7 Теплові процеси при зварюванні

7.1 Основні поняття та визначення

Теплота — це форма руху матерії. Теплофізичні одиниці:

а) кількість теплоти Q (кал, Дж);

б) вагова теплоємність с_p (калг^–1град^–1);

в) об’ємна теплоємність с_V (калсм^–3град^–1).

Вагова теплоємність — це кількість теплоти, яка необхідна для нагрів 1 г речовини на 1 °С.

Об’ємна теплоємність — це кількість теплоти, яка необхідна для нагріву 1 см³ речовини на 1 °С.

, (7.1)

де — густина речовини.

Для твердого тіла с = f (T), а для газу с = f (T, p).

Якщо в деякому інтервалі температур від T₁ до Т₂ теплоємність змінюється незначно, то в розрахунках використовують середнє значення теплоємності — кількість теплоти Q, що затрачена на нагрів тіла вагою G від температури T₁ до Т₂

. (7.2)

В загальному випадку, якщо при нагріві тіла не відбуваються фазові, магнітні, полиморфні перетворення, то з підвищенням температури теплоємність плавно зростає. Якщо ж такі перетворення відбуваються, то при температурах перетворень відбувається значна зміна теплоємності. В таких випадках використовують дійсне значення теплоємності

. (7.3)

Питома кількість теплоти або тепломісткість S — це кількість теплоти, наданої тілу масою 1 г при нагріві його від 0 до температури Т, (калг^–1).

(7.4)

Загальний вигляд тепломіскості для тіла має вигляд

де Q₁, Q₂ - теплові ефекти відповідних перетворень.

Тепловий ефект - кількість теплоти, яка поглинута (виділена) системою в результаті протікання процесу (реакції). Тепловий потік — кількість теплоти введеної в тіло в одиницю часу.

Питомий тепловий потік — кількість теплоти, введеної в тіло в одиницю часу через одиницю площини.

Розподілення температури на поверхні і в об’ємі тіла характеризується температурним полем. Температурне поле — це температура всіх розглядаємих точок тіла в заданий момент часу.

Для об’ємного поля

. (7.5)

Для плоского поля

. (7.6)

Для лінійного поля

. (7.7)

Д ля кращого уявлення температурні поля відображають у вигляді ізотерм (ізотермічних ліній). Ізотермічна лінія — геометричне місце точок однакових температур в заданий момент часу (рисунок 7.2).

Вид ізотерм залежить від швидкості переміщення джерела теплоти, його потужності, а також від теплофізичних властивостей матеріалу, що зварюється.

Нескінчено мала зміна температури у напрямку S–S на нескінченно малому відрізку має назву градієнту температур.

. (7.8)

Теплопровідність ( ) — це кількість теплоти, яка проходить крізь одиницю поверхні за одиницю часу ( кал  см^-1  сек^-1  ⁰ С^-1 ).

7.2 Схеми нагріваємих тіл

Перш ніж приступити до теплових розрахунків, необхідно вибрати розрахункову схему нагріваємого тіла і джерела теплоти.

Розрізняють наступні схеми нагріваємих тіл:

а) нескінченне тіло — тіло, що має необмежені розміри по осям x, y, z та границі якого не впливають на поширення теплоти.

б) напівнескінченне тіло — масивне тіло, що має нескінченні розміри по осям x, y та обмежене площиною перпендикулярною до вісі z;

в) нескінченна пластина – масивне тіло, що має нескінченні розміри по осям x, y та обмежене двома паралельними площинами при z = 0, та z = b. Передбачається, що по перерізу пластини температура розподіляється рівномірно;

г) напівнескінченна пластина – тіло, обмежене двома паралельними площинами при z = 0, z = b, та площиною при y = 0. По перерізу пластини температура розподіляється рівномірно;

д) плоский шар — тіло, обмежене двома паралельними площинами при z = 0, z = b' (b' > b). b' – дуже велика величина, але не настільки, щоб її вважати нескінченною. По перерізу плоского шару температура розподіляється нерівномірно;

е) нескінченний стержень (z = +b, y = +b) і напівнескінченний стержень (z = +b, y = +b, х = 0). Температура по перерізу стержня розподіляється рівномірно.