книги / Сварка и свариваемые материалы. Свариваемость материалов
.pdfгоемки по сравнению со сваркой плавлением. Немаловажно и то, что при сварке в твердом состоянии не требуется расходо вать энергию на расплавление металла, что экономит около 15—30 % энергии.
Г л а в а 2. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ (Шип В. В.)
2.1. Основные понятия
Температурное поле — это распределение температур в изде лии в конкретный момент времени. Температура является функ цией теплофизических констант материала, координат точки тела и времени.
Распределение температур может быть объемным Т = Т(х, у, z, (), плоским Т=Т(х, у, t), линейным Т—Т(х, t).
Процесс распространения теплоты при сварке разделяют на три стадии:
теплонасыщение, когда в температурном поле, перемещаю щемся вместе с источником нагрева, температура нарастает; предельное квазистационарное состояние, когда подвижное
температурное поле практически устанавливается; выравнивание температуры после окончания сварки. Термический цикл сварки T=T(t ) — зависимость темпера
туры от времени в некоторой точке изделия.
Изотермическая поверхность — выделенная на контуре или в объеме тела поверхность, образованная точками, имеющими одинаковую температуру в данный момент времени.
Изотерма — линия на поверхности или в сечении тела, со единяющая точки с одинаковой температурой.
Градиент температуры цтайТ = дТ/дп — векторная произ водная от температуры по направлению п, перпендикулярному к изотерме в данной точке.
Теплосодержание s (Дж/г) — удельное количество теплоты, сообщенное телу массой 1 г при нагреве его от температуры Т\ до температуры 7Y При технических расчетах теплосодержа ние тела отсчитывают от 273 К.
Истинная удельная массовая теплоемкость с (Дж/г-град) — количество теплоты, необходимое для изменения на 1 К темпе ратуры единицы массы тела.
Объемная теплоемкость ср (Дж/мм3 • град) — количество теплоты, необходимое для изменения на 1 К температуры еди ницы объема тела.
2.2. Схемы нагреваемого тела
Распространение теплоты существенно зависит от формы, раз меров свариваемой детали, а также от количества теплоты вво димой сварочным источником теплоты, т. е. от расчетной схемы
тела. Обычно при тепловых расчетах в зависимости от степени прогрева детали по толщине (в направлении оси Ог) выбирают одну из следующих основных схем.
Бесконечное тело. Если границы детали не влияют на рас пространение теплоты, ее при расчете можно заменить беско нечным телом неограниченной протяженности по всем трем осе вым направлениям: х, у, г.
Полубесконечное тело. Этой схеме соответствует массивная деталь е оДНой ограничивающей плоскостью z = 0. Остальные поверхности детали значительно удалены и не влияют на рас пространение теплоты. Схема используется при расчете темпе
ратур в случае |
наплавки валиков |
и укладки |
угловых |
швов |
с малым проплавлением на листах толщиной более 30 мм. |
||||
Бесконечная |
пластина — тело, |
ограниченное |
двумя |
парал |
лельными плоскостями: z= 0 и z = 6. Температура по толщине листа б распределена равномерно, и теплота распространяется только в плоскости хОу.
Схема соответствует случаю сварки пластины встык или укладки углового шва с полным проплавлением.
Полубесконечная пластина — тело, ограниченное двумя па раллельными плоскостями z=0, z= 6 и плоскостью у=0. Ос тальные условия такие же, как и у бесконечной пластины.
Схема применяется при расчете температур в конструктив ном элементе (стенке, ребре, накладке), привариваемом к пла стине угловым швом, а также в случае наплавки валика на то рец пластины.
Плоский слой — пластина, у которой температура точек по толщине не одинакова, а толщина тела не настолько велика, чтобы можно было пренебречь влиянием ограничивающей пло скости 2=6 и считать тело полубесконечным.
Бесконечный и полубесконечный стержни — тела, протя женные в одном направлении, с равномерным распределением температуры в пределах поперечного сечения. Схема использу ется в случае расчета температур при контактной стыковой сварке арматуры, стержней и т. п.
Кроме приведенных, при расчетах иногда используются и другие простейшие схемы.
2.3. Типы и тепловая эффективность источников нагрева
По времени действия различают источники мгновенные, выде ляющие теплоту за очень малый промежуток времени, и не прерывно действующие. Последние по расчетной схеме могут быть неподвижными, подвижными и быстро движущимися. Как правило, в случае ручной сварки и наплавки целесообразно ис пользовать схему подвижного источника, а в случае автомати ческой — быстродвижущегося.
