Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет»

Б.Е. Лопаев, Е.Н. Еремин

ПРОЦЕССЫ НАГРЕВА МЕТАЛЛА СВАРОЧНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ТЕПЛА

Учебное пособие

Допущено УМО вузов по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов 150200 «Машиностроительные технологии и оборудование» специальности 150202 «Оборудование и технология сварочного производства»

Омск 2007

УДК 669.046:621.791 (075)

ББК 30.61я73

Л77

Рецензенты:

А.С. Ненишев, д-р техн. наук, профессор Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии;

М.А. Красников, зам. директора отраслевого института «Омскгазтехнология»

Лопаев Б.Е.

Л77 Процессы нагрева металла сварочными источниками тепла: учеб. пособие / Б.Е. Лопаев, Е.Н. Еремин – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007. – 144 с.

Изложены методы расчета тепловых процессов при различных способах сварки. Показано влияние вида источника нагрева, формы и размеров нагреваемых тел, режимов сварки и теплофизических свойств металла на поле температур. Рассмотрены процессы нагрева и плавления основного и присадочного металлов.

Предназначено для студентов специальности 150202 «Оборудование и технология сварочного производства» при изучении дисциплины «Теория сварочных процессов». Оно может быть полезным и для специалистов сварочного производства.

© Авторы, 2007

© Омский государственный технический университет, 2007

Предисловие

Большинство существующих способов сварки выполняется при местном нагреве сварочными источниками тепла. От температурного состояния объёмов металла в месте сварки и распределения температур в свариваемом изделии зависит качество сварных соединений – прочность, пластичность, ударная вязкость металла шва и прилегающих к месту сварки участков металла. Неправильный режим нагрева и охлаждения в условиях сварки может привести к появлению дефектов сварки – трещин, непроваров, подрезов. Тепловое состояние металла, шлака и других компонентов, взаимодействующих в процессе образования сварного соединения, обуславливает характер, направление и скорость протекания всех физико-химических и металлургических процессов. Величина и характер деформаций и напряжений, возникающих в конструкциях при сварке, зависят от цикла нагрева и охлаждения изделия, от характера температурных полей. Особенностями распределения тепла, скоростями отвода тепла и охлаждения места сварки определяется структура металла шва и участков основного металла, прилегающих к шву. С тепловыми процессами связаны скорость нагрева и расплавления металла, производительность сварки и её технико-экономическая эффективность.

Температурное состояние металла при сварке является неравномерным и может изменяться от комнатных температур до температуры кипения металла. Непрерывное и достаточно быстрое изменение температур, характерное для сварочных условий, создаёт ряд специфических особенностей, затрудняющих изучение как самих этих процессов, так и их влияние на формирование свойств сварных соединений в процессе сварки. Экспериментальное изучение всех этих процессов трудоёмко и практически неосуществимо. Поэтому для понимания тепловых процессов при сварке и управления ими была разработана теория тепловых процессов при сварке, которую в настоящее время можно представить как тепловые основы сварки.

Наука о тепловых основах сварки рассматривает процессы распространения тепла при нагреве металла различными источниками, влияние их на процессы плавления металла, а также на температурный цикл и возникающие в шве и основном металле структурные и объёмные изменения.

Тепловые процессы при сварке представляют собой часть общей теории теплопроводности в металлах. Они используют ряд понятий и законов, известных из теории теплопроводности, применяя их к условиям сварки.

Тепловые основы сварки, представляющие часть дисциплины «Теория сварочных процессов», необходимы для изучения ряда прикладных дисциплин сварочной специальности, таких как «Технологические основы сварки плавлением и давлением», «Технология и оборудование контактной сварки», «Производство сварных конструкций».

1. Основные понятия и законы в расчётах тепловых процессов при сварке

1.1 Основные теплофизические величины, понятия и определения

Температура. При сообщении телу тепловой энергии оно нагревается. Степень нагреваемости тела характеризуют температурой. Количество теплоты Q измеряется в Джоулях. Температура T выражается в Кельвинах K, если отсчёт ведётся от абсолютного нуля термодинамической шкалы, или в градусах Цельсия t ºС в случае отсчета от температуры таяния льда (273,15K). При измерении разностей температур градусы Кельвина не отличаются от градусов Цельсия и в системе СИ градусы разности температур обозначаются град.

Теплосодержание (удельное количество теплоты) h выражает количество теплоты, сообщенное килограмму массы тела при нагреве его от температуры Т₁ до температуры Т₂. При технических расчётах теплосодержание тела отсчитывают от 0 ºC, а не от абсолютного нуля. Вне критических точек теплосодержание в металлах с ростом температуры возрастает монотонно, а в точках аллотропических и фазовых превращений – скачкообразно.

Удельная массовая теплоемкость есть количество теплоты, необходимое для изменения на один градус температуры единицы массы тела в определенном термодинамическом процессе. В точках аллотропических и фазовых превращений, где теплосодержание изменяется скачкообразно, понятие теплоемкости теряет смысл.

