что такое температурное поле сварка
Определение температурных полей при действии подвижных сварочных источников теплоты
Министерство образования и науки РФ
Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ ПРИ ДЕЙСТВИИ ПОДВИЖНЫХ СВАРОЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛОТЫ
Методические указания к лабораторной работе № 3 по дисциплине «Подводная сварка и резка металлоконструкций»
Рецензент: канд. техн. наук, доц.
В работе изложена теоретическая часть, приведены расчетные схемы и уравнения для определения температурных полей при действии подвижных сварочных источников теплоты, а также даны контрольные вопросы и требования к содержанию отчета.
© Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет, 2012
Изучить расчетные схемы и овладеть методикой определения температурных полей при действии непрерывно действующих подвижных сварочных источников теплоты.
2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
1) Изучить теоретическую часть работы.
2) Ознакомиться с оборудованием и материалами, применяемыми при проведении лабораторной работы.
3) Собрать на прихватках две тонкие пластины и на разном расстоянии от оси стыка зачеканить в них термопары, которые затем подсоединить к потенциометру.
5) По расчетным данным построить графики распределения температуры по оси шва и на различных расстояниях от оси.
6) Сравнить расчетный график изменения температуры с экспериментальными данными, полученными с помощью термопар.
7) Составить отчет и сделать вывод о проделанной работе.
3. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
3.1. Классификация источников теплоты
По признаку распределенности источники тепла делятся на точечные, линейные, плоские и объемные.
По времени действия источники тепла делятся на мгновенные и непрерывно действующие.
Плоский источник тепла’— это источник, у которого тепло равномерно распределено по некоторой плоскости. Примером является контактная стыковая сварка.
Подвижный источник тепла это перемещающийся по телу источник тепла с постоянной скоростью и мощностью.
Быстродвижущийся источник тепла это подвижный мощный источник тепла, перемещающийся с весьма большой скоростью.
3 2. Принцип наложения при расчетах подвижных источников теплоты Для определения уравнений, описывающих процесс распространения теплоты от движущихся непрерывно действующих источников, используют принцип. наложения.
С пой целью период действия источника теплоты разбивают на бесконечно малые отрезки времени dt Действие источника теплоты в течение бесконечно малого отрезка времени представляют как действие мгновенного источника теплоты с/. Суммируя процессы распространения тепла от действующих друг за другом в разных местах тела мгновенных источников теплоты, получают уравнение температурного поля для подвижного непрерывно действующего источника теплоты.
3.3. Подвижный точечный источник теплоты на поверхности полубесконечного тела Рассмотрим точечный источник теплоты мощности с/. который движется с постоянной скоростью v прямолинейно из точки О о в направлении оси. V (рис.1). Наиболее характерным примером для данного случая является наплавка валика на массивное тело.
Используя принцип наложения элементарных источников тепла по линии ()0(). получим формулу для определения температуры в любой точке при действии подвижного точечного источника теплоты на поверхности полубесконечного тела в стадии предельного состояния:
x – абсцисса точки А в подвижной системе координат [см]
ν – скорость передвижения источника тепла (скорость сварки) [см/с]
λ- коэффициент теплопроводности металла [ Дж/ см ·с ·град]
а- коэффициент температуропроводности металла [см2 /c ]
Эффективную тепловую мощность дуги можно определить по следующим формулам :
Температурное поле предельного состояния при движении точечного источника теплоты симметрично относительно оси X(рис. 3). Изотермы на
Температура точек тела при приближении источника теплоты резко возрастает, достигая максимального значения, а затем убывает, причем снижение температуры происходит с меньшей скоростью, чем подъем
Если в уравнении (1) принять v 0, т. е. источник тепла неподвижен, по будем иметь случай стационарного температурного поля в полубесконечном теле:
Температура точек тела в этом случае прямо пропорциональна мощности источника теплоты ц и обратно пропорциональна расстоян но К от меч очника тепла и коэффициенту теплопроводности /..
3.4. Подвижный линейный источник теплоты в бесконечной гластине
Рассмотрим линейный источник теплоты мощности с/, который движете» с постоянной скоростью и прямолинейно из точки 0() в направлении оси. V (рис 5). Этот случай является характерным при сварке пластин в стык за один проход с полным проплавлением (Рис.6).
