Джерела нагрівання та

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

Переваги застосування схем потужних швидкодіючих джерел тепла в тому, що вони дають змогу знаходити аналітичні рішення.

Виходячи з залежності для приросту температури, яку дає схема роз-

нянь для найбільшої ширини ізотерми l = ymax , на поверхні тіла ( z = 0 ),

де: 2ℓ – повна ширина зони, яка нагрівається вище заданої температури; q - потужність джерела тепла; для зварювальних розрахунків це, як

правило, ефективна теплова потужність дуги: q = h× I зв ×Uд ,

де: η - ефективний коефіцієнт корисної дії дуги,

I зв – зварювальний струм, Uд - напруга на дузі;

V - швидкість зварювання; cρ - об’ємна теплоємкість;

Tl - задана температура; Tl = T + T0 ;

e − число Непера (основа натуральних логарифмів).

Потужне зварювання пластин з повним проваром

Температурне поле описується в цьому випадку схемою розрахунків ПШЛД «Потужне швидкодіюче лінійне джерело тепла в пластині з тепловіддачею», яка вище була вже докладно розглянута:

Нехтуючи тепловіддачею (b = 0 ), вирішують тут, як і в попередньому випадку, систему рівнянь самої функції та її похідної:

261

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

T = f ( t )

¶ T = 0¶ t

Після сумісного вирішення цих рівнянь і виконання всіх необхідних аналітичних перетворень, одержимо наступну залежність для повної ши-

рини зони 2l , яка нагрівається вище заданої температури Tl для випадку

2

зварювання пластин з повним проплавленням: 2l = q × p × e

V × s × cr × DTl

де: s - товщина пластини;

всі інші складові цього рівняння аналогічні описаним вище для ПШТД.

ТЕРМІЧНИЙ ЦИКЛ ОДНОПРОХІДНОГО ЗВАРЮВАННЯ

При зварюванні джерело тепла весь час рухається. Разом з ним рухається і температурне поле. В усталеному режимі температурне поле (квазістаціонарне) рухається разом з джерелом, лишаючись незмінним у рухомій системі координат. У той же час температура кожної точки тіла весь час змінюється в процесі зварювання.

Термічним циклом називається зміна температури вибраної точ-

ки в часі в процесі руху джерела тепла повз неї.

При цьому температура точок з деякою швидкістю збільшується, досягає максимуму і потім зменшується до початкової (див. рис. вище).

Параметри термічного циклу зварювання

1) Швидкість наростання температури wнагр :

262

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

миттєва – при заданій температурі (T ): w = ∂T ;

∂t

3)Максимальна досягнута температура Tm ;

4)Час досягнення максимальної температури tm ;

5)Час перебування в заданому інтервалі температур: наприклад,

при температурі вище T1 це буде t = t2 −t1 .

Наведені параметри суттєво впливають на термодеформаційні процеси і на структурні зміни в основному металі, а відтак, є важливими величинами для прогнозування якості і властивостей зварних з’єднань.

Пойменовані вище параметри термічного циклу зале-

жать від режиму зварювання, теплофізичних властивостей матеріалу, конфігурації тіла, умов охолодження, початкової температури (це може бути температура попереднього підігрівання виробу перед зварюванням), інших умов.

Максимальні температури

263

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

Максимальні температури визначаються досить просто, якщо відомі температурні поля. В точці максимуму (екстремуму) перша похідна темпе-

∂T = 0 , при цьому можливий перехід від координати часу до координати

∂x

відстані за схемою: x = V ×t

Максимальні температури в схемах розрахунків рухомих джерела тепла

Для схем розрахунків, які використовують рухомі джерела тепла (РТД, РЛД) виразити максимальну температуру аналітично не вдається. Для знаходження максимальних температур в цих випадках користуються методом послідовних наближень, поступово, з більшою чи меншою точністю вираховуючи точку екстремуму відповідної функції залежності температури, згідно з обраної схемою розрахунків. Можливо також використання спеціальних номограм (М.М. Рикалін). Іноді вдаються до графічної побудови частини термічного циклу, яка включає максимум.

З огляду на розвиток комп’ютерних технологій, останнім часом найбільш поширеним способом вирішення таких задач є метод послідовних наближень.

Максимальні температури в схемах розрахунків потужних швидкодіючих джерела тепла

Для схем розрахунків, які використовують потужні швидкодіючі джерела тепла, аналітичні вирази залежностей для максимальних температур можливі і широко використовуються.

1) Потужне наплавлення на масивне тіло (Схема ПШТД):

Температурне поле в цьому випадку описує залежність:

264

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

Всі складові цього рівняння докладно описувались вище.

