Длительность нагрева tn выше определенной температуры наиболее просто определить непосредственно из кривых ТЦ исследуемых точек.

Рассмотрим несколько примеров.

Пример 1. Два листа низкоуглеродистой стали толщиной 10 мм свариваются встык односторонним однопроходным швом (на флю­совой подушке). Сварка автоматическая под флюсом на режиме /= 800 A, U = 38 В, г = 30 м/ч. Следует построить кривые макси­мальных температур в околошовных зонах и оценить ширину зоны, нагреваемую в процессе сварки выше 500 °С, т. е. определить шири­ну участка металла с изменившимися в результате сварочного нагрева структурой и свойствами.

ш

Исходя из условий задачи назначаем расчетную схему: подвижный линейный источник в пластине. Воспользуемся решением (13.41), по­ложив b = 0 (для листов толщиной более 6,0 мм эффект теплоотдачи незначителен):

Эффективную тепловую мощность сварочной дуги определяем по выражению (13.2) и рекомендуемому значению ^(^=0,8 для автома­тической сварки под флюсом):

q = n JU = 0,8-800*38 = 24320 Вт.

Значения коэффициентов теплофизических свойств принимаем со­гласно табл. 13.2. Учитывая, что г = 30 м/ч = 0,83 см/с и принимая ср = =4,3 Дж/см3 -°С, определим значения максимальных температур для то­чек, лежащих от оси шва с шагом 1 см:

Гпт (3) = 7;Г1Х (-3) = °’484-24320 = 550 °С; пыЛ ' пыИ ’ 0,83-1-4,3-2-3

Т (4) = 7;пх(-4)= °’484-24320 = 412 °С;

m.,xV ) m.,xV ) о,83-1-4,3-2-4

Гпт (5) = Гпчч (-5) = °’484-24320 = 330 °С;

m.,xV / пых і / 0,83-1-4,3-2-5

т (*-т I 0,484-24320

пыч( ) пш( ) 0,83-1-4,3-2-6 °

Из графика (рис. 13.12) ширина зоны (зона заштрихована) с изме­нившимися свойствами равна 6,9...7,1 см.

Пример 2. Требуется нанести на поверхность плиты из малоуглеро­дистой стали толщиной 50 мм облицовку с требуемыми рабочими свой­ствами, например с повышенной износостойкостью. Облицовка осуще­ствляется одиночными длинными валиками автоматической наплавкой под флюсом на режиме / = 420 A, U = 36 В, г= 18 м/ч. Сварочные мате­риалы (соответствующая марка низколегированной проволоки и флюс) подобраны так, что наплавленный металл (смесь наплавляемого и рас­плавляемого основного металлов) обеспечивает служебные свойства при условии, что при охлаждении его при температуре Т= 400 °С обес­печивается мгновенная скорость охлаждения в пределах (8... 10) °С/с. Проверить и, если потребуется, внести коррективы в технологию на­плавки.

Исходя из условий задачи назначим расчетную схему: подвиж­ный точечный источник на поверхности полубесконечного тела. Вос­
пользуемся решением (13.44) для оценки мгновенных скоростей ох­лаждения

W(T) = -2nk^T~T°

v ' q

По выражению (13.2) и рекомендуемому значению г|и (г|и = 0,8) оп­ределим эффективную тепловую мощность дуги, значения теплофизи­ческих констант возьмем из табл. 13.2 (X = 0,4 Дж/см с °С) и учтем v = =18 м/ч = 0,5 см/с.

<7 = 0,8-420-36= 12100 Вт.

Определим W(T)y осуществляя наплавку в цехе, приняв Т{) = 15 °С:

Полученная величина скорости охлаждения больше требуемой, по­этому вносим изменения в технологию наплавки: предварительно на­греем плиту до 50 °С (Т{) = 50 °С), тогда

/ ч (400-50)1 0,5

W(400) = -2-3,14-0,4------------------- = -12,7 °С/с.

Скорость охлаждения уменьшилась, но все же выше требуемой, уве­личим температуру начального подогрева (Г0 =100 °С):

Температура начального подогрева достаточна, чтобы скорость ох­лаждения была в пределах требуемой.

Обобщая полученные результаты, следует сказать: в технологию на­плавки следует внести коррективы - требуется предварительный по­догрев плиты до температур (100...110) °С. Перед наплавкой очередно­го валика строго следить, чтобы начальная температура плиты была в этих пределах, если потребуется - дополнительно ее подогреть или ох­ладить.

Пример 3. Качественно оценить параметры сварочной ванны при наплавке валика на толстый лист при увеличении скорости наплавки, эффективная тепловая мощность при этом не меняется.

По условию задачи назначаем расчетную схему: подвижный точеч­ный источник на поверхности полубесконечного тела. Для рассужде­ний, так как величина скоростей не оговаривается, следует взять реше­ние (13.35)

Оценим изменение длины сварочной ванны позади источника, т. е. примем у = 0, z= 0, х - отрицательная координата.

Позади источника по отрицательной оси ОА" решение примет вид

Видно, что распределение температуры позади источника по оси его движения не зависит от скорости движения, т. е. длина ванны жидкого металла позади источника /,в(-л ) = |л|. ограниченной изотермической поверхностью (Т = Тп), остается постоянной и равной

Оценим изменение длины сварочной ванны впереди источника: у = =0, z = 0, х - положительная величина:

Видно, что при увеличении скорости движения источника длина участка сварочной ванны станет меньше, так как впереди источника температура убывает более быстро при увеличении скорости (функция ехр в более отрицательной степени).