Используя принцип наложения, получим формулу для определения температуры в любой точке пластины при действии подвижного точечного источника теплоты в стадии предельного состояния:
Где К0(u) – функция Бесселя от аргумента:
α- коэффициент поверхностной теплоотдачи [ Дж/ см2 ·с· град]
δ – толщина пластины [см]
Для того, чтобы решить уравнение (6) необходимо определить функцию Бесселя’. Эта функция хорошо изучена и чтобы ее определить достаточно вычислить аргумент и по формуле (7), а затем по таблице (интегралов) найти значение это функции.
Картина распределения температуры в пластине и на поверхности полубесконечного тела качественно имеют много общего. Отличие заключается в том, что распределение температур в пластине на отрицательной оси А'(за источником тепла) зависит от скорости сварки о, в отличии от полубесконечного тела. Кроме того, изотермы в пластине более вытянуты, чем в полубесконечном теле. Если в уравнении (6) принять v-o, то будем иметь случай стационарного температурного поля в пластине:
В отличие от полубесконечного тела, где стационарное состояние достигается благодаря значительному теплоотводу в трех направления, ст ационарное состояние в пластине возможно лишь при наличии. теплоотдачи в окружающую среду.
4. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ
1) До выполнения лабораторной работы самостоятельно изучить теоретическую часть.
2) Перед сваркой собрать на прихватках две тонкие пластины (размерами 200 х 300 мм) с зазором 1 мм.
3) Зачеканить термопары ( на 0,5 толщины пластины) с нижней поверхности пластин на расстоянии 10, 20, 30, 40 мм от кромки оси, перпендикулярной к стыку, и подключить их к потенциометру.
4> Произвести сварку пластин в стык за один проход, фиксируя рабочий ток, напряжение на дуге, скорость и время сварки.
5) По расчетным данным, сведенным в таблицу 1, построить графики распределения температуры по оси шва и на различном расстоянии от оси.
6) Сравнить расчетный график распределения температуры с экспериментальными данными, полученными с помощью термопар.
7) Определить длину сварочной ванны по построенному графику распределения температуры в пластине.
Рис. 5. Схема подвижного точечного источника _
теплоты в бесконечнои пластине.
Рис. 6. Схема сварки пластин в стык за один проход с полным проплавлением.
5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
3) Схема сварки пластин в стык за один проход.
4) Таблица сводных данных для расчета температуры.
5) Результат ы расчета температуры для разных расстояний от. оси шва.
6) Графические зависимости распределения температуры в пластине, полученные расчетным и экспериментальным путем.
7) Выводы о проделанной работе.
6. ПЕРЕЧЕНЬ КОНТРОЛЬНЫХ ВОПРОСОВ
1) Как классифицируются источники теплоты по признаку распределенности г и времени действия?
2) Дать определение точечного и линейного источников тепла.
3) Дать определение плоского и объемного источников тепла.
4) Дать определение мгновенного и непрерывно действующего источников тепла
5) Дать определение подвижного и быстродпижущегося источников тепла.
6) Что такое принцип наложения источников тепла?
7.) Как определяется эффективная тепловая мощность дуги?
8) Что такое эффекгивный к. п.д. процесса нагрева изделия дугой?
9) Как влияет увеличение скорости сварки на кривую распределеня температуры вдоль оси шва9
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
5 Волченко В Н. Источники энергии сварочных процессов. М.: Машиностроение, 19с.
6.Рыкалин П Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. М.: Машгиз, 1951 «296 с.
ТЕМПЕРАТУРНОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТАЛЛА ПРИ СВАРКЕ Температурное поле при сварке тонких пластин
Температурное поле представляет совокупность мгновенных значений температур во всех точках изучаемого пространства или рассматриваемого тела в данный момент времени. Температурное поле изображается при помощи изотермических линий или изотермических поверхностей.