В зависимости от размера зоны, в которой выделяется теп лота, различают источники сосредоточенные и распределенные. Сосредоточенные источники могут быть точечными (теплота выделяется в очень малом объеме), линейными (теплота выде ляется по линии) и плоскими (теплота выделяется в плоско сти).
В случае сварки углового шва на массивной детали или на плавки на нее для тепловых расчетов применяется схема то чечного источника на поверхности полубесконечного тела или плоского слоя. Если пластина сваривается стыковым или угло вым швом с полным или почти полным проплавлением, при меняют схему линейного источника в пластине (теплота вво дится равномерно по всей толщине вдоль условной линии). Для стыковой сварки стержней используют схему плоского источ ника (теплота выделяется в плоскости стыка).
Распределенные источники выделяют теплоту по какой-то поверхности (в пятне нагрева).или в некотором объеме детали,
причем |
интенсивность |
ввода |
теплоты |
(удельный тепловой |
по |
|
ток) |
в разных точках |
пятна |
нагрева |
неодинакова. В зависимо |
||
сти |
от |
закона распределения |
удельного теплового потока |
по |
пятну нагрева распределенные источники могут быть различ ными. Для лазерной, дуговой, плазменной или газовой сварки этот закон близок к закону нормального распределения, и ис точники теплоты называются нормальными. Если пятно нагрева имеет форму круга, то источник будет нормально круговым (ла зерная, дуговая, плазменная и газовая сварка); если же пятно нагрева имеет форму полосы, источник нормально полосовой (нагрев листа газовыми гребенками).
Эффективная тепловая мощность сварочного источника теп лоты, т. е. количество теплоты, вводимой при сварке источни ком в деталь в единицу времени, если известны параметры ре жима сварки, определяется по формуле
q = r\lU, |
(2 . 1) |
где I — сварочный ток; U — напряжение на дуге; т)— эффек тивный к. п. д. процесса нагрева.
Значения эффективного к. п. д. процесса нагрева для раз ных способов сварки приведены ниже:
Способ сварки
Ручная, электродами: плавящимися угольными
Под флюсом В защитном газе: Углекислом
Аргоне, электродом: вольфрамовым плавящимся . . .
Порошковой проволокой Газовым пламенем
я
0,7-0,85 0,5—0,7 0,8-0,95
о |
00 о 1 |
0,65-0,75
0,7-0,8 0,8—0,9 0,3—0,8
Способ сварки |
л |
|
Электрошлаковая: |
|
|
обычная |
при толщине |
|
листов, |
мм: |
0,55 |
50 |
|
|
100 |
|
0 ,8 |
200 |
|
0,9 |
С порошкообразным при |
||
садочным |
металлом |
при |
толщине листов, мм: |
0,75—0,8 |
|
50 |
|
|
100 |
|
0,9 |
Погонная энергия сварки, т. е. количество теплоты, вводи
мой на единицу длины шва, в этом случае находится из выра жения
Яп *=5qlv, |
(2.2) |
где v скорость сварки.
Есди режим сварки не известен, но задано поперечное сече ние наплавляемого за проход металла шва (стыкового или уг лового), погонную энергию можно получить из уравнения
Яп = QVF ш. |
(2.3) |
где Fu, — площадь поперечного сечения наплавленного |
металла |
шва, мм2; Qv — коэффициент, определяемый по табл. |
2 .1 . |
При сварке угловых соединений (тавровых, нахлесточных) часть погонной энергии, вводимая в свариваемый элемент, оп ределяется в зависимости от соотношения толщин. Так, в слу чае приварки угловым швом к пластине толщиной б конструк
тивного |
элемента |
толщиной |
бк погонная |
энергия, |
вводимая |
||
в пластину qa.n и в конструктивный |
элемент (ребро, стенку, |
||||||
накладку) qa.к, может быть вычислена по формулам: |
|||||||
Яп. п = |
26 |
|
|
|
|
|
(2.4) |
Яп |
К |
|
|
|
|
||
|
2 6 -f- 6 |
|
|
|
|
|
|
|
6к |
|
|
|
|
|
|
Яп. к —Яп 26 + 6к |
|
|
|
|
(2.5) |
||
Эффективная тепловая мощность в этих случаях определя |
|||||||
ется по аналогичным формулам: |
|
|
|
||||
|
26 |
|
|
|
|
|
(2.6) |
<7ПЛ =<? |
|
|
|
|
|
||
|
26+ 6К ’ |
|
|
|
|
|
|
Як = |
6К |
|
|
|
|
|
|
я 26 + 6К |
|
|
|
|
|
(2.7) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ТАБЛИЦА 2.1 |
|
ЗНАЧЕНИЯ Qv ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ СВАРКИ |
||||||
Способ сварки |
|
|
Сварочные материалы |
Qv, Дж/мм3 |
|||
Ручная электродуговая |
Электроды: |
|
|
65 |
|||
|
|
|
УОНИ — 13/45 |
|
|||
|
|
|
ЭА |
395/9, ЭА |
606/10, |
|
42 |
|
|
|
ЭА 400/10 |
|
|
46 |
|
|
|
|
ЭА 606/11, 48Н-1 |
|
|||
|
|
|
ЭА 981/15 |
|
|
48 |
|
Полуавтоматическая в С02 |
Проволока Св-08ГС |
|
38 |
||||
Автоматическая и полуавтома |
Проволока |
Св-08А, |
флюс |
65 |
|||
тическая под флюсом |
|
ОСЦ-45 |
|
|
71 |
||
|
|
|
Проволока Св10ГСМТ, флюс |
||||
|
|
|
АН-42 |
|
|
|
Формулы (2.4) —(2.7) дают наиболее точные результаты при 6/6к^1,7. Они справедливы для низкоуглеродистых, низколе гированных и аустенитных сталей, а также для титановых и алюминиевых сплавов толщиной примерно до 16 мм.
