- •Предисловие
- •Основные понятия и законы в расчётах тепловых процессов при сварке
- •1.1 Основные теплофизические величины, понятия и определения
- •1.2 Способы передачи тепла в твердом теле
- •2 Математическое описание процесса теплопередачи
- •2.1 Дифференциальное уравнение теплопроводности
- •2.2 Краевые условия
- •2.3 Методы расчёта тепловых процессов
- •3. Процессы распространения тепла в неограниченных телах
- •3.1 Схематизация формы нагреваемых тел и источников теплоты
- •3.2 Мгновенные сосредоточенные источники в бесконечном теле
- •3.3. Распределенные и непрерывно действующие источники
- •3.4 Распространение тепла в ограниченном теле
- •3.5 Подвижные сосредоточенные источники теплоты
- •3.6. Предельное состояние
- •3.7. Периоды теплонасыщения и выравнивания температуры
- •3.8. Мощные быстродвижущиеся источники теплоты
- •3.9. Мгновенные нормально-распределённые источники теплоты
- •3.10. Расчет температур при сварке разнородных металлов
- •4. Процессы распространения теплоты в ограниченных телах
- •4.1. Источники тепла в пластине
- •4.2. Источник тепла на поверхности плоского слоя
- •4.3. Нагрев тел вращения
- •5. Тепловые процессы при различных видах сварки
- •5.1.Тепловые процессы при электрошлаковой сварке
- •5.2. Тепловые процессы при контактной сварке
- •5.3. Тепловые процессы при сварке трением
- •5.4. Тепловые процессы при плазменной сварке
- •5.5. Тепловые процессы при лучевых видах сварки
- •6. Нагрев и плавление металла при сварке
- •6.1. Нагрев и плавление основного металла
- •6.2. Нагрев и плавление присадочного металла
- •Плавление присадочного металла
- •6.3. Тепловая эффективность процесса сварки
- •Библиографический список
3.6. Предельное состояние
Особенностью температурного поля подвижного источника является то, что возникшая в начале нагрева область повышенных температур с течением времени увеличивается и достигает определенных предельных размеров.
Подвижное температурное поле, насыщенное теплом сосредоточенного источника, перемещается вместе с ним. Такое состояние называется предельным или установившимся. При этом процесс нагрева делится на два периода:
1-период – теплонасыщение, когда размеры связанной с источником нагретой зоны увеличиваются;
2-период – предельное или установившееся состояние процесса распространения тепла, когда температурное поле остается постоянным. При неподвижном источнике тепла неподвижное поле предельного состояния называют стационарным.
При подвижном источнике (υ = const, q = const) связанное с ним температурное поле предельного состояния называется квазистационарным. Процесс распространения тепла стремится к предельному состоянию при длительном действии источника постоянной мощности, т. е. при .
Уравнение предельного состояния для полубесконечного тела
Уравнение предельного состояния процесса распространения тепла при нагреве поверхности полубесконечного тела подвижным точечным источником, отнесенное к подвижной системе координат получим из уравнения (3.19), принимая .
Делаем замену значений под интегралом.
; ;
где
.
После подстановки значений интеграл в уравнении (3.19) приводится к определённому интегралу.
(3.24)
После ряда преобразований уравнение предельного состояния процесса распространения тепла точечного источника постоянной мощности, движущегося с постоянной скоростью по поверхности полубесконечного тела, отнесенное к подвижным координатам x y z, принимает вид
, (3.25)
где R – расстояние точки А от начала 0 подвижной системы координат; x – абсцисса точки А в подвижной системе координат.
Частные случаи уравнения (3.25):
а) неподвижный точечный непрерывно действующий источник постоянной мощности, т. е. v=0; q=const.
Подставляя v=0 в уравнение (3.25), получим
. (3.26)
Температура зависит от R. Температурное поле симметрично относительно точки 0. Изотермические поверхности – концентрические полусферы.
При температура бесконечно возрастает, а по мере удаления от источника, убывает обратно пропорционально R (рис.3.17).
Рис. 3.17. Влияние теплопроводности металла на распределение температуры предельного состояния при нагреве полубесконечного тела неподвижным точечным источником
Температура на данном расстоянии R прямо пропорциональна мощности источника q и обратно пропорциональна коэффициенту теплопропроводности λ;
б) распределение температуры в точке, находящейся на оси 0x позади движущегося источника, т. е. x=-R.