При сварке изделия сосредоточенным источником тепла производится интенсивный кратковременный местный нагрев металла до высоких температур. Тепло, выделяемое источником нагрева, расплавляет небольшой объем металла в месте сваривания и вследствие теплопроводности распространяется в прилегающие слои основного металла. За короткое время температура металла в месте сварки изменяется в широких пределах: от температуры окружающей среды до температуры плавления; затем по мере удаления источника нагрева металл остывает. При этом в сварочной ванне происходят физико-химические и металлургические процессы, а в наплавленном и основном металле — структурные и объемные изменения. Большая скорость нагрева при сварке и сравнительно быстрое охлаждение создают в сва-риваемом металле неравномерное температурное поле со значительным падением температуры при переходе от места сварки к холодным участкам металла.
Рассмотрим подвижное температурное поле при нагреве сварочной дугой тонкой пластины.
Тонкими пластинами называют такие, в которых при однопроходной сварке распределение температуры по толщине можно считать равномерным, т. е. в рассматриваемой точке пластины температура по толщине металла одинаковая.
В начальный период сварочного нагрева температурное поле будет неустановившимся. Температура отдельных точек свариваемого металла с увеличением времени нагрева будет повышаться до некоторых предельных значений, при которых темпе-
ратурное поле достигнет своего предельного состояния и в дальнейшем остается неизменным, т. е. установившимся.
При нагреве сварочной дугой предельное состояние температурного поля в области, близкой к источнику нагрева, практически наступает довольно скоро после начала сварки. При элек- тродуговой сварке установившееся предельное подвижное температурное поле наступает после нескольких минут, а иногда даже нескольких секунд. Установившееся предельное температурное поле движется вместе С дугой ПОСТОЯННОЙ МОЩНОСТИ ПрЯМОЛИ’ ‘нейно и равномерно с постоянной скоростью V. Такое поле будет квазистационарным. Изотермы :квазистационарного температурного поля движутся с ним поступательно с той же скоростью, не изменяясь по величине. В подвижном квазистационарном поле температурное состояние металла, наблюдаемое в сечении 1 в момент времени 11, повторяется в параллельном сечении 2 в момент времени t2 и т. д.
Наиболее полное исследование температурного поля при сварке произведено Н. Н. Рыкалиным [1]. Приняв ряд допущений^ Н. Н. Рыкалин теоретически и экспериментально исследовал температурное состояние металла в разных точках поля для случаев, когда источник нагрева при сварке неподвижный и когда он движется прямолинейно и равномерно вдоль шва.
При электродуговой сварке тонких пластин схему распространения тепла от источника нагрева принимают линейной, как показано на фиг. 1 (линия 00′), т. е. считают, что все тепло, воспринимаемое пластиной от источника нагрева, распространяется от линии 00′ и вследствие теплопроводности нагревает прилегающие слои металла.
При нагреве пластины по схеме линейного источника температурное поле будет плоским. Температура в каждой точке поля по толщине пластины считается одинаковой.. Температурное состояние точек пластины в плоском поле определяется двумя координатами х и у. Изотермы плоского температурного поля представляют собой замкнутые цилиндрические поверхности, построенные на изотермических «кривых. Образующими этих поверхностей служит толщина пластины. На поверхности пластины изотермы подвижного плоского температурного поля имеют вид вытянутых вдоль линии шва замкнутых кривых, которые перемещаются с постоянной скоростью вместе с источником нагрева, не изменяясь по величине (фиг. 1, а). Центр подвижной системы координат совпадает с положением движущегося источника нагрева.
Наиболее крутое падение температуры образуется впереди источника нагрева там, где изотермы очень сгущены. Крутое падение температуры наблюдается также в направлении оси у. Сварочная дуга как бы сгущает изотермы впереди себя и сбоку. В направлении, обратном движению дуги, изотермы вытянуты, а градиент падения температуры невысокий.
Плоское температурное поле образуется при сварке однопроходным стыковым швом в том случае, когда проплавление основного металла обеспечивается по всей толщине пластины. Практически тепловой расчет по схеме нагрева линейным источником можно применять при автоматической сварке под флюсом для пластин толщиной до 16—20 мм, свариваемых обычно за один
Фиг. 1. Подвижное плоское температурное поле в бесконечной тонкой пластине по Рыкалину: а — изотермы подвижного поля; б — кривые распределения температуры по линиям, параллельным оси ох-% в — кривые распределения температуры по линиям, параллельным оси оу.
