3. Определение ширины зоны нагрева

В общем случае ширина зоны нагрева для заданной температуры T_l, определяемая величиной 2l, будет найдена, если определить координату Y интересующей нас точки. Далее приводятся формулы для расчетов ширины зоны нагрева для наиболее часто встречающихся вариантов (без вывода):

а) наплавка валика на массивное тело

;

б) сварка двух листов встык с полным проплавлением за один проход

2l .

Тепловая эффективность процесса сварки

Теплота, поглощенная изделием при нагреве каким─либо источ-ником, расходуется не только на проплавление основного металла, но также затрачивается на нагрев прилежащих к шву участков твердого ме-талла за счет теплопроводности и на перегрев жидкого металла.

Полноту использования эффективной тепловой мощности источника нагрева принято характеризовать термическим КПД процесса про-плавления основного металла . Термический КПД процесса проплав-ления основного металла выражает отношение теплосодержания про-плавленного за единицу времени основного металла к эффективной теп-ловой мощности источника нагрева

Расчеты показывают, что термический КПД с увеличением параметров режимов увеличивается, достигая предельных значений:

1. при наплавке валика на массивное тело

2. при сварке листов встык с полным проплавлением за один проход

Эффективность использования общей тепловой мощности источника на-грева принято характеризовать полным тепловым КПД процесса проплав-ления основного металла

Определим связь между эффективным КПД нагрева изделия сварочной дугой термическим КПД процесса проплавления основного металла и полным тепловым КПД процесса проплавления

=

Коэффициенты и не являются универсальными и достаточно все-сторонними, чтобы характеризовать процесс сваривания материалов при любых сочетаниях источников теплоты и типов сварных соединений. В практике встречаются сварные швы самых разнообразных типов. Выделим два крайних основных типа:

1. соединения с преимущественно наплавленным металлом. В этом случае сварное соединение должно иметь зазор или подготовленные кромки, или одновременно и то, и другое. Качественные соединения возможны только при наличии присадочного материала. Источник теплоты должен выполнять две функции: расплавить необходимое количество перисадочного металла и обеспечить его сваривание с основным металлом. В рассматриваемом случае величиной, характеризующей тепловую экономичность процесса, мог бы служить полный тепловой КПД процесса наплавки Полный тепловой КПД процесса наплавки выражает отношение теплосодержания наплав-ленного в единицу времени присадочного металла к полной тепловой мощ-ности источника нагрева;

2. соединения, образуемые преимущественно за счет проплавления ос-новного металла. Процесс может выполняться как с использованием приса-дочного металла, так и без него. Главным в этом случае является не объем расплавленного основного металла, а площадь поперечного сечения шва сварного соединения. Поэтому эффективность процесса сварки рекомендует-ся характеризовать удельной затратой теплоты на единицу площади свари-ваемой поверхности

где площадь сечения сварного соединения, свариваемая за 1секунду. Например, для случая однопроходной сварки встык без присадочного мате-риала

где v – скорость сварки, см/с;

δ – толщина свариваемых элементов, см.

Приложение к разделу «Основы тепловых расчетов при сварке»

Закон теплопроводности Фурье

dQ dFdt

Удельный тепловой поток конвективного теплообмена

Удельный тепловой поток лучистого теплообмена

C

Суммарный тепловой поток

α

Уравнение свободного охлаждения тонкой пластины

α – по правилу Ньютона

– по правилу Фурье

α

α

dQ dt αT dt.

.

,

– для пластины

lnT

С

lnT ln

Дифференциальное уравнение теплопроводности для объемного тела

dT .

dxdydzdt

a

Дифференциальное уравнение дл плоского тела

Дифференциальное уравнение для стержня

Стационарный тепловой процесс

Мгновенный неподвижный точечный источник теплоты в бесконечном теле

.

При R= 0 = 1.