2.4. Тепловые процессы при дуговой сварке
2.4.1. Расчет температурного поля при однопроходной сварке н наплавке
При ручной сварке пластины с полным (или близким к пол ному) проплавлением применяют расчетную схему подвижного линейного источника теплоты в пластине.
Температура в точке на расстоянии г от источника равна
т |
‘"°№ к " (ir V ‘+ ^ ') • |
м |
где q — эффективная тепловая мощнрсть, |
определяемая по |
|
формуле |
(2 .1 ) для стыкового шва и по формуле (2 .6 ) для угло |
вого шва; К— коэффициент теплопроводности; а — коэффициент температуропроводности; Ь— коэффициент поверхностной температуроотдачи; Ко (и) — функция Бесселя нулевого порядка, бё-
рется |
по |
таблице |
в |
зависимости от |
величины |
аргумента и= |
= 2а |
аV/ |
1 + |
; |
х — расстояние |
вдоль оси |
Ох от источника |
до точки, берется со знаком плюс, если точка находится впереди источника, и со знаком минус, если точка — позади источника: x = ± vt\ здесь t — время, за которое источник проходит рас стояние X.
Коэффициент поверхностной температуроотдачи для пла стины
2а
Ь |
(2.9) |
срб ’ |
а — коэффициент |
где ср — удельная объемная теплоемкость; |
|
теплоотдачи. |
|
'Д ля ручной наплавки или сварки углового шва на массив ной детали применяется расчетная схема подвижного точечного источника теплоты на поверхности полубесконечного тела или плоского слоя.
Для |
схемы |
полубесконечного тела |
|
т = ^ |
й Г |
е~0,2а{К+х)' |
(2Л0) |
где q — часть эффективной мощности, вводимая в деталь; R — расстояние от источника до точки, в которой определяется тем пература (R2 — x2 + y2 + z2).
Для схем ы плоского слоя температуру определяют по фор муле
12И>
где т — коэффициент, учитывающий отражение тепла от по верхностей слоя, определяется по номограмме (рис. 2 .1 ).
Номограмма приведена
для расчета температуры |
в |
т |
точках поверхностей z = 0 |
и |
|
2 = 6 . |
|
|
Температуру точек бес конечного стержня сечени ем F от подвижного пло ского источника теплоты мощностью Я, перемещаю щегося вдоль стержня со скоростью о, определяют по формуле
г = . |
я |
exp X |
c p vF |
|
|
( vx |
P |*I . / , |
■ *ba ^ |
(2. 12)
г/
г,о |
|
is |
\г а |
\ |
|
(ЭиД |
о |
VgKJte* |
|
1,0
0 ,5
где x — расстояние |
от |
дви |
|
|
|
|
|
||
жущегося |
источника |
до |
|
|
|
|
|
||
точки, |
в которой определя |
О |
1 |
г |
з |
4 r/F |
|||
ется |
температура. |
Начало |
|
|
|
|
|
||
координат |
перемещается |
Рис. 2.1. Номограмма |
для |
определения ко |
|||||
вместе |
с |
источником |
теп |
|
|
эффициента т [2] |
|||
|
|
|
|
|
лоты.