проход. Температура в любой точке плоского температурного поля в градусах определяется по формуле Н. Н. Рыкалина:
где г — расстояние точки от источника нагрева, равное Ух2у2 х — координата точки до начала подвижной системы координат;
q — эффективная тепловая мощность источника нагрева в кал/сек (для электрической дуги q = г • 0,24/6/, где / и U — ток и напряжение сварочной дуги); т] — коэффициент использования тепла, принимаемый в пределах: при сварке угольным электродом 0,50—0,70, при сварке открытой дугой металлическим электродом 0,70— 0,80 и при сварке под флюсом 0,75—0,90; v — скорость перемещения источника нагрева по оси х в см/сек;
8 — толщина пластины в см
X — коэффициент теплопроводности в кал/см • сек град; а — коэффициент температуропроводности в см2/сек (а = —, где су — объемная теплоемкост)ь; b — коэффициент температуроотдачи в 1/сек; Ъ =
km — коэффициент поверхностной теплоотдачи радиацией в кал /см2 • сек град]
Ко (Ц)—бесселева функция нулевого порядка второго рода от мнимого аргумента.
В табл. 1 приведены значения функции Ко (^) Для некоторых значений аргумента (и).
Значения функции Ко (и) для некоторых значений аргумента
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПОЛЯ ПРИ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКЕ
2. ИСТОЧНИКИ ТЕПЛА ПРИ СВАРКЕ
Неразъемность соединения сваркой достигается путем расплавления соответствующих кромок свариваемых элементов при помощи сосредоточенного источника тепла, способного обеспечить мгновенный мощный местный нагрев металла. Расплавленные участки кромок свариваемых элементов, образуя общую ванну, при последующем остывании по мере удаления источника обеспечивают неразъемность соединения на всем остывшем участке позади источника.
В качестве таких источников тепла используются.
1. Электрическая дуга прямого действия, горящая между свариваемым изделием и металлическим или угольным электродом. При сварке металлическим электродом расплавляются как кромки свариваемых элементов, так и металл электродного стержня, образуя общую ванну расплавленного металла. Сварка с помощью электрической дуги прямого действия с металлическим электродом является наиболее распространенным видом сварки, а дуговая сварка угольным электродом применяется редко.
2. Электрическая дуга независимого действия, горящая между тугоплавкими электродами в струе водорода, — атомно-водородная сварка. Этот вид сварки не нашел широкого применения.
3. Пламя высококалорийных газов, сгорающих в кислородной струе — газовая сварка. Преимущественно применяется кислородно-ацетиленовая сварка для сварки листов малой толщины.
4. Тепло Джоуля, выделяемое при прохождении электрического тока через местное сопротивление контакта на поверхности изделия, — сварка сопротивлением. Сюда относятся точечный, шовный и стыковой способы сварки.
5. Тепло, возбуждаемое трением.
6. Тепло токов высокой частоты (радиочастотная сварка).
7. Тепло, возбуждаемое квантовым генератором.
8. Тепло, возбуждаемое электронным лучом в вакууме.
Вместе с развитием техники найдут широкое применение новейшие способы сварки (радиочастотная сварка, сварка электронным лучом в вакууме, сварка квантовым генератором), при — [8]
менительно к которым теория сварочных тепловых процессов не разработана [105, 115] и требует дальнейших усилий исследователей.
В последующем будем рассматривать электродуговую сварку, имеющую наибольшее применение на практике.
При сварке неплавящимся (угольным) электродом на нагрев изделия расходуется тепло, выделяемое на анодном пятне (при прямой полярности тока), и тепло, передающееся на изделие от столба дуги путем теплообмена. Причем температура анодного пятна при сварке стали доходит до 3000—4000° С, т. е. до ее температуры кипения. При сварке плавящимся электродом кроме указанного на изделие передается тепло вместе с каплями расплавленного металла электрода. Количество тепла, расходуемое электрической дугой на нагрев изделия в единицу времени, определяется формулой
и называется эффективной тепловой мощностью дуги. В этой формуле V — напряжение на дуге, которое в зависимости от сочетания материала электрода с атмосферой дуги колеблется от 15 до 150 в; J — сила сварочного тока, изменяющаяся в широких пределах (от 10 до 4000 и более ампер); ц — эффективный коэффициент полезного действия процесса нагрева изделия дугой, который в зависимости от свойств металла и способа сварки колеблется в пределах от 0,5 до 0,85 (см. РТМ РС-707—67).
