3. Методы расчета температур при сварке. Зависимость температурного поля от параметров режима сварки и теплофизических свойств свариваемого материала.

Для расчетов температур при сварке применяют два метода решения: 1)Аналитический (метод источников); 2)Электромоделирование.

По методу источников действие сварочного источника тепла рассматривается как суммарное действие нескольких мгновенно действующих источников. Полученное в результате такого рассмотрения решение является математической моделью температурного поля при заданных условиях.

Для расчета, аналитическим методом, процессов нагрева и охлаждения металла при сварке применяют различные схемы источников тепла и нагретых тел.

Сущность метода источников состоит в том, что любой процесс распространения тепла в теле теплопроводностью можно представить как совокупность процессов выравнивания температуры от множества элементарных источников тепла, распределенных как в пространстве, так и во времени. Решение задач теплопроводности по этому методу в основном сводится к правильному выбору источников и их распределению.

Существующие аналитические методы дают возможность получать решения только для процессов, описываемых линейными дифференциальными уравнениями при линейных граничных условиях, т.е. для тех случаев, когда коэффициенты теплофизических свойств - теплопроводность λ и объемную теплоемкость сγ, а также коэффициент теплоотдачи α можно считать независящими от температуры. Аналитические методы приводят к общим уравнениям процессов, действительным при разнообразных числовых значениях параметров, характеризующих данную задачу, - геометрических размеров, тепловых характеристик режима нагрева и физических свойств металла. В простейших задачах удается получить решение в замкнутой форме, т.е. выразить уравнение процесса через изученные функции от времени, пространственных координат и постоянных параметров процесса. В более сложных задачах решения описываются определенными интегралами или бесконечными рядами.

Для расчета процессов нагрева и охлаждения металла при сварке выбирают постоянные значения коэффициентов λ, су, а и α, соответствующие некоторой средней температуре процесса. В диапазоне температур сварочного процесса - от температуры плавления металла до температуры окружающего воздуха - теплофизические коэффициенты значительно изменяются, особенно коэффициент теплоотдачи. Средняя температура, которой соответствуют принимаемые для расчета значения теплофизических коэффициентов, определяется из сопоставления опытных данных по измерению температуры с результатами расчета. Для расчета температуры при сварке малоуглеродистой стали следует принимать теплофизические коэффициенты металла λ, су и а, соответствующие средней температуре 400-500°, и коэффициент теплоотдачи α, соответствующий температуре 200-400°.

В качестве моделей используют

При электромоделировании температурного поля пользуются аналогией температуропроводности а и электропроводности. Эта аналогия основывается на том, что физическая сущность передачи тепла и электроэнергии в твёрдом теле одинакова. Энергия передаётся за счёт движения частиц тела. Тепловой поток аналогичен плотности тока. Аналогом коэффициента теплопроводности является проводимость среды, градиенту температур – градиент потенциалов.

Фурье: Ом:

Моделирование производят, пропуская ток через электропроводную бумагу. В различных точках измеряют электрические потенциалы, строят эквипотенциальные линии, которые являются эквивалентами изотермам. С помощью критерия подобия значения электрических потенциалов пересчитывают в температуру.

Зависимость температурного поля от параметров режима сварки.

К основным параметрам относят V_св, I_св, U_д, q, q/V (погонная энергия).

1)

2)

(3)

1. Если q = const, а скорость сварки возрастает – это ведёт к уменьшению ширины и длины ванны.

2. Если V=const, а мощность дуги возрастает q₂ > q₁ – это ведет к увеличению ванны

3. Если q₂ > q₁, то размеры ванны увеличиваются при q/V = const.

Зависимость температурного поля от теплофизических свойств материала.

Изотерма 600С, q = 1000 кал/см, V_св = 0,2 м/с,  = 1 см.

В ывод: Основное влияние на размеры изотермы оказывает теплопроводность. Чем больше размеры изотермы, тем меньшая мощность нужна для образования сварного шва при тех же параметрах q и V.

Если свариваются две пластины из разнородных материалов, то температурное поле будет асимметричным относительно этих пластин.

 ₂ << ₁

Т_max будет смещаться в сторону пластины с меньшей теплопроводностью, т.к. в более теплопроводной пластине тепло распространяется гораздо быстрее. Если в каждую пластину вводить одинаковую мощность, то в пластине с большей теплопроводностью на единицу объёма приходится меньшее количества тепла и наоборот. В таких случаях следует смещать источник тепла в сторону пластины с большей теплопроводностью.