5.3. Тепловые процессы при сварке трением

Для расчетов длительности нагрева при сварке трением можно считать источник теплоты равномерно распределенным по сечению и не изменяющимся во времени.

Для тонких стержней и труб с одинаковыми сечениями и теплофизическими свойствами, где необходимо производить учет теплоотдачи справедливы формулы, приведенные для сварки труб вращающейся дугой

, (5.30)

где ; q – эффективная мощность, F – площадь сечения, τ_н – время нагрева.

При нагреве стержней диаметром более 2.0 см и труб с толщиной стенки, превышающей 1.5 см, поверхностной теплоотдачей пренебрегают. Тогда температура контактного сечения (x=0) в процессе нагрева

. (5.31)

В стадии выравнивания после окончания нагрева температура по длине стержня или трубы изменяется по закону

, (5.32)

где τ – полное время нагрева.

Для контактного сечения (x = 0) в стадии выравнивания температур при τ > τ_H

. (5.33)

Мгновенную скорость охлаждения стыка можно получить из формулы (5.33) путём дифференцирования t по времени:

. (5.34)

5.4. Тепловые процессы при плазменной сварке

Энергия плазменной дуги передается изделию электронами, тяжелыми частицами, конвективными потоками, излучением столба дуги.

При обработке материала плазменной струей энергия переносится высокотемпературным газовым потоком и передается изделию в результате конвекции и излучения струи.

Изменение удельного теплового потока по радиусу пятна нагрева для плазменной дуги и плазменной струи описывается законом нормального распределения (3.43).

При плазменном нагреве в случае большой скорости движения источника температура тонких листов с учетом теплоотдачи определяется по формуле

, (5.35)

а массивного тела – по формуле

. (5.36)

Обозначения параметров формул (5.35) и (5.36) даны в п. 4.1.

5.5. Тепловые процессы при лучевых видах сварки

Лучевые источники нагрева (электронный луч, лазерный луч) характеризуются высокой концентрацией вводимой энергии.

Распределение удельного теплового потока в пятне нагрева описывается нормальным законом (3.43) с очень высокими значениями коэффициента сосредоточенности k.

Температурное поле в тонких листах от нагрева электронным лучом, перемещающимся с умеренной скоростью υ, описывается схемой подвижного нормально-кругового источника теплоты в пластине с теплоотдачей согласно уравнению (3.51).

, (5.37)

где ψ₂ (ρ₂,k) – коэффициент теплонасыщения (см. п.3.7);

K₀(ρ₂) – функция Бесселя от мнимого аргумента;

– безразмерный критерий.

В случае малого радиуса пятна нагрева (при большом k) для расчета температурного поля применяют схему подвижного линейного источники теплоты в пластине (3.31).

Расчет нагрева массивных изделий электронным лучом выполняется по схеме нормально распределенного источника на поверхности полубесконечного тела.

Для сварки на больших скоростях используют формулы (5.34) и (5.35).

Распределение плотности теплового потока на поверхности материала от лазерного излучения

, (5.38)

где R – коэффициент отражения.

Плотность мощности излучения импульсных лазеров достигает в пятне нагрева 10⁴ – 10⁵ Вт/мм².

Для расчета температурных полей при лазерной сварке применяются схемы, рассмотренные ранее для электронного луча.