Скорость v основного перемещения дуги при сварке стали колеблется в широких пределах — до 20 м/ч при ручной сварке, до 200 міч при автоматической сварке угольным электродом с раздельным процессом плавления.
Опыт показывает, что при установившемся режиме сварки (V = const, J = const, v — const) количество тепла q, вводимого в изделие в единицу времени, практически остается постоянным.
При сварке электрической дугой имеет место высокая концентрация тепла, которое вводится в изделие в основном через анодное пятно при прямой полярности тока и катодное пятно при обратной. Наибольший диаметр анодного пятна при силе тока 4000 а и ее плотности 10 а/мм2 pa вер 22,5 мм, а наибольший диаметр катодного пятна при плотности тока 20 а/мм2 равен 16 мм. При силе тока 200—300 а диаметр анодного пятна не превышает 6 мм [103, 104].
Таким образом, при сварке приходится иметь дело с неподвижным или подвижным сосредоточенным источником тепла большой мощности. Характер температурного поля, создаваемого источником, зависит от формы и размеров свариваемых элементов, мощности источника и скорости его перемещения, от свойств основного металла и металла электрода. Решающее влияние на характер температурного поля оказывают форма и размеры свариваемых элементов. В зависимости от этого температурное поле может быть пространственным, плоским и линейным. Простран — 18
ственное температурное поле возникает при сварке толстых плит, плоское — при сварке тонких пластин и оболочек, линейное — при сварке встык тонких стержней. Так как электрическая дуга представляет собой резко сосредоточенный источник тепла, то для изучения температурного поля сварки используют [103] модель бесконечного тела с точечным источником, бесконечной пластины с линейным источником и бесконечно длинного тонкого стержня с плоским источником.
ТЕМПЕРАТУРНОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТАЛЛА ПРИ СВАРКЕ Температурное поле при сварке тонких пластин
Температурное поле представляет совокупность мгновенных значений температур во всех точках изучаемого пространства или рассматриваемого тела в данный момент времени. Температурное поле изображается при помощи изотермических линий или изотермических поверхностей.
При сварке изделия сосредоточенным источником тепла производится интенсивный кратковременный местный нагрев металла до высоких температур. Тепло, выделяемое источником нагрева, расплавляет небольшой объем металла в месте сваривания и вследствие теплопроводности распространяется в прилегающие слои основного металла. За короткое время температура металла в месте сварки изменяется в широких пределах: от температуры окружающей среды до температуры плавления; затем по мере удаления источника нагрева металл остывает. При этом в сварочной ванне происходят физико-химические и металлургические процессы, а в наплавленном и основном металле — структурные и объемные изменения. Большая скорость нагрева при сварке и сравнительно быстрое охлаждение создают в сва-риваемом металле неравномерное температурное поле со значительным падением температуры при переходе от места сварки к холодным участкам металла.
Рассмотрим подвижное температурное поле при нагреве сварочной дугой тонкой пластины.
Тонкими пластинами называют такие, в которых при однопроходной сварке распределение температуры по толщине можно считать равномерным, т. е. в рассматриваемой точке пластины температура по толщине металла одинаковая.
В начальный период сварочного нагрева температурное поле будет неустановившимся. Температура отдельных точек свариваемого металла с увеличением времени нагрева будет повышаться до некоторых предельных значений, при которых темпе-
ратурное поле достигнет своего предельного состояния и в дальнейшем остается неизменным, т. е. установившимся.
