
300 |
0,1—5 |
Проволока |
0,2—0,3 |
» |
330 |
0,1—5 |
Порошок: |
|
|
|
|
во встречных струях |
0,07 |
|
300 |
1,4 |
в струе с магнитной крут |
0,04 |
Аммиак |
225 |
1.5 |
кой |
|
|
|
|
Эффективный к. п. д. нагрева плазменной струей (табл. 2.5) ниже, чем в случае нагрева плазменной дугой.
Эффективная мощность плазменной дуги и плазменной струи увеличивается с повышением тока и зависит от состава и расхода газа, а также длины дуги. Увеличение расстояния от среза сопла до изделия приводит к уменьшению эффектив
ной мощности.
Изменение удельного теплового потока по радиусу пятна нагрева для плазменной дуги и плазменной струи описывается законом нормального распределения (2.45).
При плазменном нагреве в случае большой скорости движе ния источника температура тонких листов определяется по формуле (2.51), массивного тела — по формуле (2.52).
При малых скоростях перемещения плазменного источника нагрева применяются расчетные схемы, аналогичные схемам нагрева газовым пламенем.
2.6.5. Лучевые виды, сварки
Лучевые источники нагрева (электронный, лазерный луч) ха рактеризуются высокой концентрацией вводимой энергии.
Распределение удельного теплового потока в пятне нагрева описывается нормальным законом (2.51) с очень высокими значениями коэффициента сосредоточенности k.
Эффективный к. п. д. нагрева при электронно-лучевой сварке (табл. 2 .6 ) зависит от атомного номера обрабатывае мого материала и изменяется в пределах 0,7—0,9.
Температурное поле в тонких листах от нагрева электрон ным лучом или плазменной струей, перемещающимися с уме ренной скоростью v, описывается схемой подвижного нор мально кругового источника теплоты в пластине с теплоот дачей:
д г = - Л т |
~ ехР ( — |
г |
- + |
J |
(Р*) № (Р*. * + *о)- Т 2 (р„ т0)1. |
2лло |
\ |
2а |
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.68) |
В случае малого радиуса пятна нагрева (при большом k) можно применять для расчета схему подвижного линейного ис точника теплоты в пластине (2 .8 ).
ТАБЛИЦА 2.6
ЭФФЕКТИВНЫЙ К. П. Д. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО НАГРЕВА [4]
Металл AI |
Ti |
V |
Fe |
N1 |
Си |
Zn |
Nb |
Mo |
Та |
w |
Л |
0,895 |
0,842 |
0,839 |
0,804 |
0,78 |
0,776 |
0,734 |
0,731 |
0,727 |
0,703 |
0,7 |
Расчет нагрева массивных изделий электронным лучом вы полняется по схеме нормально распределенного источника на поверхности полубесконечного тела. Для случаев сварки на больших скоростях можно использовать формулы (2.51) и
(2.52).
Для лазерного нагрева применяются лазеры с импульсной генерацией излучения и лазеры непрерывного действия.
Распределение плотности теплового потока на поверхности материала от лазерного излучения
«,2 (г) = (1 -Д)«72т е-*'а |
(2.69) |
где R — коэффициент отражения.
Плотность мощности излучения импульсных лазеров дости гает в пятне нагрева значений 104—105 Вт/мм2. К. п. д. лазеров импульсного действия на рубине составляет 1 %. лазеров на стекле с неодимом 2 %.
Мощность СОг лазеров непрерывного действия составляет несколько киловатт при rj = 0,2. Плотность потока в пятне фо кусировки достигает 103 Вт/мм2.
Мощность газодинамических Лазеров достигает десятков киловатт.
Для расчета температурных полей при лазерной сварке применяются схемы, рассмотренные выше для электронного луча.
2.7. Справочные данные и примеры расчетов
Теплофизические коэффициенты металлов зависят от темпера туры. При инженерных расчетах применяются усредненные значения коэффициентов для некоторой температуры ТсР.
В табл. 2.7 приведены теплофизические коэффициенты для ряда металлов.
|
|
|
ТАБЛИЦА 2.7 |
|
ЗНАЧЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ КОЭФФИЦИЕНТОВ |
[3] |
|||
Материал |
Г СР- К |
МДж/?м3- К) |
к, |
ахЮ4, |
Вт/(м- К) |
ма/с |
|||
Низкоуглеродистые |
и 500—600 |
5 -5 ,2 4 |
37,7—41,9 |
0,075—0,09 |
низколегированные |
стали |
|
|
|
Аустенитные стали |
600 |
4,73—4,8 |
25—33,5 |
0,053—0,07 |
Медь |
400 |
3 ,8 5 -4 |
368—377 |
0,95—0,96 |
Латунь |
350—400 |
3,47 |
117 |
0,34 |
Алюминий |
300 |
2,72 |
272 |
1 |
Технический титан |
700 |
2,85 |
16,8 |
0,06 |