Свариваемость материалов

гоемки по сравнению со сваркой плавлением. Немаловажно и то, что при сварке в твердом состоянии не требуется расходо­ вать энергию на расплавление металла, что экономит около 15—30 % энергии.

Г л а в а 2. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ (Шип В. В.)

2.1. Основные понятия

Температурное поле — это распределение температур в изде­ лии в конкретный момент времени. Температура является функ­ цией теплофизических констант материала, координат точки тела и времени.

Распределение температур может быть объемным Т = Т(х, у, z, (), плоским Т=Т(х, у, t), линейным Т—Т(х, t).

Процесс распространения теплоты при сварке разделяют на три стадии:

теплонасыщение, когда в температурном поле, перемещаю­ щемся вместе с источником нагрева, температура нарастает; предельное квазистационарное состояние, когда подвижное

температурное поле практически устанавливается; выравнивание температуры после окончания сварки. Термический цикл сварки T=T(t ) — зависимость темпера­

туры от времени в некоторой точке изделия.

Изотермическая поверхность — выделенная на контуре или в объеме тела поверхность, образованная точками, имеющими одинаковую температуру в данный момент времени.

Изотерма — линия на поверхности или в сечении тела, со­ единяющая точки с одинаковой температурой.

Градиент температуры цтайТ = дТ/дп — векторная произ­ водная от температуры по направлению п, перпендикулярному к изотерме в данной точке.

Теплосодержание s (Дж/г) — удельное количество теплоты, сообщенное телу массой 1 г при нагреве его от температуры Т\ до температуры 7Y При технических расчетах теплосодержа­ ние тела отсчитывают от 273 К.

Истинная удельная массовая теплоемкость с (Дж/г-град) — количество теплоты, необходимое для изменения на 1 К темпе­ ратуры единицы массы тела.

Объемная теплоемкость ср (Дж/мм3 • град) — количество теплоты, необходимое для изменения на 1 К температуры еди­ ницы объема тела.

2.2. Схемы нагреваемого тела

Распространение теплоты существенно зависит от формы, раз­ меров свариваемой детали, а также от количества теплоты вво­ димой сварочным источником теплоты, т. е. от расчетной схемы

тела. Обычно при тепловых расчетах в зависимости от степени прогрева детали по толщине (в направлении оси Ог) выбирают одну из следующих основных схем.

Бесконечное тело. Если границы детали не влияют на рас­ пространение теплоты, ее при расчете можно заменить беско­ нечным телом неограниченной протяженности по всем трем осе­ вым направлениям: х, у, г.

Полубесконечное тело. Этой схеме соответствует массивная деталь е оДНой ограничивающей плоскостью z = 0. Остальные поверхности детали значительно удалены и не влияют на рас­ пространение теплоты. Схема используется при расчете темпе­

лельными плоскостями: z= 0 и z = 6. Температура по толщине листа б распределена равномерно, и теплота распространяется только в плоскости хОу.

Схема соответствует случаю сварки пластины встык или укладки углового шва с полным проплавлением.

Полубесконечная пластина — тело, ограниченное двумя па­ раллельными плоскостями z=0, z= 6 и плоскостью у=0. Ос­ тальные условия такие же, как и у бесконечной пластины.

Схема применяется при расчете температур в конструктив­ ном элементе (стенке, ребре, накладке), привариваемом к пла­ стине угловым швом, а также в случае наплавки валика на то­ рец пластины.

Плоский слой — пластина, у которой температура точек по толщине не одинакова, а толщина тела не настолько велика, чтобы можно было пренебречь влиянием ограничивающей пло­ скости 2=6 и считать тело полубесконечным.

Бесконечный и полубесконечный стержни — тела, протя­ женные в одном направлении, с равномерным распределением температуры в пределах поперечного сечения. Схема использу­ ется в случае расчета температур при контактной стыковой сварке арматуры, стержней и т. п.

Кроме приведенных, при расчетах иногда используются и другие простейшие схемы.

2.3. Типы и тепловая эффективность источников нагрева

По времени действия различают источники мгновенные, выде­ ляющие теплоту за очень малый промежуток времени, и не­ прерывно действующие. Последние по расчетной схеме могут быть неподвижными, подвижными и быстро движущимися. Как правило, в случае ручной сварки и наплавки целесообразно ис­ пользовать схему подвижного источника, а в случае автомати­ ческой — быстродвижущегося.