При нагреве сварочной дугой предельное состояние температурного поля в области, близкой к источнику нагрева, практически наступает довольно скоро после начала сварки. При элек- тродуговой сварке установившееся предельное подвижное температурное поле наступает после нескольких минут, а иногда даже нескольких секунд. Установившееся предельное температурное поле движется вместе С дугой ПОСТОЯННОЙ МОЩНОСТИ ПрЯМОЛИ’ ‘нейно и равномерно с постоянной скоростью V. Такое поле будет квазистационарным. Изотермы :квазистационарного температурного поля движутся с ним поступательно с той же скоростью, не изменяясь по величине. В подвижном квазистационарном поле температурное состояние металла, наблюдаемое в сечении 1 в момент времени 11, повторяется в параллельном сечении 2 в момент времени t2 и т. д.
Наиболее полное исследование температурного поля при сварке произведено Н. Н. Рыкалиным [1]. Приняв ряд допущений^ Н. Н. Рыкалин теоретически и экспериментально исследовал температурное состояние металла в разных точках поля для случаев, когда источник нагрева при сварке неподвижный и когда он движется прямолинейно и равномерно вдоль шва.
При электродуговой сварке тонких пластин схему распространения тепла от источника нагрева принимают линейной, как показано на фиг. 1 (линия 00′), т. е. считают, что все тепло, воспринимаемое пластиной от источника нагрева, распространяется от линии 00′ и вследствие теплопроводности нагревает прилегающие слои металла.
При нагреве пластины по схеме линейного источника температурное поле будет плоским. Температура в каждой точке поля по толщине пластины считается одинаковой.. Температурное состояние точек пластины в плоском поле определяется двумя координатами х и у. Изотермы плоского температурного поля представляют собой замкнутые цилиндрические поверхности, построенные на изотермических «кривых. Образующими этих поверхностей служит толщина пластины. На поверхности пластины изотермы подвижного плоского температурного поля имеют вид вытянутых вдоль линии шва замкнутых кривых, которые перемещаются с постоянной скоростью вместе с источником нагрева, не изменяясь по величине (фиг. 1, а). Центр подвижной системы координат совпадает с положением движущегося источника нагрева.
Наиболее крутое падение температуры образуется впереди источника нагрева там, где изотермы очень сгущены. Крутое падение температуры наблюдается также в направлении оси у. Сварочная дуга как бы сгущает изотермы впереди себя и сбоку. В направлении, обратном движению дуги, изотермы вытянуты, а градиент падения температуры невысокий.
Плоское температурное поле образуется при сварке однопроходным стыковым швом в том случае, когда проплавление основного металла обеспечивается по всей толщине пластины. Практически тепловой расчет по схеме нагрева линейным источником можно применять при автоматической сварке под флюсом для пластин толщиной до 16—20 мм, свариваемых обычно за один
Фиг. 1. Подвижное плоское температурное поле в бесконечной тонкой пластине по Рыкалину: а — изотермы подвижного поля; б — кривые распределения температуры по линиям, параллельным оси ох-% в — кривые распределения температуры по линиям, параллельным оси оу.
проход. Температура в любой точке плоского температурного поля в градусах определяется по формуле Н. Н. Рыкалина:
где г — расстояние точки от источника нагрева, равное Ух2у2 х — координата точки до начала подвижной системы координат;
q — эффективная тепловая мощность источника нагрева в кал/сек (для электрической дуги q = г • 0,24/6/, где / и U — ток и напряжение сварочной дуги); т] — коэффициент использования тепла, принимаемый в пределах: при сварке угольным электродом 0,50—0,70, при сварке открытой дугой металлическим электродом 0,70— 0,80 и при сварке под флюсом 0,75—0,90; v — скорость перемещения источника нагрева по оси х в см/сек;
8 — толщина пластины в см
X — коэффициент теплопроводности в кал/см • сек град; а — коэффициент температуропроводности в см2/сек (а = —, где су — объемная теплоемкост)ь; b — коэффициент температуроотдачи в 1/сек; Ъ =
km — коэффициент поверхностной теплоотдачи радиацией в кал /см2 • сек град]
Ко (Ц)—бесселева функция нулевого порядка второго рода от мнимого аргумента.
В табл. 1 приведены значения функции Ко (^) Для некоторых значений аргумента (и).
Значения функции Ко (и) для некоторых значений аргумента