Оценим изменение ширины сварочной ванны, для простоты рассуж­дений возьмем сечение х = 0, тогда

Видно, что при увеличении скорости движения источника темпера­тура в направлениях от оси движения источника (г = у/у2 + г") убывает быстрее, то же имеет место и при любом л т. е. ширина и глубина ванны жидкого металла будут меньше. Результаты рассуждений представле­ны нарис. 13.13.

13.5. ВЛИЯНИЕ ОГРАНИЧЕННОСТИ ИЗДЕЛИЙ

НА ПРОЦЕСС РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТЕПЛОТЫ ПРИ СВАРКЕ

Размеры свариваемых изделий в действительности всегда ограни­чены. Чем меньше расстояние от источника теплоты до границы тела, тем больше влияние, оказываемое ограниченностью тела на процесс распространения теплоты. При обычно встречающихся на практике со­отношениях коэффициента теплопроводности металла и коэффициен­та поверхностной теплоотдачи граничные плоскости тела можно в пер­вом приближении считать не пропускающими теплоту. Поэтому учет ограниченности размеров тела повышает температуру в сравнении с вычисленной по схеме неограниченного тела.

Распространение теплоты в плоском слое. Если толщина листа (сва­риваемых элементов) мала, так что нельзя пренебречь ограничивающим

влиянием нижней плоскости листа, но не настолько, чтобы считать тем­пературу равномерно распределенной по толщине, назначают для рас­чета схему подвижного точечного источника на поверхности плоского слоя толщиной s (рис. 13.14). Ограничивающие поверхности плоского слоя можно считать не пропускающими теплоту, это допущение было оговорено в подразд. 13.3.

Рис. 13.14. С 'хсма расположения фиктивных источников У, 2, 3, 4..., попеременно отражающих тепловой ноток основного источника в непронускающих теплоту граничных плоскостях г = 0; г = х /

Процесс распространения теплоты от подвижного точечного источ­ника мощностью q на поверхности плоского слоя будем рассматри­вать, как часть процесса распространения теплоты от того же источ­ника в неограниченном теле. Для этого удвоим мощность основного

источника и введем в тело дополнительные фиктивные источники /, 2, 3... мощностью 2г/, являющиеся попеременными отражениями ос­новного источника, находящегося в точке 0, в обеих, не пропускаю­щих теплоту, ограничивающих плоскостях z = 0 и z = s. Так, например, источник 1 является отражением основного источника в нижней ог­раничивающей плоскости г = 5, источник 2 - отражением источника 1 в верхней плоскости z = 0, источник 3 - отражением источника 2 в нижней плоскости Z = S и т. д.

Таким образом, процесс распространения теплоты подвижного то­чечного источника на поверхности плоского слоя описывается уравне­нием

T(x, y,z, t)= jr T(Rn, t),

//=-сс

где R' = Л*: + у2 +(г-2ns):.

Уравнение (13.46) представляет сумму процессов распространения теплоты бесконечного ряда точечных источников мощностью 2q с ко­ординатами (0,0,2т), где п принимает все целые значения от - х до +х, включая нуль. В качестве основной расчетной формулы в уравнении (13.46) рекомендуется брать решение (13.35).

Замечание: определение мгновенной скорости охлаждения в плос­ком слое рекомендуется выполнять по графику, предложенному Н. Н. Рыкал иным (рис. 13.15). Расчет выполняют в следующей после­довательности: вычисляют безразмерный критерий —:

0

1 я

0 їи2ср(Г-Г0)

Затем по предложенному графику определяют соответствующее ему значение критерия со, по которому определяют мгновенную скорость охлаждения

Скорости охлаждения V(T) точек плоского слоя, находящихся вне оси перемещения источника — ф 0 (см. рис. 13.15), возрастают от W = О

/ V S )

(нулевая скорость охлаждения соответствует достижению максималь­ных температур точек у), достигают максимума и сливаются со скорос­

тями охлаждения точек на оси шва

Влияние ограниченности размеров изделий по ширине и длине. Это вли­яние на процесс распространения теплоты при сварке можно учесть так же, как и при влиянии ограниченности изделий по толщине (плоский слой), введением дополнительных фиктивных источников, представля­ющих отражения основного источника в ограничивающих плоскостях, которые предполагаются не пропускающими теплоту. Таким образом можно рассчитать температурные поля при сварке полос различной ши­рины и длины. На рис. 13.16 иллюстративно показан учет ограниченнос­ти изделий по ширине на процесс распространения теплоты (сварка уз­ких полос различной ширины).

Наличие непроницаемых для теплоты граничных плоскостей стесняет поток теплоты, распространяющийся от источника, и повышает темпе­ратуру тем больше, чем значительнее стеснен тепловой поток.

В заключение раздела следует отметить:

• вопросы распространения теплоты при сварке, носящие, скорее, рекомендательный характер, например в случаях выполнения многопроходных швов, короткими или длинными участками и др., вынесены в соответствующие технологические разделы на­стоящего учебника;

• некоторые из расчетных методов, имеющих специфическое при­менение: нагрев распределенными источниками сварочного на­грева (газовое пламя), нагрев при других процессах сварки (кон­тактная, электронно-лучевая, лазерная, электрошлаковая и др.), нагрев и плавление основного и присадочного металлов при элек - тродуговой сварке и др. - в учебнике не рассматриваются;

• в то же время заложенная в данном разделе теоретическая база является основой тепловых расчетов перечисленных выше слу­чаев и процессов.

25 Заказ № 1398