Після диференціювання цієї залежності, знаходження похідної і вирі-

де: q – потужність джерела тепла (ефективна теплова потужність дуги);

R – радіус-вектор точки, для якої знаходиться максимальна тем-

пература, відносно джерела тепла: R2 = y2 + z2

x , y - координати точки, для якої знаходиться максимальна температура;

Час настання максимальної температури визначається з залежності:

tm = R2

4a

Потужне зварювання пластин з повним проваром (Схема ПШЛД):

Температурне поле в цьому випадку описує залежність:

265

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

де: q – потужність джерела тепла (ефективна теплова потужність дуги);

ym – поперечна координата точки, для якої знаходиться максима-

Виконуючи розрахунки для високотемпературній області поблизу джерела тепла, часто нехтують тепловіддачею (приймають: b = 0 ), і оперують повною шириною зони, яка нагрівається вище деякої заданої максимальної температури.

Така повна ширина зони позначається 2 ym .

для визначення максимальної температури по схемі розрахунків ПШЛД (придатний тільки для орієнтовних (оціночних) розрахунків у високотем-

266

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

Час настання максимальної температури в схемі ПШЛД визначає

залежність: tm = ym2

2a

Миттєва швидкість охолодження при заданій температурі

Швидкість охолодження як металу зварного шва, так і металу навколошовної зони, є одним з найважливіших показників зварювального процесу. Швидкість охолодження найбільше впливає на структуру і властивості металу, в значній мірі визначає температурні деформації та напруження. Часто тільки за величиною швидкості охолодження судять про придатність, або непридатність призначеного режиму зварювання. Через це визначенню швидкості охолодження при заданій температурі, особливо аналітичному визначенню цього показника, приділяється в теплових розрахунках значна увага.

Миттєва швидкість охолодження w є перша похідна температури по

часу: w = ∂T .

∂t

Виразити цю функцію аналітично у більшості випадків теплових розрахунків при зварюванні не видається можливим. Тому роблять так: знаходять приблизні координати точки, яка має задану температуру. Потім підставляють у відповідну формулу значення координат і задану темпера-

туру і знаходять похідну ∂T графічно, графо-аналітично, або методом по-

∂t

слідовних наближень.

У випадку застосування для такого розрахунку схем потужних швидкодіючих джерел тепла, аналітичні вирази можливо одержати, але при де-

267

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

яких додаткових спрощеннях:

−знаходимо швидкості охолодження металу на поверхні зварного шва позаду дуги по осі її руху і вважаємо, що в зоні термічного впливу швидкості охолодження будуть приблизно такими ж, або гарантовано меншими (для прогнозування структури важливо знати найбільшу швидкість охолодження).

Це припущення суттєво спрощує систему координат: на поверхні означає, що z = 0 , на осі руху джерела нагрівання (по осі шва) означає y = 0 .

− нехтуємо тепловіддачею у високотемпературній області, вважаючи, що за короткий час перебування при високих температурах втрата теплоти шляхом конвекції або випромінювання не буде досить значною.

Це припущення позбавляє необхідності застосовувати коефіцієнт температуровіддачі, вважаючи його рівним нулю: b = 0 .

Швидкість охолодження при потужному наплавленні на масивне тіло (ПШТД)

У схемі розрахунків ПШТД приріст температури визначається рів-

Відповідно до прийнятих припущень: z = 0 , y = 0 , отже: e0 =1.

Це дає змогу значно спростити рівняння температурного поля:

що це швидкість саме охолодження, тобто, кожна наступна (по часу) тем-

268

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

пература менша за попередню: Tn +1 <Tn .

Відповідно до визначення це і буде миттєва швидкість охолодження точок зварного шва позаду джерела тепла у випадку потужного наплавлення на масивне тіло (схема ПШТД).

Дещо перетворимо цю залежність для зручнішого сприймання і тоді

T0 - початкова температура (це може бути температура попереднього підігрівання);

λ - коефіцієнт теплопровідності;

q - ефективна теплова потужність дуги;

V - швидкість зварювання.

Відношення qV називається погонна енергія зварювання і, як бачи-

мо, цей показник тут в знаменнику. Це означає, що чим більша погонна енергія при зварюванні (кількість теплоти, яка припадає на одиницю довжини зварного шва), тим меншою буде швидкість охолодження.

З іншого боку, в чисельнику – температура в другій степені, отже, температура значно більше впливає на швидкість охолодження, ніж інші па-

раметри. Особливу увагу слід звернути на початкову температуру T0 . Вона під показником степені віднімається від заданої температури T , а це означає, що її вплив буде такий же суттєвий, але зворотний: чим більша почат-

269

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

кова температура, тим меншою буде швидкість охолодження.

Швидкість охолодження при потужному зварюванні пластин за один прохід (ПШЛД)

Приріст температури в цьому випадку визначається рівнянням:

Відповідно до прийнятих вище передумов, нехтуємо поверхневою тепловіддачею: b = 0 , та розглядаємо точки, розташовані вздовж осі зварного шва: y = 0 .

Це дає змогу, як і в попередньому випадку, значно спростити рівняння

його у вираз для похідної, буде:

270