По мере развития автоматической сварки мощность при­меняемых сварочных дуг и скорость их перемещения возрастают.

Пропорциональное увеличение мощности дуги и скорости сварки изменяет тепловое поле таким образом, что изотермы вытягиваются в длину, в то время как ширина их увеличивается мало. Удлинение зон, очерченных изотермами, пропорционально росту скорости.

На больших скоростях сварки изотермы все больше прибли­жаются к прямым, параллельным оси X. Это означает, что распро­странение тепла идет в направлении, почти перпендикулярном к оси, градиент температур в направлении осей Z и Y намного больше, чем по оси X:

дТ-^дТ. дТ ду " дх ’ дг ^ дх'

При значительных скоростях без большой погрешности можно считать, что тепло распространяется только в направлении, перпен­дикулярном к оси X. В этом слу­чае процесс распространения тепла можно представить как сумму про­цессов, протекающих в отдельных бесконечно тонких слоях, перпенди­кулярных к оси X (рис. 73). Важно изучить предельное состояние, ког­да мощность и скорость сварки бесконечно растут пропорциональ­но друг другу, т. е.

qu -»• со; о со; ~ = const.

Рассмотрим два случая нагрева изделия:

1) наплавку валика на массив­ное тело (нагрев полубесконечного тела мощным быстродвижущимся постоянно действующим точечным источником тепла);

2) сварку пластин за один проход (нагрев пластины мощным быстродвижущимся постоянно действующим линейным источником тепла).

Наплавка валика на массивное тело. Пусть при этом скорость сварки и тепловая мощность дуги достаточно велики, а с увеличе­нием qu и v отношение их остается постоянным: ~ — const. Наплав-

V

ляем валик по оси X.

Мысленно разобьем полубесконечное тело на слои, перпендику­лярные к оси X (рис. 73), плоскостями, не пропускающими тепла. Тогда тепло, внесенное дугой в выделенный слой, будет распростра­няться только в кем как в пластине. Если толщина слоя <1х, то время

dx

прохождения его дугой dt — —. Тогда все тепло, сообщенное дугой выделенному слою,

dQ — qudt — qu~.

Поскольку dt очень мало, внесение тепла можно считать мгновенным.

Для описания процесса распространения тепла в пластине от мгновенного линейного источника, распределенного по оси X на длине dx, воспользуемся выражение^ (IV.20):

Qi р ш __ р ш • cAnat 4~>i ’

Следует иметь в виду, что это уравнение выведено для беско­нечной пластины, где тепло распространяется равномерно во все стороны, тогда как в рассматриваемом примере все тепло распро­страняется только в показанной на рис. 73 половине бесконечной пластины. Поэтому при подстановке значения qu в формулу вели­чину его нужно удвоить:

(IV.29)

где

R == V у2 + г*.

Уравнение (IV.29) дает более точные результаты для точек вблизи шва.

Пример 4. Определить, какую температуру будут иметь точки массивного стального тела, расположенные в плоскости, перпендикулярной к оси наплав­ляемого валика, на расстоянии R—3 см от его оси, через 5, 10 и 20 сек после прохождения дугой исследуемой плоскости. Режим наплавки: I = 800 а, U = 32 в, о — .36 м/ч = 1 см/сек. Принятые средние значения теплофизических коэффициентов: X = 0,1 кал/(см ■ сек ■ °С); а = 0,1 см2/сек; с/ — 1 кал/(смя-°С).

Воспользуемся выражением (IV.29), для чего определим qu, задавшись Чи = 0,8:

qu = 0,24 Шгіи = 0,24 • 800 ■ 32 • 0,8 а; 490,0 кал/сек.

На основании этого

з-з

4900 . р

Г(3,5) = 2 • 3 И 0 1 .'s'. 1 ~ 1560 • 2-718~ ,5 = 1560 • 0,0113 s 18 ГС;

-3-3

4900 • I 1 2,25

Т (3,10) = 2 . з,14 .0,1 • 10- = 780 2.7is) = 780 °'1-1> ~ 83 °С;

- 3-3

4900-е 4‘°*1:20 ! 1 І.*2®

Т (3,20) = 2 . 3,14 . о,1 ■ 20 • 1 = 390 (.г/Пв) = 390 ’ 0,286 ~ 111 °с-

Автоматическая сварка пластин за один проход. Для вывода расчетной формулы, определяющей закон распространения тепла при автоматической сварке пластин за один проход, проведем рас­суждения, аналогичные предыдущим.

Пусть по оси X движется дуга, проплавляющая пластину на­сквозь и прогревающая ее равномерно по толщине (рис. 74). Мощ­ность дуги и скорость ее перемещения достаточно высоки.

Мысленно разрежем пластину на несколько очень тонких брус­ков плоскостями, перпендикулярными к оси шва. Поскольку при больших скоростях сварки тепло распространяется, главным обра­зом, в плоскостях, перпендикулярных к шву, то можно считать, что теплообмена между брусками нет, а тепло, внесенное в них ду­гой при сварке, распространяется, как в обычном стержне сече­нием bdx. Количество тепла, которое внесено в сечение стержня ду­гой за время dl, необходимое для прохождения пути dx, бу­дет dQ — с]и dl. Время dl бес­конечно мало и поэтому мож­но считать, что тепло dQ вне­сено в сечение 6dx мгновенно.

Тогда интенсивность мгновен­ного плоского источника

Ґ) ___ dQ ____ Чи dl____ qu КппІгмг

Распространение тепла в стержне от мгновенного плос­кого источника подчиняется закону, выражающемуся уравнением (IV.21). Подста­вив в него значения Q2, по­лучим

Если учесть теплоотдачу с боковой поверхности пластин дополнительным множителем <г ы , то окончательное расчетное вы­ражение примет вид