Средняя массовая теплоёмкость c_m – есть количество теплоты, необходимое для изменения температуры единицы массы тела в среднем на один градус в определенном термодинамическом процессе в заданном интервале температур от T₁ до T₂:

(1.1)

где C_ср – средняя удельная массовая теплоемкость, Дж/(кг∙К); h – удельное количество теплоты, Дж/кг; T – температура, K.

Удельная объемная теплоемкость С – количество теплоты, сообщаемое единице объема вещества для изменения температуры на один градус в определенном термодинамическом процессе.

C = c∙ρ, (1.2)

где C – удельная объемная теплоемкость, Дж/(м К), c – истинная удельная массовая теплоемкость, Дж/(кг∙К), ρ – плотность тела, кг/м .

В тепловых расчётах часто применяют удельную объёмную теплоёмкость.

Температурное поле

Явление теплопроводности представляет собой процесс распространения энергии при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела или отдельных тел, имеющих различные температуры. Теплопроводность обусловлена движением микрочастиц тела.

В газах перенос энергии осуществляется путём диффузии молекул и атомов, а в жидкостях и твёрдых телах – диэлектриках – путём упругих волн. В металлах перенос энергии в основном осуществляется путём диффузии свободных электронов, а роль упругих колебаний кристаллической решётки здесь второстепенна.

Следует указать, что в жидкостях и газах чистая электропроводность может быть реализована при выполнении условий, исключающих перенос теплоты конвекцией.

Всякое физическое явление в общем случае сопровождается изменением в пространстве и времени существенных для данного явления физических величин. Процесс теплопроводности, как и другие виды теплообмена, может иметь место только при условии, что в различных точках тела (или системы тел) температура неодинакова. В общем случае процесс передачи теплоты теплопроводностью в твёрдом теле сопровождается изменением температуры, как в пространстве, так и во времени.

Аналитическое исследование теплопроводности сводится к изучению пространственно-временного изменения температуры, т.е. к нахождению уравнения:

T = f(x,y,z,τ), (1.3)

Уравнение (1.3) представляет математическое описание температурного поля. Таким образом, температурное поле есть совокупность значений температуры во всех точках изучаемого пространства для каждого момента времени.

Различают стационарное и нестационарное температурные поля. Уравнение (1.3) является записью наиболее общего вида температурного поля, когда температура изменяется с течением времени от одной точки к другой.

Такое поле отвечает неустановившемуся тепловому режиму теплопроводности и носит название нестационарного температурного поля.

Если тепловой режим является установившимся, то температура в каждой точке поля с течением времени остаётся неизменной и такое температурное поле называется стационарным. В этом случае температура является функцией только координат:

T = f₁(x,y,z); (1.4)

Температурное поле, соответствующее уравнениям (1.3) и (1.4), является пространственным, так как температура – функция трёх координат. Если температура есть функция двух координат, то поле называется двухмерным и его запись имеет вид:

T = f₂(x,τ); (1.5)

Если температура есть функция одной координаты, то поле называется одномерным:

T = f₃(x,τ); , (1.6)

Наиболее простой вид имеет уравнение одномерного стационарного температурного поля:

T = f₄(x); ; (1.7)

Градиент температур

Если соединить точки тела, имеющие одинаковую температуру,

получим поверхность равных температур, называемую изотермической. Итак, изотермической поверхностью называется геометрическое место точек в температурном поле, имеющих одинаковую температуру.

Так как одна и та же точка тела не может одновременно иметь различные температуры, то изотермические поверхности не пересекаются. Они либо оканчиваются на поверхности тела, либо целиком располагаются внутри самого тела.

Пересечение изотермических поверхностей плоскостью даёт на этой плоскости семейство изотерм. Они обладают теми же свойствами, что и изотермические поверхности, то есть не пересекаются, не обрываются внутри тела, оканчиваются на поверхности или целиком располагаются внутри самого тела.

На рисунке 1.1. приведены изотермы, температуры которых отличаются на ∆Т.

Рис. 1.1 Изотермы

Температура в теле изменяется только в направлениях, пересекающих изотермические поверхности. При этом наибольший перепад температуры на единицу длины происходит в направлении нормали к изотермической поверхности.

Возрастание температуры в направлении нормали к изотермической поверхности характеризуется градиентом температуры – вектором, направленным по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры и численно равным производной от температуры по этому направлению, т.е.

grad T = , (1.8)

где – единичный вектор, нормальный к изотермической поверхности и направленный в сторону возрастания температуры; – производная от температуры по нормали n.

Значение температурного градиента неодинаково для различных точек изотермической поверхности. Оно больше там, где расстояние ∆n между изотермическими поверхностями меньше. Скалярную величину температурного градиента мы будем также называть температурным градиентом.

Производная в направлении убывания температуры отрицательна.

Проекции вектора gradT на координатные оси Ox, Oy, Oz равны:

;

; (1.9)

.