Подставляя значение x=-R в уравнение (3.25), получим
. (3.27)
Из уравнения (3.27) следует, что распределение температуры на отрицательной полуоси в полубесконечном теле не зависит от скорости перемещения точечного источника;
в) распределение температуры в точке, находящейся впереди источника, т.е. x>0.
Принимая x=R в уравнении (3.25), получим
(3.28)
Выражение всегда < 1, поэтому чем больше скорость и меньше коэффициент температуропроводности а, тем быстрее убывает температура впереди источника;
г) распределение температуры в точке, находящейся на оси 0y.
Принимая значение x=0 в уравнении (3.26), получим
(3.29)
Температура на данном расстоянии R по оси 0y равна температуре на том же расстоянии по отрицательной полуоси 0x, умноженной на коэффициент , меньший единицы.
Таким образом, с удалением от подвижного источника тепла назад, температура убывает наиболее медленно. В боковом направлении температура убывает быстрее, а впереди источника – наиболее быстро. Температурное поле предельного состояния при нагреве поверхности полубесконечного тела точечным источником приведено на рисунке 3.18.
Пример 2. Рассчитать, как распределяются температуры по оси X валика и по оси Y, перпендикулярной к направлению сварки, при наплавке на массивную стальную деталь (рис. 3.19). Режим наплавки: I = 300 A; V = 25 B; υ = 10 м/ч = 0,278 см/с.
В качестве расчетной схемы изделия примем полубесконечное тело. Расчетная схема источника тепла – точечный непрерывно действующий подвижный источник.
Для расчета нагрева тела данным источником используем формулу
(а)
а) б)
в) г)
д)
Рис. 3.18. Температурное поле предельного состояния при нагреве поверхности полубесконечного тела с точечным источником: а – распределение температуры в зависимости от x при разных значениях y; б – распределение температуры в зависимости от y при разных значениях z, в – изотермы на поверхности x0y; г – изотермы в плоскости y0z, проходящей через центр источника; д – схема расположения координатных осей
Рис. 3.19. Схема наплавки к примерам 1 и 2
Примем следующие средние значения теплофизических величин для стали:
λ = 0,1 кал/(см∙с∙°С); γ = 7,8 г/см3; с= 0,128 кал/(г∙°С); ; ηu = 0,75; qu = 0,24 ∙ 25∙300 ∙0,75 = 1350 кал/с.
При расчете температур точек, лежащих на оси позади движущейся дуги, R = -х.
Тогда
Выбрав значения х = 1,5; х = 2 и т. д. в соответствии с таблицей 3.1, определим:
и т. д.
Таблица 3.1
Расчетные величины t(x)
R = х, см |
1.5 |
2 |
3 |
4 |
6 |
8 |
10 |
t (х), °С |
1435 |
1075 |
717 |
537 |
358 |
269 |
215 |
При определении температур точек, лежащих на оси впереди движущейся дуги, будем иметь в виду, что для них R = х. Тогда
Задаваясь значениями х из таблицы 3.2, найдем температуру (табл. 3.2).
Распределение температур тела по оси Y найдем на основании следующих соображений. Воспользуемся для расчета формулой (а), учитывая, что для точек оси Y в подвижной системе координат, начало которой совмещено с источником тепла, всегда х = 0. Значит
Таблица 3.2
Расчётные величины t(x)
X,см |
0.5 |
1 |
1.5 |
2 |
|
1.39 |
2.78 |
4.17 |
5.56 |
|
0.266 |
0.063 |
0.0155 |
0.003 |
|
4300 |
2150 |
1435 |
1075 |
t(x), °C |
1145 |
135 |
22 |
3.2 |
Задаваясь различными значениями R, которые для точек, лежащих на оси Y, равны y, определим температуры (табл. 3.3).
Таблица 3.3
Расчётные величины t(R)
R=y, см |
0.5 |
1 |
1.5 |
2 |
3 |
|
0.695 |
1.39 |
2.08 |
2.78 |
4.16 |
|
4300 |
2150 |
1435 |
1075 |
717 |
|
0.5 |
0.266 |
0.124 |
0.063 |
0.0155 |
t(R), °C |
2150 |
571 |
178 |
68 |
11 |
Результаты произведенных расчетов Т (х) представлены графически на рис. 3.20.
а) б)
Рис. 3.20. Распределение температур: а – в зависимости от х; б – в зависимости от y
Пример 3. Исходя из условий, заданных в предыдущем примере, рассчитать характер распределения температур в сечении Y'Y' (рис.3.19), перпендикулярном к шву, через 20 с после прохождения этого сечения дугой.