Мгновенный неподвижный точечный источник теплоты в полубесконечном теле (необходимо в уравнении для бесконечного тела вместо Q взять 2Q).

Мгновенный линейный источник теплоты в пластине

Мгновенный неподвижный плоский источник теплоты в стержне

b . – для стержня

Тепловые потоки в пятне нагрева, диаметр пятна нагрева

Общая тепловая мощность электрической дуги

Общая тепловая мощность ацетиленокислородного пламени

Непрерывно действующий неподвижный точечный источник теплоты на поверхности полубесконечного тела

Интеграл вероятности

Непрерывно действующий неподвижный линейный источник теплоты в пластине

Показательная интегральная функция

С = 0,5772 – постояная Эйлера

Непрерывно действующий неподвижный плоский источник теплоты в стержне

Подвижный точечный источник теплоты на поверхности полубесконечного тела

Источник теплоты неподвижен (заварка кратера)

Источник теплоты подвижен, точка лежит на оси оX впереди источника нагрева

Источник теплоты подвижен, точка лежит на оси оX позади источника нагрева

Источник теплоты подвижен, точка лежит на оси оY сбоку от источника нагрева

Подвижный линейный источник теплоты в пластине

Для рассматриваемого случая стационарное температурное поле

Мощный быстродвижущийся точечный источник теплоты на поверхности полубесконечного тела

Мощный быстродвижущийся линейный источник теплоты в пластине

Примечание. 1. Если толщина пластины менее 6 мм, то необходимо учиты-вать теплоотдачу, т. е. ввести в уравнение сомножитель е^{– bt}. 2. Если свари-ваемое тело имеет начальную температуру T₀, то в уравнение необходимо ввести слагаемое.

Учет распределенности источника теплоты

Временная поправка

Уравнение температурного поля при наплавке валика на массивное тело газовым пламенем

Уравнение температурного поля при сварке газовым пламенем тонких листов встык с полным проплавлением за один проход

Расчет показателей процесса при наплавке валика на массивное тело

Максимальная температура цикла

Время наступления максимальной температуры

Мгновенная скорость охлаждения при данной температуре

w

Длительность нагрева выше заданной температуры

безразмерный критерий для точечного источника теплоты

Расчет показателей процесса при однопроходной сварке листов встык

Максимальная температура цикла

Время наступления максимальной температуры

Мгновенная скорость охлаждения при данной температуре

Длительность нагрева выше заданной температуры

– безразмерный критерий для линейного источника теплоты

Безразмерные критерии являются функциями безразмерных температур

Номограммы f₂ = f( и f₃ = f( приведены в методических руководствах по выполнению курсовых работ по дисциплине «Теория сварочных процессов»

Эффективная тепловая мощность нагрева электрода (электродного стержня) сварочной дугой

С учетом теплофизических характеристик электрода и показателей процесса

Абсолютные и относительные показатели швов сварных соединений:

1. е, L, h, g, F_н, F_пр, 2l;

2. h/e, F_пр/F_н, _пр= F_пр/eh (0,6…0,7), F_н/eg,

Характеристики процесса плавления основного металла при наплавке

валика на массивное тело

Определение времени, в течение которого металл сварочной ванны пребывает в расплавленном состоянии

Для точек на оси X координаты Y и Z равны нулю.

При × ,

– погонная энергия (Дж/см) Определение длины сварочной ванны

площади проплавления основного металла

При

Определение ширины зоны нагрева при наплавке валика на массивное тело

2l

Определение ширины зоны нагрева при однопроходной сварке листов встык

2l

Тепловая эффективность процессов сварки и наплавки

Термический КПД процесса проплавления основного металла

Максимальный термический КПД процесса проплавления основного металла при наплавке валика на массивное тело

или 36,8 %

Максимальный термический КПД процесса проплавления основного металла при однопроходной сварке листов встык

или 48,4 %

Полный тепловой КПД процесса проплавления основного металла

Полный тепловой КПД процесса наплавки