16.3. Схематизация процессов распространения тепла при сварке
Теплота, вводимая источником для нагрева свариваемых участков поверхностей заготовок, распространяется по объему заготовок. Процессы нагрева и охлаждения металла обусловлены:
выделением теплоты источником;
распространением теплоты в ванне расплавленного металла, главным образом вследствие конвективного теплообмена, вынужденного дутьем дуги или пламени;
расходом теплоты на нагрев и расплавление присадочного металла или металла плавящегося электрода;
распространением теплоты в массу нерасплавленного металла заготовок посредством теплопроводности;
потерей тепла через поверхность металла в окружающую среду вследствие лучистого и конвективного теплообмена и в соприкасающиеся с заготовками твердые тела посредством теплопроводности.
Описание процессов распространения тепла непосредственно в области действия источников теплоты нередко связано с определенными трудностями. В связи с этим, как правило, ограничиваются анализом температурных полей в некоторой удаленной от источника области или схематизируют сам источник.
Для описания процессов распространения тепла в удаленной от источника области рассматривают источники: точечный, линейный, плоский, иногда – объемный.
Температура от мгновенного точечного источника теплоты, вспыхнувшего в стержне в момент времени = 0 в точке х = , описывается функцией
,
(16.4)
где Q – количество выделившейся теплоты.
Эту же функцию можно рассматривать как температуру от мгновенного плоского источника, вспыхнувшего в неограниченном теле. В этом случае Q означает количество теплоты, приходящееся на единицу площади поверхности источника.
Температура от точечного источника, вспыхнувшего в начале координат в неограниченном теле, описывается функцией
,
(16.5)
где
–
квадрат расстояния от источника тепла
(от начала координат) до точки А.
Тепло от мгновенного линейного источника, совпадающего с осью OZ (или от точечного источника на плоскости) описывается функцией
,
(16.6)
где
– квадрат расстояния от источника тепла
(от оси OZ)
до рассматриваемой точки А.
В зависимости от наличия или отсутствия перемещения источника относительно свариваемых заготовок различают неподвижные и движущиеся источники тепла.
Для
движущихся источников тепла координату
источника задают в виде функции
,
отрезок времени действия источника
разбивают на элементарные интервалы
и считают, что в каждый из этих интервалов
в точке с абсциссой
вспыхнул мгновенный точечный источник.
Результатом действия элементарного
точечного источника является приращение
температуры
.
При этом температура от движущегося
источника определится суперпозицией
температурных полей от элементарных
источников теплоты:
.
(16.7)
Температурные поля в заготовках рассматривают как одномерные (в стержнях), плоские (в пластинах), объемные (в неограниченных телах), а в зависимости от степени изменения температурного поля во времени – нестационарные или установившиеся (предельные состояния температурного поля).
Рассчитанные с учетом такой схематизации температуры металла при сварке хорошо согласуются с температурами, измеренными экспериментальными методами (например, оптическими пирометрами, термопарами и др.)
Теория распространения тепла от неподвижных и движущихся источников позволила оценить эффективность проплавления основного металла и металла электрода или присадочных прутков, интенсивность теплоотвода в свариваемые заготовки, производительность сварки. Кроме того, она дала возможность изучить процессы, протекающие в области низких температур (до 800–1000 С для стали), и наметить пути управления ими. Это позволило предсказывать характер структурных изменений металла при охлаждении в удаленных от источника тепла слоях зоны термического влияния (например, распад аустенита при сварке низколегированной конструкционной стали), а также характер температурного деформирования и накапливания местных пластических деформаций, ведущего к развитию внутренних остаточных напряжений и деформаций в сварном изделии и к образованию холодных или горячих трещин.
Температурный режим при сварке является важнейшим физическим ограничением и необходимым условием осуществления процесса сварки. Нарушение рационального температурного режима приводит к резкому снижению качества сварного соединения или вообще к невозможности выполнения сварки. Температура является важнейшим критерием для назначения мощности источника тепла, необходимой для сварки, для определения скоростей перемещения источника и подачи электрода в зону сварки, для определения рационального времени действия источников (например, количества и времени действия импульсов тока при контактной сварке). Для решения этих прикладных задач необходимо рассчитывать температуры и тепловые потоки для различных способов сварки.