Расчеты тепловых процессов при сварке

Рыкалин Н.Н.

Машгиз, 1951 г.

 ГЛАВА II

РАСЧЕТЫ НАГРЕВА МЕТАЛЛА СВАРОЧНОЙ ДУГОЙ

§ 9. СВАРОЧНАЯ ДУГА КАК ИСТОЧНИК ТЕПЛА

При сварке плавлением источник тепла должен быстро нагреть свариваемые кромкиметалла до температуры плавления. Вследствие высокой теплопроводностиметалла тепло от источника интенсивно отводится в холодную массу металла. Чтобы быстро нагреть свариваемые кромки до требуемой температуры, необходимо сосредоточить в ограниченном объеме или на ограниченном участке поверхностиметалла значительное количество тепла. Поэтому источники тепла, применяемые для сварки, характеризуются высокой концентрацией выделяемого тепла.

Сварочная дуга. Электрическая дуга, открытая в 1802 г. русским физиком В. Петровым, есть устойчивый электрический разряд между твердыми или жидкими электродами в газе при высокой плотности тока. Превращая электрическую энергию в тепловую, ДУГА Петрова сосредоточивает тепло в небольшом объеме и развивает весьма высокую температуру. Газ в столбе сварочной дуги нагрет на оси столбадо 5000—10000°.

Пятна дуги — анодноена положительном электроде и катодное на отрицательном, т. е. участки поверхности электродов, через которые проходит электрический ток, обычнонагреваются до температуры, приближающейся к температуреиспаренияматериала электрода: пятнана угольном электродедо 3000—4000°, на железном—до 2100—2300°.

Падение напряжения на дуге U распределено неравномерно по длине дугового промежутка. У катодного и анодного пятен наблюдаются значительные местные падения напряжения U_kи U_n. По длине столба напряжение U_cпадает равномерно. Развиваемое дугой на данном участке тепло пропорционально местному падению напряжения. Поэтому значительная часть выделяемого дугой тепла сосредоточена у пятен.

Не все выделяемое дугой тепло используется при сварке для нагрева изделия. Часть тепла затрачивается на нагрев нерасплавляющейся части электрода и теряется в   окружающее   пространство за счет конвекции и излучения. Между столбом дуги и ее пятнами и на электроде и на изделии, имеющими различную температуру, происходит теплообмен.

10. РАСЧЕТНЫЕ СХЕМЫ НАГРЕВА МЕТАЛЛА ДУГОЙ

Типы процессов распространения тепла в металле, нагреваемом сварочной дугой, весьма разнообразны. На эти процессы влияют следующие основные факторы: а) размеры и форма свариваемых изделий, теплофизические свойства их металла и условия их теплообмена с окружающими предметами; б) эффективная тепловая мощность сварочной дуги, распределение ее теплового потока по поверхностиметалла и характер ее перемещения по изделию.

Расчет процесса распространения тепла в металле при сварке должен установить основные закономерности этого процесса и выявить влияние перечисленных выше основных факторов. Для расчета процесса нагрева и охлажденияметаллаизделия при дуговой сварке необходимо выбрать подходящую расчетную схему, выделяющую основные особенности рассматриваемого процесса и пренебрегающую второстепенными. Рациональный выбор расчетной СХЕМЫ не только упрощает расчет, но и позволяет более четко выявить влияние основных параметров процесса. Учет второстепенных особенностей в расчетной схемепроцесса часто настолько осложняет решения, что их практическое применение становится неэффективным. С другой стороны пренебрежение основными особенностями в расчетной схемепроцесса может привести к ненадежным результатам расчета, удаленным от действительно наблюдаемой картины. Поэтому целесообразный выбор расчетной схемы, удачно описывающей основные особенности рассматриваемого процесса, весьма важен для получения надежных и эффективных решений.

Схемы нагреваемого тела. В зависимости от формы и размеровизделия и от длительности процесса распространения тепла выбирают одну из следующих основных схем.

а. Полубесконечное тело, занимающее область , с плоской нагреваемой поверхностью ; этой схеме соответствует массивное тело, размеры которого значительно развиты в трех пространственных направлениях OX,OYи OZ(фиг. 31, а). Поток тепла в этом случае — пространственный. Ошибка от пренебрежения ограниченностью размеров области распространения тепла тем меньше, чем больше размеры тела, чем короче расчетная продолжительность процесса распространения тепла (т. е. суммарная длительность нагрева и охлаждения), чем ближе к источнику тепла зона расчетных температур, и чем ниже коэфициент температуропроводности металла.

б. Плоский слой, занимающий область , т. е. тело, ограниченное параллельными плоскостямиz—О и z—S; этой схеме соответствует листсредней толщины и достаточно больших размеров по длине и ширине (фиг. 31, б). Схему плоского слоя, нагреваемого с поверхности, применяют в тех случаях, когда толщина листа не настолько велика, чтобы можно было пренебречь ограниченностью распространения тепла в глубь тела, и не настолько мала, чтобы можно было считать температуру распределенной равномерно по толщине листа. Поток тепла — пространственный, как и в случае а

в. П л а с т и н а, т. е. плоский слой малой толщины S, неограниченно простирающийся в направлениях ОХ и OF(фиг 31, в). Температура предполагается полностью выравненной по толщине пластины, т. е Поток тепла в пластине — плоский. Этой схеме соответствует лист настолько тонкий, что температуру можно считать распределенной равномерно по толщине листа. Ошибка от такого предположения тем меньше, чем меньше толщина листа, чем больше продолжительность процесса, чем больше коэфициент