О схематизации процесса распространения тепла при сварке и целях расчета температуры

Теплота, вводимая источником для нагрева свариваемых участков поверхностей заготовок, распространяется по объему заготовок. Процессы нагрева и охлаждения металла обусловлены:

- выделением теплоты источником;

- распространением теплоты в ванне расплавленного металла, главным образом вследствие конвективного теплообмена, вынужденного дутьем дуги или пламени;

- расходом теплоты на нагрев и расплавление присадочного металла или металла плавящегося электрода;

- распространением теплоты в массу нерасплавленного металла заготовок посредством теплопроводности;

- потерей тепла через поверхность металла в окружающую среду вследствие лучистого и конвективного теплообмена и в соприкасающиеся с заготовками твердые тела посредством теплопроводности.

Описание процессов распространения тепла непосредственно в области действия источников теплоты нередко связано с определенными трудностями. В связи с этим, как правило, ограничиваются анализом температурных полей в некоторой удаленной от источника области или схематизируют сам источник.

Для описания процессов распространения тепла в удаленной от источника области рассматривают источники: точечный, линейный, плоский, иногда – объемный.

Температура от мгновенного точечного источника теплоты, вспыхнувшего в стержне в момент времени t=0 в точке х=x, описывается функцией [4]:

, (4.7)

здесь Q – количество выделившейся теплоты.

Эту же функцию можно рассматривать как температуру от мгновенного плоского источника, вспыхнувшего в неограниченном теле. В этом случае Q – означает количество теплоты, приходящееся на единицу площади поверхности источника.

Температура от точечного источника, вспыхнувшего в начале координат в неограниченном теле, описывается функцией [8]:

, (4.8)

где -квадрат расстояния от источника тепла (от начала координат О) до точки А.

Тепло от мгновенного линейного источника, совпадающего с осью OZ (или от точечного источника на плоскости) описывается функцией [8]:

, (4.9)

где - квадрат расстояния от источника тепла (от оси OZ) до рассматриваемой точки А.

В зависимости от наличия или отсутствия перемещения источника относительно свариваемых заготовок различают неподвижные и движущиеся источники тепла.

Для движущихся источников тепла координату источника задают в виде функции: , отрезок времени действия источника разбивают на элементарные интервалы и считают, что в каждый из этих интервалов в точке с абсциссой вспыхнул мгновенный точечный источник. Результатом действия элементарного точечного источника является приращения температуры . При этом температура от движущегося источника определится суперпозицией температурных полей от элементарных источников теплоты[8]:

(4.10)

Температурные поля в заготовках рассматривают как одномерные (в стержнях), плоские (в пластинах), объемные (в неограниченных телах), а в зависимости от степени изменения температурного поля во времени: нестационарные или установившиеся (предельные состояния температурного поля).

Рассчитанные с учетом такой схематизации температуры металла при сварке хорошо согласуются с температурами, измеренными экспериментальными методами (например, оптическими пирометрами, термопарами и др.)

Теория распространения тепла от неподвижных и движущихся источников позволила оценить эффективность проплавления основного металла и металла электрода или присадочных прутков, интенсивность теплоотвода в свариваемые заготовки, производительность сварки. Кроме того, она дала возможность изучить процессы, протекающие в области низких температур (до 800 -1000 °С для стали) и наметить пути управления ими. Это позволило предсказывать характер структурных изменений металла при охлаждении в удаленных от источника тепла слоях зоны термического влияния (например, распад аустенита при сварке низколегированной конструкционной стали), а также характер температурного деформирования и накапливания местных пластических деформаций, ведущего к развитию внутренних остаточных напряжений и деформаций в сварном изделии и к образованию холодных или горячих трещин.

Температурный режим при сварке является важнейшим физическим ограничением и необходимым условием осуществления процесса сварки. Нарушение рационального температурного режима приводит к резкому снижению качества сварного соединения или вообще к невозможности выполнения сварки. Температура является важнейшим критерием для назначения мощности источника тепла, необходимой для сварки, для определения скоростей перемещения источника и подачи электрода в зону сварки, для определения рационального времени действия источников (например, количества и времени действия импульсов тока при контактной сварке). Для решения этих прикладных задач необходимо рассчитывать температуры и тепловые потоки для различных способов сварки. Эти задачи эффективно решались акад. Н.Н.Рыкалиным [8] и др. на основе схематизации, которая будет охарактеризована ниже.