Розрахунок нагріву метала дугою

7.4.1 Теплова потужність дуги

Розрізняють повну та ефективну теплову потужність дуги. Повна теплова потужність дуги , (Вт), визначається

(7.35)

де 0.24 – коефіцієнт, що зв’язує теплові та електричні

величини;

I – струм дуги, А;

U – напруга на дузі, В.

(7.36)

Ефективна теплова потужність дуги визначається

де η – ККД дуги;

q_u – кількість теплоти, яка поглинена металом та затрачена

на утворення зварного з’єднання.

7.4.2 Розрахункові схеми нагріву метала дугою

Електричну дугу у більшості випадків розглядають як:

а) точкове джерело;

б) лінійне джерело.

Розрізняють два випадки:

а) поверхнева дуга (рисунок 7.10);

б) занурена дуга (рисунок 7.10).

Зокрема, занурена дуга використовується при однопрохідному з повним проваром дуговому зварюванні пластин встик. По схемі поверхневої дуги використовується модель точкового джерела, а по схемі зануреної дуги - лінійного джерела. При наплавці валика на пластину можливі два варіанти:

а) точкове джерело, плоский шар (напівнескінченне тіло), якщо температура по перерізу наплавляємого метала поширюється нерівномірно;

б) лінійне джерело, пластина, якщо температура по товщині метала поширюється рівномірно.

Електрична дуга може розглядатися як:

а) миттєве джерело теплоти (постановка прихоплень, електро-заклепувань);

б) постійнодіюче джерело.

При ручному дуговому зварюванні електрична дуга розглядається як рухоме джерело теплоти, при автоматичному дуговому зварюванні – як швидкорухоме джерело теплоти. При виборі розрахункової схеми необхідно враховувати принцип місцевого впливу - форма і розміри джерела теплоти впливають на температурне поле в тілі тільки на відстані, співрозмірній з розміром самого джерела.

7.4.3 Поширення теплоти при наплавленні валика на масивне тіло

Задача. Розрахувати температуру в тілі при наплавленні валика на масивну плиту при ручному дуговому зварюванні.

Розрахункова схема: плита – масивне тіло (напівнескінченне тіло); джерело нагріва – точкове, рухоме, постійнодіюче, q =const.

З моменту початку наплавки розрізняють два етапи:

1. Теплонасичення. В перші моменти зварювання кількість теплоти, що поглинається тілом більше, ніж кількість теплоти, віддаваємої тілом у простір. Теплота від джерела поширюється вглиб тіла, нагріваючи його. На цьому етапі кількість введеної теплоти може бути недостатньою для прогріву зони зварювання і часто на початку зварного шва мають місце непровари.

(7.37)

2. Квазістаціонарний (граничний) стан – кількість теплоти, що введена у виріб дорівнює кількості теплоти, віддаваємої виробом у простір. Для граничного стану температура буде визначатися

(7.38)

Для нерухомого джерела

У такому випадку температура буде рівномірно поширюватися вглиб тіла від джерела. Ізотерми – концентричні кола.

Покажемо розподілення температури вздовж вісі х.

(7.39)

Із збільшенням швидкості зварювання вітка 1 буде становитися крутіше. Зміна швидкості не впливає на характер вітки 2. Для передньої вітки в точці А(x), R = x

(7.40)

Для задньої вітки в точці А(-х), R = -x

7.4.4 Розрахунок поширення теплоти при

однопрохідному зварюванні пластин встик

Зварюються дві пластини з повним проваром за один прохід.

Розрахункова схема: дуга – лінійне, рівномірнорозподілене по товщині вздовж вісі х джерело теплоти.

В точці О знаходиться рухома система координат, центр якої співпадає з джерелом теплоти. Температура по товщині залишається постійною, тому температурне поле не буде залежати від координати z. Температура в точці А буде визначатися координатами x та y, а також часом t на початковому етапі нагріву.

В стаціонарному (граничному) стані температурне поле переміщується разом з джерелом нагріву і залишається постійним, тобто не буде залежати від часу

(7.39)

де К_о (u) – функція Бесселя другого роду нульового порядку.

(7.40)

Аргумент u буде визначатися

де V – швидкість зварювання;

а – коефіцієнт температуропровідності, см² × с^-1;

(7.41)

b – коефіцієнт температуровіддачі, с^-1.

де – коефіцієнт поверхневої тепловіддачі, кал × (см² × с × ⁰С)^-1

(7.42)

.

