1. Тепловые процессы при сварке

Сварочные процессы относятся к высокотемпературным технологическим процессам, при которых нагрев и охлаждение свариваемых изделий вызывают разнообразные физические и химические процессы в материале сварных конструкций – плавление, кристаллизацию, структурные превращения, объемные изменения, появление напряжений и пластических деформаций. Эти процессы приводят к глубоким изменениям свойств и состояния материала и влияют на качество всей конструкции в целом.

Особенности структурных превращений, протекающих вследствие теплового воздействия сварочного источника тепла, определяются исходным составом стали и термическим циклом сварки (ТЦС) – зависимостью температуры от времени в некоторой точке изделия Т=T(t). Зная такие параметры ТЦС, как максимальная температура нагрева Т_max, скорости нагрева W_н и охлаждения W_о в температурном интервале фазовых превращений и длительность пребывания металла выше температуры начала интенсивного роста зерна Т_нир, можно оценить влияние параметров режима сварки на изменение структуры и свойств металла.

Путем схематизации и упрощения реальных процессов можно получить математические модели, с высокой точностью описывающие тепловые процессы при сварке. Эти упрощения сводятся к следующему:

1. Сварочный источник тепла считают либо сосредоточенным либо распределенным по закону, который позволяет относительно просто описать процесс распространения теплоты.

2. Форму тела упрощают в соответствии с типовыми схемами;

3. Теплофизические коэффициенты λ, с, ρ, а принимают независящими от температуры.

Таким образом, указанные упрощения позволяют построить математические модели, описывающие нагрев и охлаждение свариваемых изделий в результате теплового воздействия сварочного источника тепла, на основе общей теории теплопроводности, что позволяет решать множество технологических задач на стадии проектирования технологических процессов сварки и термообработки.

2. Основы теории теплопроводности

2.1. Основные понятия

Температура – физическая величина, характеризующая степень нагретости тела.

Температурное поле – это совокупность значений температуры во всех точках пространства в данный момент времени. Математически описывается выражением Т=Т(х,у,z,t) - для объемного температурного поля; Т=Т(х,у,t) - для плоского; Т=Т(х,t) - для линейного. Для наглядности температурное поле изображают в виде изотерм.

Изотермические линии и поверхности – геометрическое место точек, имеющих одинаковую температуру.

Градиент температуры grad T=dT/dn векторная производная от температуры по направлению n, перпендикулярному к изотерме в данной точке.

Теплоемкость удельная массовая– количество теплоты, необходимое для изменения на 1ºC температуры единицы массы тела. Дж/кг · ºC.

2.2.Закон теплопроводности Фурье

Распространение тепла при наличии температурного градиента может осуществляться 3 способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. В твердых телах передача теплоты осуществляется путем теплопроводности.

Если в твердых телах температура распределена неравномерно, то передача теплоты теплопроводностью происходит по нормали к изотермической поверхности от мест с большей температурой к местам с меньшей температурой в результате энергетического взаимодействия между атомами, молекулами и электронами.

Закон теплопроводности устанавливает количественную связь между теплопроводностью металла, градиентом температур и тепловым потоком в теле:

,

где λ – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплопроводности. Численно коэффициент равен количеству тепла, протекающего в единицу времени через единицу поверхности, при перепаде температур на единицу длины нормали на 1ºC. [Вт/м²·К]

Величниа dQ/S·dt показывает количество теплоты, переносимое в единицу времени через единицу поверхности и называется плотностью теплового потока или удельным тепловым потоком. Тогда закон теплопроводности Фурье принимает вид