4.2. Описание сварочных источников тепла

4.2.1. Форма сварочных источников теплоты

Нагрев тела может производиться разнообразными источниками теплоты, различающимися между собой по распределенности, времени действия и движению их относительно тела. При определенных условиях все многообразие источников теплоты можно получить, пользуясь мгновенным источником теплоты.

Мгновенный точечный источник теплоты – понятие абстрактное. Физической схемой, примерно воспроизводящей мгновенный точечный источник, является случай, когда в очень малый объем за весьма малый промежуток времени введено некоторое количество теплоты. В последующие моменты времени теплота будет распространяться по телу, подчиняясь уравнению теплопроводности.

Мгновенный линейный источник теплоты представляет собой комбинацию мгновенных точечных источников, действующих одновременно и расположенных по линии.

Мгновенный плоский источник теплоты представляет собой совокупность мгновенных точечных источников теплоты, действующих одновременно и расположенных в одной плоскости.

Мгновенный объемный источник теплоты представляет собой совокупность мгновенных тепловых источников, распределенных по какому-либо закону в теле.

Непрерывно действующий источник теплоты представляет собой совокупность мгновенных источников, распределенных по промежутку времени действия источника. Например, точечный источник может действовать непрерывно в течение определенного отрезка времени t. В этом случае он уже не является мгновенным, так как теплота выделяется в точке постепенно в течение определенного промежутка времени.

Для описания формы реальных источников могут использоваться различные законы распределения плотности теплового потока. Чаще всего применяют два типа пространственного распределения теплового потока: нормальное (распределение Гаусса) и равномерное.

Рассмотрим случай распределения удельного теплового потока источников теплоты по поверхности нагреваемых тел. Теплота сварочной дуги или газового пламени от одной горелки вводится на некотором участке поверхности металла диаметром d_н, называемом пятном нагрева (рис.5). Удельный тепловой поток q₂ в пределах пятна нагрева крайне неравномерен. Наибольший тепловой поток наблюдается в средней части пятна, по мере удаления от центра к краям пятна тепловой поток резко убывает.

Как показали исследования Н.Н.Рыкалина, М.Х Шоршорова, И,Д,Кула-гина, А.А.Углова, распределение удельного теплового потока q₂ в направлении радиуса впятна нагрева (для газового пламени, электрической дуги, электронного луча и др.) можно приближенно выразить кривой Гаусса (нормальным законом)

,

где:  наибольший тепловой поток в центре пятна нагрева, Вт/м²;

 коэффициент сосредоточенности теплового потока источника, 1/м²;

 радиальное расстояние данной точки от оси, м.

Источник с таким распределением называется нормально-круговым. Численные значения и подбирают так, чтобы распределение теплового потока по указанному уравнению наиболее близко соответствовало фактическому распределению, которое определяется опытным путем.

Существует определенная связь между законом нормального распределения теплового потока и эффективной мощностью источника теплоты. Очевидно, что интегрирование удельного теплового потока по всей нагреваемой поверхности должно дать эффективную тепловую мощность

.

Таким образом, зная эффективную мощность источника и коэффициент сосредоточенности теплового потока, можно судить о характере распределения теплоты на поверхности металла и размерах пятна нагрева.