Тепловые процессы при сварке Основные понятия

Тепло, сообщенное источником нагрева, вызывает разнообразные физические и химические процессы в сварном соединении – плавление, кристаллизацию, фазовые и структурные превращения, металлургические реакции, упругие и пластические деформации и напряжения. Для управления этими процессами необходима информация о распределении температуры в сварном соединении в пространстве и во времени. Эти вопросы рассматривает теория тепловых процессов при сварке , которая является частным случаем теории теплопроводности. Основной вклад в ее развитие внес академик Рыкалин Н.Н.

При изучении теории тепловых процессов при сварке используются следующие основные величины и понятия.

1.Температура Т– характеризует степень нагретости тела. Измеряется в градусах Кельвина.

2.Температурное поле T(x,y.z,t) – распределение температуры в теле в пространстве и во времени. Температурное поле может выражаться как в абсолютной температуре, так и в приращении температуры относительно начальной температуры тела То . Температурное поле может быть объемным, плоским или линейным. Для наглядности температурное поле представляют графически в виде семейства изотерм.

3. Изотерма – геометрическое место точек с одинаковой температурой.

4.Термический цикл сварки  зависимость температуры во времени в заданной точке тела А с координатами x,y,z .

5.Удельная теплоемкость с – количество теплоты, необходимое для изменения на один градус температуры единицы массы тела. В теории Н.Н. Рыкалина применяется усредненная в определенном температурном интервале удельная теплоемкость, что позволяет существенно упростить вывод расчетных формул.

Схематизация нагреваемых тел

Характер распространения теплоты существенно зависит от формы и размеров сварного соединения. При тепловых раcчетах применяются следующие расчетные схемы.

Бесконечное тело – границы тела не влияют на распространение теплоты. Температурное поле T(x,y,z,t) объемное.

Полубесконечное тело . Этой схеме соответствует деталь с одной ограничивающей плоскостью z = 0 . Эта схема используется при расчетах температурных полей при наплавке валиков на массивное тело.

Бесконечная пластина  тело, ограниченное двумя параллельными плоскостями z = 0 и z =  , где   толщина пластины.

Температура по толщине пластины распределена равномерно (не зависит от координаты z). Температурное поле T(x,y,t) двухмерное. Эта расчетная схема применяется при расчетах температурных полей при сварке тонких листов.

Бесконечный стержень – тело , ограниченное боковой поверхностью стержня с площадью поперечного сечения F. Температурное поле T(x,t) одномерное. Эта расчетная схема применяется при расчетах температурных полей при сварке стержней встык.

Классификация источников

С целью упрощения математического анализа тепловых процессов при сварке возникает необходимость схематизации и классификации источников теплоты. Классификация осуществляется по следующим признакам:

1. По характеру распределения в пространстве.

2. По характеру распределения во времени.

Реальные источники всегда распределены по объему тела. Однако источник может быть преимущественно распределен в трех, двух или одном направлениях. Соответственно различают математические модели точечных, линейных или плоских источников. При выборе математической модели источника руководствуются следующей схемой

Модель свариваемых тел	Схема источника	Примечание
Полубесконечное тело	Точечный	
Бесконечная пластина	Линейный	Длина источника равна толщине пластины
Бесконечный стержень	Плоский	Площадь источника равна площади поперечного сечения стержня

По характеру распределения во времени источники делят на мгновенные и непрерывные, причем интенсивность непрерывных источников может изменяться во времени.

Характер действия источников в пространстве и во времени определяется также их перемещением относительно рабочего тела. При этом различают источники подвижные и неподвижные.

Все многообразие схем источников можно свести к мгновенному точечному источнику. Его физическая схема – в бесконечно малый объем в бесконечно малый промежуток времени вводится конечное количество теплоты Q . Это является одним из граничных условий при решении дифференциального уравнения теплопроводности, когда вместо температуры задается распределение теплоты

Все остальные рассмотренные выше источники можно получить из совокупности мгновенных точечных, пользуясь принципом суперпозиции . Он заключается в алгебраическом сложении или, в пределе, интегрировании температур от действия отдельных источников (Т=Т₁+Т₂). Принцип суперпозиции применим только при условии независимости теплофизических свойств от температуры .