Увеличение скорости сварки (повышение производительности) при соответствующем повышении эффективной тепловой мощности свароч­ной дуги (высокоамперная сварочная дуга) при условии, что величина погонной энергии сварки изменяется незначительно, - тенденция раз­вития электродуговой сварки в XX веке и в настоящее время, нашед­шая отражение в появлении автоматической и полуавтоматической сварки. Исторически оправдано появление термина мощный быстро - движущийся источник, понятие которого может быть записано следую­щим образом:

q

q -> со, г -»со, - const.

При нагреве мощным быстродвижущимся источником наблюдают­ся некоторые особенности в температурном поле предельного состоя­ния. По мере увеличения скорости г перемещения точечного или ли­нейного источника теплоты и при пропорциональном увеличении его эффективной тепловой мощности q размеры зон, нагретых до опреде­ленной температуры, увеличиваются; длина зон увеличивается пропор­ционально мощности, а ширина возрастает, стремясь к определенному пределу. Позади источника нагретая область располагается узкой по­лосой, изотермические поверхности (изотермы) практически парал­лельны оси перемещения источника, градиент температуры в направ­лении оси перемещения источника практически равен нулю: = 0. Это

позволяет сделать вполне правомерные допущения:

• позади источника в области, близкой к оси перемещения источ­ника, теплота распространяется только в направлении, перпен­дикулярном к оси перемещения источника; перетекание тепло­ты вдоль оси перемещения источника практически отсутствует;

• впереди источника теплота практически не распространяется.

Эти допущения позволяют упростить расчетные схемы для получе­ния основных решений по оценке температурных полей предельного состояния.

1. Подвижный точечный источник на поверхности полу бесконечного тела.

Представим, что полубесконечное тело состоит из бесконечного ко­личества тонких полубесконечных слоев (пластин) толщиной dx, ори­ентированных перпендикулярно к будущей оси перемещения источни­ка (рис. 13.8, а). Далее, перемещаясь по поверхности полубесконечно го тела в направлении оси ОХ, точечный источник, пересекая по торцам выделенные слои, сообщает им мгновенные количества теплоты, рав - _ . dx

ные Q = qdt = <у—, которые распространяются только в пределах выде-

г

ленных слоев, так как по сделанному выше допущению все слои в теп­ловом отношении изолированы: — = 0. Таким образом, процесс

dx

распространения теплоты в каждом слое идентичен действию мгновен­ного линейного источника в пластине, а отличается в каждом слое только началом действия мгновенного источника. За начальный момент вре­мени принимают момент пересечения источником слоя (х = 0, t = 0) и,

как следует из рис. 13.8, а, для слоя, находящегося на расстоянии (-л) позади от источника, от начала действия в нем мгновенного источника

прошло время, равное / = — (знак минус означает, что время t - поло­жительная величина).

Воспользуемся решением (13.26). Согласуем это решение с расчет­ной схемой рассматриваемой задачи (на рис. 13.8, б отдельно показан выделенный слой.

• Координаты х, у заменим на у, г. Соответственно квадрат плос­кого радиуса-вектора г2 = х2 + у2 заменим на г2 = у2 + г2.

п о dx

• l-iq-, где множитель 2 означает, что выделенный слой явля­ется полубесконечным, и по площади торца слоя (dxy) [см2] теп­лообмен с окружающей средой отсутствует (поверхность полу - бесконечного тела непроницаема для теплоты).

• Толщину пластины 5 заменим на толщину слоя dx.

• Коэффициент температуроотдачи с поверхностей слоев примем

*>сх

равным нулю: Ь = z—i - = 0. так как слои в тепловом отношении cp. v

изолированы друг от друга: а.=0.

Время t, как уже оговаривалось выше: / =

После преобразований получаем решение задачи

где г2 = у2 + z2 - квадрат плоского радиуса-вектора, характеризующего отстояние любой точки тела от оси перемещения источника.

2. Подвижный линейный источник в пластине.

Рассуждая аналогично, представим, что пластина толщиной s состо­ит из бесконечного количества узких полосок (стержней) сечением (dxs) и ориентированных перпендикулярно оси перемещения линейного ис­точника (рис. 13.9, а). Линейный источник, перемещаясь в пластине, сообщает им мгновенные количества теплоты: Q - qdt - ц —, которые

распространяются только в пределах выделенных полосок, так как по сде­ланному ранее допущению все полоски в тепловом отношении изолирова­ны друг от друга: -— = о. Таким образом, процесс распространения тепло-

о Ол­

ты в каждой полоске идентичен действию мгновенного плоского источника

в стержне, а отличается, как и в предыдущим случае, только началом дей­ствия мгновенного источника t = — при. v = 0, t = 0 .

Воспользуемся решением (13.29). Согласуем это решение с расчет­ной схемой рассматриваемой задачи на рис. 13.9, о отдельно показана выделенная полоска).

• Координату. v заменим на у.

• F=dxs.

• Теплообмен с окружающей средой поверхностей пластины учтем, оценив величину коэффициента температуроотдачи b, для стер­жня:

где Р - периметр теплоотдающей поверхности, в рассматривае­мом случае Р = 2dx; b - коэффициент температуроотдачи для пла­стины, в рассматриваемом случае b = Ь,.

• Время t, как уже оговаривалось: t =—.

После преобразований получаем решение задачи

(13.39)

где у характеризует отстояние любой точки пластины от оси перемеще­ния источника.

Анализируя полученные решения (13.38) и (13.39), видим, что, если требуется оценить температурное поле предельного состояния, то в эти

решения вместо времени t следует подставить

пературного поля предельного состояния при этом показана на рис. 13.10. В то же время решения в приведенном выше виде позволяют оценить температурные изменения любых конкретных точек тел, отсто­ящих от оси шва на расстояниях гили г/, во времени.

В сварочной практике изменение температуры конкретной точки тела во времени при сварке называют термическим циклом (ТЦ) этой точки.

Полученные решения можно рекомендовать для непосредственных ин­женерных расчетов ТЦ точек в областях, близко расположенных к шву. Причем при сварке материалов с низкой теплопроводностью (стали всех

классов, сплавы на основе никеля, титана и др.) - как при автоматической и полуавтоматической, так и при ручной электродуговой сварке; при свар­ке же металлов с высокой теплопроводностью (медь и сплавы на ее основе, алюминий и сплавы на его основе) - только при автоматической сварке (при достаточно высоких скоростях сварки).