Для визначення функції Бесселя визначають аргумент u і далі з таблиць вибирається значення К_о.

7.4.5 Нагрів потужним швидкорухомим джерелом

теплоти

7.4.5.1 Загальні зауваження

При пропорційному збільшенні потужності та швидкості зварювання (q/V = const) ізотерми (температурне поле на поверхні тіла) будуть витягуватися у довжину та становитися незначно ширшими, причому подовження ізотерм буде пропорційне зміні швидкості зварювання. При дуже великих швидкостях ізотерми стануть практично паралельними вісі шва. У данному випадку вважають, що теплота від джерела поширюється перпендикулярно до вісі шва і процес поширення тепла в тілі можна розглядати як суму окремих процесів, в межах кожного з яких температура поширюється в тонкому шарі dx, перпендикулярному до вісі шва.

7.4.5.2 Наплавка валика на масивне тіло потужним

швидкорухомим джерелом

Автоматичним дуговим зварюванням на масивне тіло наплавляється валик.

Розрахункова схема: масивне тіло вважається напівнескін-

ченим тілом. Дуга – потужне, швидкорухоме, точкове, постійнодіюче джерело теплоти (q→∞, V→∞, q/V = const).

(7.43)

Розіб’ємо напівнескінченне тіло на окремі нескінченно малі плоскі шари dx, кожний з яких буде поглинати кількість теплоти

dQ = q_u × dt = q_u × dx/V. Цю кількість теплоти можна вважати як лінійне, величиною dx, миттєве джерело теплоти. Температура в точці A(y,z) буде визначатися

(7.44)

Використовуючи вираз для а (7.41) та Q₁=q_u/V, отримаємо

(7.45)

Ця формула справедлива для нескінченого тіла. Для напівнескінченого тіла величина q_u повинна бути збільшена вдвічі

7.4.5.3 Автоматичне зварювання пластин з повним

проваром за один прохід потужним швидко-

рухомим джерелом теплоти

Зварюються дві пластини за один прохід автоматичним дуговим зварюванням.

Розрахункова схема: тіло, що зварюється, – пластина. Температура по товщині пластини постійна. Дуга – швидкорухоме постійно діюче плоске джерело теплоти.

(7.46)

Розіб´ємо пластину площинами, перпендикулярними вісі Ох на нескінчено малі ділянки dx. Вважається, що площини теплонепроникні. Кожний такий шар буде поглинати кількість теплоти dQ за час dt

(7.47)

Кількість теплоти від плоского джерела

Кожний нескінчено малий шар може бути представлений у вигляді стержня, в якому діє плоске джерело теплоти δ · dx. Температура в точці А(y) буде визначатися тільки координатою у

(7.48)

(7.49)

(7.50)

Остання формула передбачає, що між шарами теплообмін відсутній. Температура в заданій точці з урахуванням теплообміну буде визначатися як

де bt – враховує тепловіддачу від бокової поверхні

пластини.

7.4.5.4 Вплив режимів зварювання та теплофізичних

властивостей на температурне поле гранично-

го стану при наплавленні валика на пластину

На розподілення температури в тілі впливають: величина теплової потужності, швидкість зварювання, теплоємність і теплопровідність матеріалів, що зварюються. Вплив цих параметрів на температурне поле покажемо у вигляді ізотерм на поверхні тіла.

7.4.5.4.1 Вплив швидкості зварювання

При збільшенні швидкості зварювання (q = const) при наплавці валика на пластину, нехтуючи тепловіддачею з поверхні, довжина і ширина ізотерм змінюється оберненопропорційно швидкості зварювання. У випадку масивного тіла зі збільшенням швидкості зварювання в основному змінюється ширина ізотерм.

7.4.5.4.2 Вплив потужності

При збільшенні потужності джерела (при V=const) збільшується довжина і ширина ізотерм, причому, швидше ніж сама потужність (непропорційно). Більш усього змінюється довжина ізотерм (рисунок 7.17).

7.4.5.4.3 Вплив одночасної зміни швидкості

зварювання та потужності (q / V = const)

При одночасному збільшенні швидкості зварювання та потужності (при q_п = q/V = const) ізотермічні лінії переважно подовжуються, несуттєво збільшують свою ширину, прямуючи до де-якої межі (рисунок 7.18).

7.4.5.4.4 Вплив теплофізичних властивостей

Дата добавления: 2015-07-08