Джерела нагрівання та

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

НАГРІВАННЯ ОСНОВНОГО МЕТАЛУ ПРИ ЗВАРЮВАННІ

ПЕРІОДИ ТЕПЛОНАСИЧЕННЯ ТА ВИРІВНЮВАННЯ

ТЕМПЕРАТУРИ

Період теплонасичення

Настання граничного стану процесу розповсюдження теплоти в тілі від рухомого джерела тепла проявляється в тому, що пов’язане з джерелом тепла рухоме температурне поле не змінюється з часом, а тільки пересувається разом із джерелом. Саме таке граничне температурне поле визначається типовими і спеціальними схемами розрахунків, які розглядалися вище. Але такий граничний стан теплового процесу наступає не відразу. З початком дії зосередженого зварювального джерела тепла, теплота вводиться в холодний метал, початкова температура якого постійна у цілому об’ємі виробу. З часом дії джерела тепла, теплота, яка розповсюджується від нього, прогріває матеріал виробу. При цьому, розміри (довжина, ширина, глибина) прилеглої до джерела тепла нагрітої зони збільшуються. Коли розміри зони, нагрітої вище певної температури Tm , перестають збільшу-

ватись, вважають, що процес розповсюдження тепла практично досяг граничного сталого стану. Природно, що в більш віддалених від джерела тепла зонах граничний стан наступає пізніше, ніж в зонах близьких до нього.

При дії нерухомого джерела тепла постійної потужності процес розповсюдження теплоти прямує до граничного стаціонарного стану, при якому температури в усьому температурному полі залишаються постійними, зберігаючи градієнт температур від джерела тепла в глибину тіла. При дії джерела постійної потужності, яке пересувається прямолінійно з постійною швидкістю, процес розповсюдження теплоти прямує до квазістаціонарного стану, при якому температури залишаються постійними в ру-

251

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

хомому температурному полі, яке рухається разом з джерелом тепла. Розглянемо саме цей перехідний стан. Нехай в початковий момент ча-

су ( t = 0 ) тіло має деяку постійну температуру, прийняту за початок відліку. В момент часу t = 0 починає діяти джерело постійної потужності ( q ),

нерухоме (V = 0 ) або рухоме прямолінійно з постійною швидкістю (V = const ). Період процесу розповсюдження тепла від моменту ( t = 0 ) початку дії джерела до встановлення граничного стану (стаціонарного або квазістаціонарного) називається періодом теплонасичення. В цей період приріст температури будь-якої точки тіла, яка відноситься до системи ко-

ординат, пов’язаної з джерелом тепла, з часом збільшується ( T (t )= f (t ))

від початкового приросту температури при t = 0 ( T (0)= 0 ) до приросту температури граничного стану ( T (∞)= TГР ), який наступає теоретично при необмежено тривалій дії джерела, (t →∞). Таким чином, диференційне рівняння теплопровідності в цих умовах перестає бути стаціонарним і розглянуті вище його рішення перестають діяти. Перестають також бути справедливими і отримані раніше типові схеми розрахунків.

Щоб подолати цю колізію з найменшими втратами, М.М. Рикалін рекомендує для зручності обчислювати прирости температури точок тіла за тими ж розрахунковими схемами, які вже розглядались раніше для температурних полів граничного стану. Але прирости температур точок T (t ) в

періоді теплонасичення представляти добутком приросту температури TГР цієї ж точки в граничному стані на деякий коефіцієнт ψ (коефіцієнт теплонасичення), який характеризує те, наскільки є не досягнутою в даній

точці температура граничного стану ( 0 < ψ <1):

Коефіцієнт теплонасичення, очевидно, зростає від нуля в початковий момент часу (коли t = 0 , тоді ψ0 = 0 ) до одиниці в граничному стані (при

252

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

t → ∞, тоді ψ∞ =1). Швидкість зростання цього коефіцієнту характеризує інтенсивність процесу насичення теплом даної точки тіла.

Значення коефіцієнтів теплонасичення, для основних розрахункових схем процесів розповсюдження теплоти при зварюванні, обчислені М. М. Рикаліним в залежності від безрозмірних критеріїв часу ( τ) та від-

стані (ρ): ψ = f (τ,ρ).

Безрозмірний критерій часу τ і безрозмірний критерій відстані (радіу- са-вектора) ρ залежать від швидкості руху джерела тепла, відстані точки до нього, часу, який пройшов з моменту початку дії джерела тепла, теплофізичних властивостей матеріалу тіла і обчислюються за різними методиками відповідно до обраної схеми розрахунків.

