5. Тепловые процессы при различных видах сварки

5.1.Тепловые процессы при электрошлаковой сварке

Характерной особенностью тепловых процессов при электрошлаковой сварке является значительная распределенность источника теплоты. Кромки основного металла разогреваются активной зоной шлаковой ванны и опускающимся расплавленным металлом, в результате чего образуется металлическая ванна шириной 2b_пр. (рис. 5.1, а).

Выделение теплоты при электрошлаковой сварке соответствует следующей расчетной схеме (рис. 5.1, б): в сплошной пластине без сварочного зазора f движутся три источника теплоты в виде линий АС, ВД и A₁B₁, расстояние между которыми равно f и A₁B₁. Мощность источника на линии A₁B₁соответствует количеству теплоты q_М, приносимому расплавленным электродным металлом в секунду:

, (5.1)

где v - скорость сварки; f и δ – зазор и толщина металла; ρ – плотность; h_пл – теплосодержание единицы массы металла от температуры нагрева t_H до температуры шлаковой ванны t_Ш.

а) б)

Рис. 5.1. Схема нагрева металла при электрошлаковой сварке: а – схема процесса; б – схема движения шлаковых q_Ш и металлического q_M источников теплоты

Мощность шлакового источника q_Ш двух источников на линиях АС и ВД равна разности между всей эффективной мощностью q и мощностью металлического источника q_M:

q_Ш=q - q_M. (5.2)

Теплота, выделяемая по линиям АС и ВД и распространяющаяся влево от АС и вправо от ВД, соответствует подогреву кромок пластин шлаковой ванной. Теплота, распространяющаяся вправо от AC и влево от ВД, создает тепловой поток через сечение A₁B₁, что соответствует подогреву металла ванны со стороны шлака. Линейная интенсивность мощности равна q_M/(2·b_пр) у металлического и q_Ш/(2·h_Ш) у шлакового источников теплоты. Такой нагрев определяет характер распределения температуры в пластинах. Приращение температуры в любой точке может быть подсчитано с использованием выражения (3.30) путем его интегрирования с изменением х в пределах h_Ш, а у в пределах от - b_пр до + b_пр:

(5.3)

где – безразмерный критерий; ; x,y – координаты точки, в которой определяется приращение температуры.

При сварке листов большой толщины безразмерный критерий оказывает большое влияние на неравномерность температуры по толщине пластины. Неравномерность температуры по толщине пластины Δt_δ может быть определена по формуле

(5.4)

Пример 11. Плиты из малоуглеродистой стали толщиной δ=70 см сваривают электрошлаковой сваркой со скоростью υ = 0,52 м/ч = 0,0144 см/с, эффективная мощность источника теплоты q= 143 000 Дж/с. Определить среднюю температуру плиты и разность температур поверхности и оси шва на расстоянии 25 см позади источника теплоты по оси соединения.

Теплофизические коэффициенты: λ =0,4 Дж/см∙с∙град; сρ = 5,0 Дж/см³∙град; а = 0,08 см²/с; α = 6,0∙10^-3 Дж/см²∙с∙град.

Так как расстояние от источника теплоты х = - 25 см значительное, температуру определяем по схеме линейного источника теплоты в пластине.

Среднюю температуру вычислим с помощью номограммы на рисунке 5.2,а.

Для этого вначале определим безразмерный критерий теплоотдачи по номограмме на рисунке 5.2, б, построенной для малоуглеродистых и низколегированных сталей.