2.7Трение как источник тепла при нагреве.

При трении одного тела о другое в поверхностном слое на границе их раздела выделяется тепло. Это тепло при некоторых условиях может быть достаточным для значительного нагрева и сварки.

Пусть верхнее тело 1 прижато к телу 2 силой N и перемещается со скоростью V (рис.11). Для перемещения тела на величину S необходимо затратить работу , где – коэффициент трения, а – время перемещения.

Рис. 2.11. Схема, иллюстрирующая выделение тепловой мощности при трении.

Эта работа превращается в тепло Q. Тепловая мощность, развиваемая при движении:

; (4)

При трении практически все тепло идет в металл, поэтому:

, а .

Плотность теплового потока:

, (5)

где: – удельное давление (нормальное) на поверхности трения.

Наиболее легко реализовать сварку трением, используя вращение. В этом случае на скорость перемещения и выделение тепла в каждой точке влияет удаление точки от оси вращения. Вследствие теплопроводности выделившееся тепло распространяется по детали.

Если предположить, что тепло распределяется равномерно по стыку, то:

, (6)

где: B– постоянный коэффициент;

n– число оборотов одной детали относительно другой.

При реально применяемых Р_о, n, f плотность теплового потока q_F достигает примерно 400 Вт/см². Такой концентрации энергии достаточно для высокопроизводительного нагрева металла до температуры (0,7…0,8)Т_ПЛ, при которой происходит сваривание.

Следует отметить, что при воздействии на детали ультразвуковых колебаний в результате микроперемещений и трения также выделяется тепло и происходит нагрев соприкасающихся поверхностей. Однако при этом наблюдается более сложное взаимодействие соседних кристаллов (их дробление, появление микротоков и др.). При достаточной мощности ультразвуковых колебаний можно сварить некоторые металлы. Температура нагрева, удельный тепловой поток здесь меньше, чем при сварке трением.

2.8Джоулево тепло при сварке.

При пропускании тока в проводнике (рис.2.12) выделяется тепло, определяемое законом Джоуля-Ленца:

. (7)

Полная тепловая мощность:

, (8)

где I– ток, проходящий по проводнику;

R– сопротивление проводника.

Рис. 2.12. Проводник с током.

Так как все тепло выделяется в проводнике и практически расходуется на его нагрев, то и .

Тепло выделяется в каждой точке объема металла, т.е. имеем объемно распределенный источник нагрева. Найдем объемную плотность энергии:

, (9)

где: – длина проводника;

– поперечное сечение;

– удельное электрическое сопротивление;

– плотность тока в проводнике.

Известно, что зависит от температуры Т:

, (10)

где: – удельное сопротивление при ;

– температурный коэффициент электрического сопротивления.

При сварке температура достигает значительной величины, поэтому изменяется в широких пределах (см. табл. 2.4).

Таблица 2.4.

Удельное электрическое сопротивление	Материал
	Сталь 10	Нержавеющая сталь	Медь	Д16Т
, Ом/см	15 10-6	70 10-6	1,75 10-6	5,8 10-6
, Ом/см	110 10-6	120 10-6	5,75 10-6	–

Если в каком-либо объеме проводника температура повысится, то в этом объеме будет повышенное выделение тепла за счет увеличения .

Джоулево тепло широко используют в сварочной технике. Применяя значительные плотности тока, можно при необходимости очень быстро (за тысячные доли секунды) нагреть металл до расплавления и осуществить сварку.

При сварке, как правило, имеется граница раздела между проводниками, которая несколько изменяет процессы выделения тепла. Граница раздела изменяет распределение тока. Из-за несовершенства контакта и наличия неровностей на поверхностях линии тока будут сужаться в определенных зонах (рис. 2.13.).

Рис. 2.13. Характер распределения линий тока при наличии границы раздела.

Сужение линий тока условно выражают введением дополнительного контактного сопротивления R_К.

Тогда:

,

где: – сопротивление материала;

– полное сопротивление деталей.

Следует отметить, что граница раздела не имеет существенного значения, если действует значительное сжимающее усилие (точечная или роликовая сварка, стыковая сварка с предварительным сжатием). В данном случае выступы очень быстро сминаются и линии тока равномерно распределяются по границе раздела. Основное тепло выделяется при этом в самом металле:

. (11)

Второе слагаемое в балансе тепла составляет всего (5…10)%.

Значительную роль граница играет в случае, если сжимающее усилие отсутствует (стыковая сварка с предварительным оплавлением и др.). Тогда выступы и сужение линий тока сохраняются в течение всего процесса нагревания, и на границе раздела выделяется до 30% всего тепла, а в металле около 70%.

Джоулево тепло используют также при электрошлаковой сварке, когда ток пропускают через расплавленный электропроводный шлак, имеющий сопротивление R_Ш. В шлаке выделяется тепло:

.

Температура шлака доводится до (1800…2200)^оС (при сварке сталей). При такой температуре основной и присадочный металлы расплавляются и свариваются.

При индукционном нагреве с помощью тока высокой частоты (ТВЧ) (рис. 2.14.) в каждом замкнутом контуре проводника индуктируется ЭДС и по контуру проходит ток. Вследствие эффекта вытеснения ток главным образом проходит в поверхностном слое:

. (12)

Здесь: – удельное электросопротивление;

– частота тока;

– магнитная проницаемость;

– глубина поверхностного слоя, где выделяется 90% всего тепла.

Рис. 2.14. Схема нагрева образца с помощью ТВЧ:

1 – источник ТВЧ; 2 – индуктор;

3 – нагреваемая заготовка.

Величина , мм, приведена в табл. 2.5.

Табл. 2.5.

Глубина поверхностного слоя	Материал
	Низкоуглеродистая сталь при Т=20оС	Низкоуглеродистая сталь при Т=800оС	Медь
при Гц	0,2	6,5	0,67
при Гц	0,02	0,65	0,067

Из таблицы видно, что величина незначительна, т.е. можно считать, что нагрев ТВЧ – поверхностный. Глубинные слои металла нагреваются благодаря теплопроводности. Поэтому нагрев идет значительно медленнее, чем при обычном прохождении тока через металл.

Потери тепла на нагрев индуктора и в окружающую среду составляют около половины всей мощности, поэтому .