Погонная энергия сварки, т. е. количество теплоты, вводи­

мой на единицу длины шва, в этом случае находится из выра­ жения

где v скорость сварки.

Есди режим сварки не известен, но задано поперечное сече­ ние наплавляемого за проход металла шва (стыкового или уг­ лового), погонную энергию можно получить из уравнения

При сварке угловых соединений (тавровых, нахлесточных) часть погонной энергии, вводимая в свариваемый элемент, оп­ ределяется в зависимости от соотношения толщин. Так, в слу­ чае приварки угловым швом к пластине толщиной б конструк­

Формулы (2.4) —(2.7) дают наиболее точные результаты при 6/6к^1,7. Они справедливы для низкоуглеродистых, низколе­ гированных и аустенитных сталей, а также для титановых и алюминиевых сплавов толщиной примерно до 16 мм.

2.4. Тепловые процессы при дуговой сварке

2.4.1. Расчет температурного поля при однопроходной сварке н наплавке

При ручной сварке пластины с полным (или близким к пол­ ному) проплавлением применяют расчетную схему подвижного линейного источника теплоты в пластине.

Температура в точке на расстоянии г от источника равна

вого шва; К— коэффициент теплопроводности; а — коэффициент температуропроводности; Ь— коэффициент поверхностной температуроотдачи; Ко (и) — функция Бесселя нулевого порядка, бё-

до точки, берется со знаком плюс, если точка находится впереди источника, и со знаком минус, если точка — позади источника: x = ± vt\ здесь t — время, за которое источник проходит рас­ стояние X.

Коэффициент поверхностной температуроотдачи для пла­ стины

2а

'Д ля ручной наплавки или сварки углового шва на массив­ ной детали применяется расчетная схема подвижного точечного источника теплоты на поверхности полубесконечного тела или плоского слоя.

где q — часть эффективной мощности, вводимая в деталь; R — расстояние от источника до точки, в которой определяется тем­ пература (R2 — x2 + y2 + z2).

Выравнивание температуры после прекращения в момент времени t0 действия источника нагрева описывают наложением двух процессов: теплонасыщения Гист ( 0 от ус­ ловно продолжающего

действовать источника и теплонаеьндения T&t(t—

—to) от равного ему по мощности фиктивного стока теплоты q, начав­ шего действовать в мо­ мент to-

Для времени t> t0 в стадии выравнивания

Т(П = ТЦст(()-Т сг

(2.15)

Для автоматической сварки пластины с пол­ ным (или близким к пол­ ному) проплавлением ис­ пользуется расчетная схема мощного быстродвижущегося линейного источника теплоты в

пластине.

Температура в точке на расстоянии у от оси

где t — время, отсчитываемое от момента, когда источник теп­ лоты пересек перпендикулярную к оси Ох плоскость, в кото­ рой расположена рассматриваемая точка.

Для автоматической наплавки или сварки углового шва на массивной детали применяется расчетная схема мощного быстродвижущегося точечного источника на поверхности полубесконечного тела или плоского слоя.

верхностей слоя, численное значение которой определяется по номограмме (рис. 2.3) в зависимости от отношения г/ 6 и без­ размерного времени x=at/62. При atf62>0,5 значение F(z, t) принимают равным 1 .

вкоторой расположена рассматриваемая точка.

2.4.2.Расчет параметров термического цикла сварки

Термический цикл сварки характеризуется следующими пара­ метрами: максимальная температура 7Т, скорости нагрева и охлаждения, длительность пребывания металла t„ выше задан­ ной температуры (рис. 2.4).

Структурное состояние металла в различных зонах свар­ ного соединения определяется такими параметрами термиче­ ского цикла, как Тт, tH (размер зерна), а также скоростью охлаждения до0 в интервале температур минимальной устойчи­ вости аустенита мартенситных сталей (степень закалки).

изменения максимальной температуры может быть определена из условия

В формулах (2.19) и (2.30) Тн — начальная температура

изделия или температура предварительного подогрева рис. 2.4) и

^0 = ^ 0 + *0 -

Мгновенная скорость охлаждения ш0 при данной темпера­ туре является производной температуры по времени

W0= dT/dt.

Скорость охлаждения зависит от формы изделия, уменьша­ ется при увеличении эффективной погонной энергии q/v и тем-

пературы подогрева Т„, а также при уменьшении толщины

листа 6 .

При дуговой наплавке валика на массивное тело (2.17)