Материал: Сварка и свариваемые материалы. Свариваемость материалов

гоемки по сравнению со сваркой плавлением. Немаловажно и то, что при сварке в твердом состоянии не требуется расходо­ вать энергию на расплавление металла, что экономит около 15—30 % энергии.

Г л а в а 2. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ (Шип В. В.)

2.1. Основные понятия

Температурное поле — это распределение температур в изде­ лии в конкретный момент времени. Температура является функ­ цией теплофизических констант материала, координат точки тела и времени.

Распределение температур может быть объемным Т = Т(х, у, z, (), плоским Т=Т(х, у, t), линейным Т—Т(х, t).

Процесс распространения теплоты при сварке разделяют на три стадии:

теплонасыщение, когда в температурном поле, перемещаю­ щемся вместе с источником нагрева, температура нарастает; предельное квазистационарное состояние, когда подвижное

температурное поле практически устанавливается; выравнивание температуры после окончания сварки. Термический цикл сварки T=T(t ) — зависимость темпера­

туры от времени в некоторой точке изделия.

Изотермическая поверхность — выделенная на контуре или в объеме тела поверхность, образованная точками, имеющими одинаковую температуру в данный момент времени.

Изотерма — линия на поверхности или в сечении тела, со­ единяющая точки с одинаковой температурой.

Градиент температуры цтайТ = дТ/дп — векторная произ­ водная от температуры по направлению п, перпендикулярному к изотерме в данной точке.

Теплосодержание s (Дж/г) — удельное количество теплоты, сообщенное телу массой 1 г при нагреве его от температуры Т\ до температуры 7Y При технических расчетах теплосодержа­ ние тела отсчитывают от 273 К.

Истинная удельная массовая теплоемкость с (Дж/г-град) — количество теплоты, необходимое для изменения на 1 К темпе­ ратуры единицы массы тела.

Объемная теплоемкость ср (Дж/мм3 • град) — количество теплоты, необходимое для изменения на 1 К температуры еди­ ницы объема тела.

2.2. Схемы нагреваемого тела

Распространение теплоты существенно зависит от формы, раз­ меров свариваемой детали, а также от количества теплоты вво­ димой сварочным источником теплоты, т. е. от расчетной схемы

тела. Обычно при тепловых расчетах в зависимости от степени прогрева детали по толщине (в направлении оси Ог) выбирают одну из следующих основных схем.

Бесконечное тело. Если границы детали не влияют на рас­ пространение теплоты, ее при расчете можно заменить беско­ нечным телом неограниченной протяженности по всем трем осе­ вым направлениям: х, у, г.

Полубесконечное тело. Этой схеме соответствует массивная деталь е оДНой ограничивающей плоскостью z = 0. Остальные поверхности детали значительно удалены и не влияют на рас­ пространение теплоты. Схема используется при расчете темпе­

лельными плоскостями: z= 0 и z = 6. Температура по толщине листа б распределена равномерно, и теплота распространяется только в плоскости хОу.

Схема соответствует случаю сварки пластины встык или укладки углового шва с полным проплавлением.

Полубесконечная пластина — тело, ограниченное двумя па­ раллельными плоскостями z=0, z= 6 и плоскостью у=0. Ос­ тальные условия такие же, как и у бесконечной пластины.

Схема применяется при расчете температур в конструктив­ ном элементе (стенке, ребре, накладке), привариваемом к пла­ стине угловым швом, а также в случае наплавки валика на то­ рец пластины.

Плоский слой — пластина, у которой температура точек по толщине не одинакова, а толщина тела не настолько велика, чтобы можно было пренебречь влиянием ограничивающей пло­ скости 2=6 и считать тело полубесконечным.

Бесконечный и полубесконечный стержни — тела, протя­ женные в одном направлении, с равномерным распределением температуры в пределах поперечного сечения. Схема использу­ ется в случае расчета температур при контактной стыковой сварке арматуры, стержней и т. п.

Кроме приведенных, при расчетах иногда используются и другие простейшие схемы.

2.3. Типы и тепловая эффективность источников нагрева

По времени действия различают источники мгновенные, выде­ ляющие теплоту за очень малый промежуток времени, и не­ прерывно действующие. Последние по расчетной схеме могут быть неподвижными, подвижными и быстро движущимися. Как правило, в случае ручной сварки и наплавки целесообразно ис­ пользовать схему подвижного источника, а в случае автомати­ ческой — быстродвижущегося.

Погонная энергия сварки, т. е. количество теплоты, вводи­

мой на единицу длины шва, в этом случае находится из выра­ жения

где v скорость сварки.

Есди режим сварки не известен, но задано поперечное сече­ ние наплавляемого за проход металла шва (стыкового или уг­ лового), погонную энергию можно получить из уравнения

При сварке угловых соединений (тавровых, нахлесточных) часть погонной энергии, вводимая в свариваемый элемент, оп­ ределяется в зависимости от соотношения толщин. Так, в слу­ чае приварки угловым швом к пластине толщиной б конструк­

Формулы (2.4) —(2.7) дают наиболее точные результаты при 6/6к^1,7. Они справедливы для низкоуглеродистых, низколе­ гированных и аустенитных сталей, а также для титановых и алюминиевых сплавов толщиной примерно до 16 мм.

2.4. Тепловые процессы при дуговой сварке

2.4.1. Расчет температурного поля при однопроходной сварке н наплавке

При ручной сварке пластины с полным (или близким к пол­ ному) проплавлением применяют расчетную схему подвижного линейного источника теплоты в пластине.

Температура в точке на расстоянии г от источника равна

вого шва; К— коэффициент теплопроводности; а — коэффициент температуропроводности; Ь— коэффициент поверхностной температуроотдачи; Ко (и) — функция Бесселя нулевого порядка, бё-

до точки, берется со знаком плюс, если точка находится впереди источника, и со знаком минус, если точка — позади источника: x = ± vt\ здесь t — время, за которое источник проходит рас­ стояние X.

Коэффициент поверхностной температуроотдачи для пла­ стины

2а

'Д ля ручной наплавки или сварки углового шва на массив­ ной детали применяется расчетная схема подвижного точечного источника теплоты на поверхности полубесконечного тела или плоского слоя.

где q — часть эффективной мощности, вводимая в деталь; R — расстояние от источника до точки, в которой определяется тем­ пература (R2 — x2 + y2 + z2).