Для расчета воспользуемся той же формулой (a). Поскольку она выведена для подвижной системы координат, перемещающейся вместе с источником тепла (дугой), то через τ = 20 с сечение Y'Y' будет отстоять от начала координат на x= υt =0,278 ∙ 20 = 5.56 см. Задаваясь значениями y, определим . Подставив значения R в формулу (a) и проведя расчеты, найдем искомые температуры (табл.3.4).
Таблица 3.4
Расчётные величины
y,см |
0 |
1 |
2 |
3 |
5 |
|
5.56 |
5.65 |
5.9 |
6.31 |
7.46 |
|
0 |
-0.012 |
-0.47 |
-1.04 |
-2.64 |
|
1 |
0.96 |
0.71 |
0.394 |
0.075 |
|
386 |
380 |
364 |
340 |
288 |
t (5.56; y) |
386 |
365 |
258 |
134 |
22.6 |
Результаты расчета представлены графически на рисунке 3.21.
Рис. 3.21. Распределение температур по оси Y'Y' через 20 с после прохождения дугой этого сечения
Уравнение предельного состояния для пластины
Уравнение предельного состояния процесса распределения тепла при нагреве пластины подвижным линейным источником постоянной мощности q, перемещающимся с постоянной скоростью υ, отнесенное к связанной с источником подвижной системе координат, получим из уравнения (3.21), полагая τ = ∞.
Для преобразования интеграла введём подстановку:
При этом
где
Интеграл в уравнении (3.21) примет вид (при τ = ∞):
(3.30)
который можно рассматривать как функцию параметра u.
Такая функция К0(u) называется функцией Бесселя от мнимого аргумента второго рода нулевого порядка.
Для её выполнения имеются таблицы.
K0 (0) → ∞,
K0 (∞) → 0.
После подстановки (3.30) в (3.21) уравнение температурного поля предельного состояния для пластины примет вид:
(3.31)
где r – расстояние данной точки А от мгновенного положения точки О источника тепла (рис. 3.13,а).
При нагреве пластины линейным источником температура по толщине пластины не меняется. Изотермические поверхности в пластине – цилиндрические поверхности. Изотермы на поверхности пластины более вытянуты в направлении, обратном движению источника, и очеркивают области большие по величине, чем соответствующие изотермы на поверхности полубесконечного тела (рис. 3.22,в). Распределение температуры в пластине по отрицательной полуоси x<0 в отличие от распределения в полубесконечном теле зависит от скорости движения источника v.
Влияние скорости υ при q = const.
С увеличением скорости сварки области, нагретые выше определенной температуры, уменьшаются по площади, а соответствующие изотермы суживаются в направлении, перпендикулярном оси шва и сгущаются пред источником.
Влияние мощности q при υ =const.
а) б)
в) г)
Рис. 3.22. Температурное поле предельного состояния для пластины:
а – распределение температуры в зависимости от x в плоскостях y=const, параллельных плоскости x0z; б – распределение температуры в зависимости от y в поперечных плоскостях x=const; в – изотермы на поверхности x0y; г – схема координатных осей
С увеличением мощности дуги области, нагретые выше определенной температуры, увеличиваются значительно, причем их размеры растут не пропорционально увеличению мощности, а более интенсивно.
Влияние мощности и скорости при постоянной погонной энергии q/υ = const.
Увеличение мощности сказывается на изменении размеров изотерм сильнее, чем увеличение скорости. Длина изотерм увеличивается, ширина тоже увеличивается, но стремится к определённому значению.
Влияние теплофизических свойств металла.
При уменьшении коэффициента теплопроводности области, ограниченные изотермами, увеличиваются. Длина изотерм увеличивается в большей степени, чем их ширина.
Увеличение теплоёмкости металла оказывает примерно такое же влияние, как увеличение скорости при постоянной мощности источника q: области, нагретые выше определённой температуры, уменьшаются, изотермы укорачиваются и сужаются.
Рассмотрим температурное поле предельного состояния непрерывно действующего линейного источника в пластине. Полагая в уравнении (3.31) υ = 0, получим
. (3.32)
Температура, выраженная уравнением (3.32), зависит только от r. Изотермическими поверхностями являются цилиндры с осью, совпадающей с линейным источником тепла. С удалением от источника тепла температура убывает, стремясь к нулю.
Если теплоотдача отсутствует, то нагретая зона непрерывно расширяется. Действительно, при b=0, стремится к бесконечности и tпр возрастает беспредельно.
