Б. Тепловые основы сварки

Сварочная дуга является мощным концентрированным источником тепла. Большая часть электрической энергии, потребляемой дугой, превращается в тепловую и идет на расплавление основного и присадочного металла (с последующим образованием сварного шва) и нагрева металла вокруг шва - так называемой околошовной зоны или зоны термического влияния (ЗТВ). Эффективную тепловую мощность дуги можно подсчитать по формуле:

,

где 0,24 - коэффициент перевода, кал/Вт*с; - эффективный КПД нагрева изделия (например, для аргонодуговой сварки неплавящимся электродом = 0,5; в гелии - 0,6; для сварки в среде углекислого газа плавящимся электродом = 0,4-0,5; для сварки под слоем флюса = 0,8-0,9), I и Uд - сила тока и напряжение на дуге.

Совокупность значений температуры в данный момент во всех точках пространства (тела) называется температурным полем (риc.14.2,а,б,в). Оно описывается уравнениями и характеризуется изотермами. Изменение температуры во времени для данной точки тела называется ее термическим циклом (рис.14.2,г).

Теория распространения тепла в изделии от действия сварочного источника, разработанная Н.Н.Рыкалиным, рассматривает три основных случая:

1. плоский источник тепла в стержне (например, контактная стыковая сварка стержней);

2. линейный источник в тонком листе (например, аргонодуговая сварка листов встык) (рис.14.2);

3. точечный источник в полубесконечном теле (например, наплавка валика на массивное изделие).

Рис. 14.1. Схемы постов для сварки: а - автоматической в углекислой газе сталей;

б - ручной аргонодуговой алюминиевых сплавов; I - редуктор,

2 - подогреватель, 3 - осушитель, 4 - ротаметр

Рассматриваем 2-й случай и считаем, что линейный источник тепла перемещается прямолинейно, равномерно с постоянной скоростью. При установившемся тепловом процессе от мощного быстродвижущегося источника тепловой поток распространяется главным образом перпендикулярно к оси перемещения источника (т.е. по оси у на рис.14.2). Считаем, что температурный градиент по толщине листа отсутствует.

Пользуясь теорией Рыкалина для любой точки сварного соединения с координатой y, можно определить (рис.14.2,г):

1. температуру металла (Т°, С) в этой точке в любой момент времени t после прохождения дуги мимо этой точки;

2. температуру наибольшего нагрева (Тмакс) металла в этой точке за все время термического цикла;

3. время Тн, в течение которого находится металл при температуре выше заданной ;

4. скорость охлаждения W металла данной точки при заданной температуре Т1.

Рис. 14.2 Температурное поле и термический цикл при линейном источнике в тонком листе

Для линейного источника тепла в тонком листе известны формулы:

ºC (14)

или

где

ºC (15)

(16)

где – скорость сварки, см/c; - толщина листа, см; - коэффициент теплопроводности, кал/см*сºС; C - коэффициент теплоемкости, кал/грºС; - удельный вес, г/см ; a - коэффициент температуропроводности, см b - коэффициент температуроотдачи, I/c:

(17),(18)

- коэффициент теплоотдачи, кал/ *°С; T - температура до начала и после окончания сварки (20°С).

Значения теплофизических констант для, различных металлов приведены в таблице.

Металл	кал/см·сºС	C кал/гºС	г/см		см
Углеродистая сталь Аустенитная сталь Алюминиевый сплав	0,1 0,07 0,65	0,16 0,15 0,24	7,8 7,9 2,7	8·10 - -	0,080 0,061 1,0000	1,25 1,15 0,65

Температурное поле в сварном соединении и термический цикл в любой его точке можно определить и экспериментальном путем. Для этого перед выполнением сварного соединения к поверхности свариваемого изделия приваривают на контактной машине несколько термопар, например, термопары хромель-аломель при кратковременном нагреве позволяют измерять температуру до 1300-1400°С с помощью гальванометров или потенциометров, при этом температура определяется по формуле

Спаи термопар располагают на одной линий, перпендикулярно к ввариваемому стыку, на определенном удалении от него (на рис.14.2). Отсчет времени начинают с момента прохождения дуги мимо сечения с термопарами.

Полагая

, (19)

можно построить температурное поле (рис.14.2,в), распределение температуры вдоль и поперек сварного шва в любой момент времени (рис.14.2,а,б), а также изменение температуры во времени для точек, где приварены термопары (рис.14,г).