Для просторових температурних полів, які описуються схемами розрахунків Рухомого або Потужного Швидкодіючого Точкового Джерела тепла на поверхні напівобмеженого тіла (РТД, ПШТД), коефіцієнт теплона-

сичення ψОБ визначається за номограмою, яка наведена в Додатку. Для користування номограмою необхідно спочатку знайти значення безрозмір-

де: R − радіус-вектор точки, для якої обчислюється температура, відносно джерела тепла (в рухомій системі координат);

V − швидкість руху джерела тепла;

a − коефіцієнт температуропровідності зварюваного матеріалу;

tН − час, який обчислюється з моменту початку дії джерела тепла.

Для плоских температурних полів, які описуються схемами розрахунків Рухомого або Потужного Швидкодіючого Лінійного Джерела тепла в

253

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

пластині з тепловіддачею (РЛД, ПШЛД), коефіцієнт теплонасичення ψПЛ

визначається за номограмою наведеною в Додатку. Безрозмірні критерії відстані ρПЛ та часу τПЛ обчислюються в цьому випадку з таких залеж-

де, крім розглянутих: b − коефіцієнт температуровіддачі: b = 2a , cρs

cρ − об’ємна теплоємкість зварюваного матеріалу; s − товщина пластини.

Значення безрозмірного критерію відстані ρ наведені на номограмі у вигляді кривих. Значення коефіцієнта теплонасичення ψ знаходиться в то-

чці перетину відповідної кривої ρ з вертикаллю, проведеною через зна-

чення критерію τ на горизонтальній шкалі. Якщо дійсне значення ρ не співпадає з жодною з наведених кривих, тоді проводять екстраполяцію, будуючи в необхідних межах ділянку допоміжної кривої між двома найближчими сусідніми значеннями ρ, яка й використовується для визначен-

ня коефіцієнта ψ.

Отже, порядок дій для визначення приростів температури точок тіла в період теплонасичення такий: спочатку за обраною схемою розрахунків визначаються прирости температури граничного стану температурного поля, потім обчислюються безрозмірні критерії, за значеннями яких по відповідній номограмі знаходять коефіцієнт теплонасичення для заданих умов, далі приріст температури граничного стану помножується на знайдений коефіцієнт теплонасичення ( 0 < ψ <1). Це й буде приріст температу-

ри заданої точки в період неусталеного температурного поля (в режимі теплонасичення).

254

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

Вплив параметрів процесу на період теплонасичення

По мірі зростання тривалості часу tН дії зосередженого джерела теп-

ла, всі прирости температур у цілому об’ємі тіла, який нагрівається, зростають, наближаючись до граничних значень. Чим ближче розташована до джерела тепла розглянута точка тіла, тобто чим менша її відстань R і r або x від джерела, тим раніше починає зростати температура, тим скоріше вона зростає і тим раніше вона наближається до граничної. Таким чином, в близькій до джерела тепла області, яка нагрівається до високих температур, період теплонасичення закінчується раніше, ніж у віддалених областях нижчих температур.

В пластині плоский потік тепла, яке розповсюджується від джерела, більше стиснутий, ніж просторовий потік в напівобмеженому тілі. Чим більше стиснутий потік тепла, тим повільніше насичується теплом область, яка знаходиться на даній відстані від джерела тепла, тобто тим менший відповідний коефіцієнт теплонасичення ϕ при даних значеннях критеріїв ρ і τ.

Після охолодження валика, наплавленого на очищену поверхню сталевого виробу, на ній з’являться смужки

кольорів мінливості (див. рис.), які відповідають температурам

200…350 °С. Ці смужки на початку шва розходяться, причому нагріта зона розширюється; по мірі віддалення від початку шва та досягнення граничного стану смужки стають паралельні шву, що свідчить про настання рівноваги. Джерело зварювального нагрівання (наприклад, електрична дуга), пересуваючись, ніби веде за собою рухоме температурне поле, яке спочатку збільшується (розширяється в тіло), а потім залишається постійним і тільки пересувається разом з дугою.

255

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

Крім відстані до осі шва, значний вплив на хід процесу теплонасичення має швидкість пересування джерела нагрівання. Чим швидше рухається джерело тепла, тим раніше встановлюється граничний стан на заданій відстані від нього.

Представлені тут на рисунку криві характеризують залежність тривалості періоду теплонасичення tН при різних швидкостях зварювання V та від-

станях до джерела тепла R , на яких встановлюється граничний стан. Зі збільшенням швидкості пересування джерела тепла, тривалість періоду теплонасичення зменшується. Вже при швидкості 10,8 м/год період теплонасичення, на відстані до 3 см від осі руху джерела тепла, закінчується протягом приблизно 15 секунд.

Період вирівнювання температури

По закінченню дії зосередженого джерела тепла (після виконання зварного шва) введене джерелом тепло продовжує розповсюджуватись по тілу внаслідок теплопровідності. Нерівномірний розподіл температури підтримується в тілі зосередженим джерелом, але по закінченню його дії температура починає вирівнюватися, тоді температура нагрітої області прямує до середньої температури тіла. Період процесу розповсюдження тепла, починаючи від моменту (t = tк ) в який припинилась дія джерела тепла, нази-

вається періодом вирівнювання температури.