Пример 4. Рассчитать температурное поле нагрева и охлаждения для точек, расположенных в 1 см от оси шва, если за один проход свариваются в стык стальные пластины толщиной δ = 6 мм при режиме U = 20 B; I = 180 A; υ = 0,1 см/с.
Примем следующие значения теплофизических коэффициентов:
λ = 0,1 кал/(см ∙ с ∙ °С); cγ= 1 кал/(см3 ∙ °С); α = 8 ∙10-4 кал/(см2 ∙ с ∙ °С).
Произведем некоторые подготовительные вычисления:
;
Определяя значения множителя , нужно учитывать знак х. Например, при х = -1
.
Примем для ручной дуговой сварки ηu = 0,6. Тогда qu = 0.24 IUηu = 0,24 ∙ 180 ∙ 20 ∙ 0,6 ≈ 520 кал/с и
Задаваясь произвольными значениями x (табл. 3.5), определим ,
и выберем по таблице Бесселевых функций Ко (u).
Определим t (r, х), например, для х =- 2. Расстояние
.
Аналогично найдем температуры других точек. Результаты расчетов представлены графически на рисунке 3.23 кривой у = 1.
Рис. 3.23. Распределение температур
Для сопоставления характера кривых рассчитаем температуры точек, лежащих на оси шва (табл. 3.6).
Сопоставление температурных полей, которые проходят через точки, лежащие на осях у = 0 и у = 1, показывает, что точки на оси шва имеют более высокую температуру. Максимальное значение температуры в точке у = 1 см достигается в момент времени, когда она окажется на 1 см позади дуги. Приняв температуру плавления стали 1520 °С, можно по рисунке 3.22 оценить длину сварочной ванны, которая в данном случае равна 20 мм.
Таблица 3.5
Расчётные величины
x, см |
-16 |
-8 |
-4 |
-2 |
-1 |
0 |
1 |
2 |
4 |
R |
16 |
8.06 |
4.1 |
2.23 |
1.41 |
1 |
1.41 |
2.23 |
4.1 |
U |
8.4 |
4.23 |
2.16 |
1.17 |
0.75 |
0.525 |
0.75 |
1.17 |
2.16 |
K0(u) |
9.6∙10-5 |
8.6∙10-3 |
9.6∙10-2 |
0.331 |
0.61 |
0.892 |
0.61 |
0.331 |
9.6∙10-2 |
|
3000 |
55 |
7.4 |
2.7 |
1.65 |
1 |
0.6 |
0.368 |
0.135 |
t(r, x) |
398 |
653 |
980 |
1230 |
1390 |
1230 |
505 |
168 |
18 |
Таблица 3.6
Расчётные величины
x, см |
-16 |
-8 |
-4 |
-2 |
-1 |
0 |
1 |
2 |
4 |
R |
16 |
8 |
4 |
2 |
1 |
0 |
1 |
2 |
4 |
u |
8.4 |
4.2 |
2.1 |
1.05 |
0.525 |
- |
0.525 |
1.05 |
2.1 |
K0(u) |
9.6∙10-5 |
8.9∙10-3 |
0.1 |
0.39 |
0.892 |
0 |
0.892 |
0.39 |
0.1 |
|
3000 |
55 |
7.4 |
2.7 |
1.66 |
1 |
0.61 |
0.368 |
0.135 |
t(r, x) |
398 |
675 |
1020 |
1450 |
2045 |
- |
750 |
198 |
19 |
Уравнение предельного состояния для стержня
Уравнение температурного поля предельного состояния в подвижной системе координат с учётом поверхностей теплоотдачи для плоского источника теплоты постоянной мощности, перемещающегося с постоянной скоростью вдоль стержня, после подстановки в уравнение (3.23) и интегрирования примет вид
. (3.33)
Температурное поле характеризуется быстрым нарастанием температуры перед источником и плавным спадом температуры позади него. Крутизна поля перед источником возрастает с увеличением скорости и уменьшением коэффициента температуропроводности.
Если , т. е. теплоотдача отсутствует, то температура позади источника будет оставаться постоянной.
Неподвижный источник.
Если в уравнении (3.33) υ = 0, то получим уравнение стационарного температурного поля в стержне:
. (3.34)
Стационарное состояние в стержне достигается при наличии теплоотдачи в окружающую среду. Распределение температуры при стационарном процессе в стержне зависит от λ, b, F и P.