1.2. Нагрев металла при сварке плавлением
Все основные способы сварки плавлением выполняются при местном нагреве свариваемого изделия. Необходимую для нагрева теплоту получают от источников энергии (электрической дуги, газового пламени, электронного луча и др.), которые различаются по характеру выделения теплоты, мощности, продолжительности действия, скорости движения и другим признакам. Нагрев и охлаждение металла при сварке вызывают разнообразные физические и химические процессы в металле изделия - взаимодействие с окружающей средой, плавление, кристаллизацию, структурные превращения, объёмные изменения, напряжения и пластические деформации.
От температурного состояния металла в месте сварки и распределения температур в свариваемом изделии во многом зависит качество сварного соединения - его прочность, пластичность, ударная вязкость, сопротивляемость коррозии, жаропрочность и др. Тепловые процессы при сварке в значительной степени определяют и такие показатели, как производительность и технико-экономическая эффективность сварки. Неправильно выбранные режимы нагрева и охлаждения изделия в условиях сварки могут привести к появлению таких дефектов сварных соединений, как трещины, непровары, подрезы и т. п., а также к увеличению деформаций и напряжений в свар-ном изделии. Таким образом, ряд основных процессов, сопровождающих сварку, связан с тепловым состоянием металла на различных стадиях получения сварных соединений.
Температурное состояние металла при сварке характеризуется значительной неравномерностью и изменяется в широком диапазоне: от нормальных температур (~ 20 °С в обычных условиях и даже —30 или -40 °С при сварке на морозе) до весьма высоких темпера-тур, сопоставимых с температурой кипения металла для (железа ~ 3000 °С). При непрерывном и достаточно быстром изменении температур, характерном для условий сварки плавлением, создаётся ряд специфических особенностей, затрудняющих изучение как самих этих процессов, так и их влияния на формирование сварного соединения и его конечные свойства. Поэтому для понимания тепловых процессов при сварке и управления ими необходимо знать общие, хотя бы приближённые представления о законах нагрева и охлаждения металла при сварке.
В течение ряда лет многими исследователями экспериментально и теоретически изучались тепловые процессы при сварке, которые в настоящее время можно представить как тепловые основы сварки, являющиеся частью её теоретических основ. В разработке тепловых основ сварки и тепловых расчётов при сварке, применяемых в настоящее время, основная роль принадлежит советским учёным, и в первую очередь академику Н. Н. Рыкалину (27.05.1903 г, Одесса, 21.05.1985 г, Москва).
Николай Николаевич Рыкалин в 1929 г. окончил Дальневосточный государственный университет. С 1939 г. работал в Институте машиноведения АН СССР, с 1941 г. - в секции по научной разработке проблем сварки и электротермии, с 1953 г. руководил лабораторией теории сварочных процессов в Институте металлургии им. А. А. Байкова. В 1930-х годах разработал ведущие разделы теории тепловых основ сварки и ряд других способов металлообработки. В последующие годы под его руководством разработаны ванная дуговая сварка, сварка металлов ультразвуком, термокомпрессионная сварка, технология металлообработки сжатой дугой, исследованы металлургические превращения ряда сплавов, электрофизические процессы в дуге и др. Он автор более 100 печатных работ, в том числе опубликованных во многих странах мира, академик АН СССР, член Сербской Академии наук. Награждён почётной медалью Американского сварочного общества, отмечен государственными наградами СССР.
В основу тепловых расчётов, расчётных методов определения температурных полей, скоростей нагрева и охлаждения положены данные о теплофизических величинах и процессах теплообмена. Полученный уровень знаний позволяет определять необходимые условия, при которых достигаются нагрев изделия и его сваривание, а также решать задачи о распределении температур в теле и его изменении во времени в каждом конкретном случае, например определять температурное поле в полу бесконечном теле по заданным значениям тепловой мощности источника теплоты д, скорости его движения у температуропроводности а и теплопроводности А, (рис. 1.7).
Рис. 1.7. Температурное поле предельного состояния при движении точечного источника теплоты по поверхности полубесконечного тела: а - изотермы на поверхности хОу; б – изотермы в поперечной плоскости хОг, проходящей через центр источника теплоты; в распределение температуры по прямым, параллельным оси* и расположенным на поверхности массивного тела; г- распределение температуры по прямым, параллельным оси у и лежащим в поперечной плоскости хОz; д - схема расположения координатных осей; д = 4000 Дж/с; v = 0,1 см/с; а = 0,1 см2/с; Х'=~ 0,4 Дж/(см • с • град)