Цей період менш важливий для характеристики зварюваного об’єкту ніж період інтенсивної дії зосередженого джерела тепла, але відіграє свою роль, особливо на періоди перебування металу нагрітим вище деякої заданої температури, наприклад, температури критичних точок структурних перетворень.

256

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

Розрахунки температурних полів в період, коли джерело тепла перестало діяти теж проводять за допомогою штучних прийомів, які компенсували б відсутність джерела тепла. Це рекомендується (М. М. Рикалін) робити шляхом введення фіктивних джерел тепла (такої ж або іншої потужності, як і те що діяло, але тепер відсутнє) негативного знаку: тобто стік тепла ( −q ). Точність таких розрахунків досить невелика і вони, являючи собою деякий теоретичний інтерес, на практиці майже ніколи не використовуються.

ВПЛИВ ПАРАМЕТРІВ РЕЖИМУ ДЖЕРЕЛА ТЕПЛА І

ТЕПЛОФІЗИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ЗВАРЮВАНОГО МЕТАЛУ

НА ТЕМПЕРАТУРНІ ПОЛЯ

1. Теплова потужність джерела:

В усіх розрахункових схемах приріст температури пропорційний потужності джерела тепла: T ~ q . Збільшення теплової потужності джерела тепла q2 >> q1 при інших незмінних параметрах призводить до розширен-

ня температурного впливу. Ізотерми температурного поля з однаковими температурами збільшуються (збільшують охоплювану площу, див. рис.).

2. Швидкість руху джерела тепла:

В усіх розрахункових схемах приріст температури зворотно пропорційний швидкості руху джерела тепла (швидкості зварювання): Т ~ 1V .

Збільшення швидкості руху джерела тепла V2 >>V1 при інших не-

змінних параметрах приводить до того, що ізотерми витягуються, зменшується їх ширина, збільшується довжина при приблизно однаковій охоплюваній площі.

257

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

Крім того, попереду джерела тепла ізотерми згущуються, а позаду – розріджуються.

3. Одночасне збільшення потужності та швидкості зварювання

Ізотерми видовжуються при практично постійній ширині, при цьому площа, охоплювана ізотермами збільшується – за рахунок витягнутості.

4. Теплопровідність T ~ 1λ;

Збільшення теплопровідності матеріалу при інших незмінних умовах приводить до звуження (стягування) температурного поля. Площа, охоплювана кожною ізотермою зменшується, крім того непропорційно зменшується їх довжина по осьовій лінії.

1

5. Об’ємна теплоємкість T ~ cρ ;

Об’ємна теплоємкість матеріалу впливає на конфігурацію температурного поля приблизно так само, як і швидкість зварювання.

258

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

ОБЧИСЛЕННЯ РОЗМІРІВ ДІЛЯНОК, ЯКІ НАГРІВАЮТЬСЯ ДО

ЗАДАНИХ ТЕМПЕРАТУР

Малопотужне наплавлення на масивне тіло

Температурне поле в цьому випадку описується схемою розрахунків РТД: «Рухоме точкове джерело тепла на поверхні напівобмеженого тіла з адіабатичною границею». В загальному випадку ширину зони, яка нагрівається до температури T1 і вище можна знайти,

якщо відома координата y = l точки, ізохрона

(T = f (x)) якої має максимальну температуру

T1 (див. рис.). Тоді повна ширина зони буде 2l .

Цей максимум ізохрони буде відповідати і найширшій частині ізотерми відповідної температури T1 . Отже, потрібно вирішити систему рів-

нянь:

l2 = y 2 = R2 - x2

Спроба виконати підстановки приведе до рівнянь наступного виду:

У явному вигляді виразити величину ширини зони ℓ тут не вдається, через це користуються методом послідовних наближень, або номограмами.

259

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

Малопотужне зварювання пластин з повним проваром

Температурне поле описується в цьому випадку схемою розрахунків РЛД «Рухоме лінійне джерело тепла в пластині з тепловіддачею». Відповідно, приріст температури на ширині ізотерми ℓ, нехтуючи тепловіддачею

В явному вигляді розв’язати ці рівняння теж не вдається, через це користуються аналогічно до попереднього випадку методом послідовних наближень або номограмами (В.В. Фролов), які наведені в додатках до даного посібника.

Потужне наплавлення на масивне тіло

Температурне поле описується в цьому випадку схемою розрахунків ПШТД «Потужне швидкодіюче точкове джерело тепла на поверхні напівобмеженого тіла з адіабатичною границею». Для того щоб знайти ширину зони, яка нагрівається вище заданої температури, потрібно розв’язати сис-

При цьому лінійна шкала (поздовжня вісь) завжди легко може бути отримана простою підстановкою x = V × t .

260