Коэффициент поверхностной температуроотдачи с боковой поверхности стержня
6 = - ар |
(2.13) |
cpF |
|
где р — периметр сечения стержня. |
и (2.12) определяется |
По формулам (2.8), (2.10), (2.11) |
температура Тпр точек установившегося поля предельного со
стояния. |
поля в стадии тепло- |
Температуру T(t) точки подвижного |
|
насыщения рассчитывают по формуле |
|
r ( 0 = Y ( / ) r np. |
(2.14) |
где Ч ^ ) — коэффициент теплонасыщения, определяемый по
Выравнивание температуры после прекращения в момент времени t0 действия источника нагрева описывают наложением двух процессов: теплонасыщения Гист ( 0 от ус ловно продолжающего
действовать источника и теплонаеьндения T&t(t—
—to) от равного ему по мощности фиктивного стока теплоты q, начав шего действовать в мо мент to-
Для времени t> t0 в стадии выравнивания
Т(П = ТЦст(()-Т сг
(2.15)
Для автоматической сварки пластины с пол ным (или близким к пол ному) проплавлением ис пользуется расчетная схема мощного быстродвижущегося линейного источника теплоты в
пластине.
Температура в точке на расстоянии у от оси
шва |
определяется |
по _ |
„ |
F (z, t) |
|
, |
|
г |
Рис. 2.3. |
Номограмма для определения |
|
формуле |
|
|
[3] |
|
|
Т |
--------2---------- е-у'/ш-ы t |
|
6 |
||
|
|
v6 (4яХср< ), / 2 |
|
|
|
где t — время, отсчитываемое от момента, когда источник теп лоты пересек перпендикулярную к оси Ох плоскость, в кото рой расположена рассматриваемая точка.
Для автоматической наплавки или сварки углового шва на массивной детали применяется расчетная схема мощного быстродвижущегося точечного источника на поверхности полубесконечного тела или плоского слоя.
Т = --- i--- e-W’+ iW |
(2.17) |
|
2яhA |
|
|
В случае расчетной схемы плоского слоя |
|
|
Т = —-— F (г, |
t)---!— ё~1/чш-Ы' |
(2.18) |
обсР |
л /ш |
|
где F(z, t) — функция, учитывающая отражение тепла |
от по |
верхностей слоя, численное значение которой определяется по номограмме (рис. 2.3) в зависимости от отношения г/ 6 и без размерного времени x=at/62. При atf62>0,5 значение F(z, t) принимают равным 1 .
В |
формулах |
(2.16), |
(2.17) и (2.18) t — время, |
отсчитывае |
мое |
от момента, |
когда |
источник теплоты пересек |
плоскость, |
вкоторой расположена рассматриваемая точка.
2.4.2.Расчет параметров термического цикла сварки
Термический цикл сварки характеризуется следующими пара метрами: максимальная температура 7Т, скорости нагрева и охлаждения, длительность пребывания металла t„ выше задан ной температуры (рис. 2.4).
Структурное состояние металла в различных зонах свар ного соединения определяется такими параметрами термиче ского цикла, как Тт, tH (размер зерна), а также скоростью охлаждения до0 в интервале температур минимальной устойчи вости аустенита мартенситных сталей (степень закалки).
Если известна зависимость температуры |
от времени Т = |
= T(t) или от расстояния, например Т= Т(х), |
закономерность |
изменения максимальной температуры может быть определена из условия
дТШ= 0 |
или |
дТ/дх = 0. |
|
|
||
Для точечного источника теплоты на поверхности массив |
||||||
ного тела |
(2.17) получаем |
|
|
|||
Тт- Т |
н = ------(2.19) |
|
|
|
||
|
|
nevcpfQ |
|
|
|
|
Для линейного источника в пластине (2.16) |
|
|||||
7’т - Г „ = |
------ (l |
ьуУ \ |
(2. 20) |
|||
2а ) |
||||||
|
|
V2ле vcp6y% \ |
|
В формулах (2.19) и (2.30) Тн — начальная температура
изделия или температура предварительного подогрева рис. 2.4) и
^0 = ^ 0 + *0 -
Мгновенная скорость охлаждения ш0 при данной темпера туре является производной температуры по времени
W0= dT/dt.
Скорость охлаждения зависит от формы изделия, уменьша ется при увеличении эффективной погонной энергии q/v и тем-
Рис. 2.4. Термический цикл сварки |
Рис. 2.5. Номограмма |
для |
определения кри |
|
терия |
1/0 |
[2] |
пературы подогрева Т„, а также при уменьшении толщины
листа 6 .
При дуговой наплавке валика на массивное тело (2.17)
Wo= |
2 л к (Т — Т „ )2 |
(2.21) |
|
|
|
|
qlv |
|
При сварке листов встык или при наплавке валика на лист |
||
малой толщины (2.16) |
|
|
wa— — |
2лХср (Т — Г„)3 |
(2.22) |
- |
||
|
(q/vb)2 |
|
В случае расчетной схемы точечного источника на поверхно |
||
сти плоского слоя |
|
|
Wo — — ш 2пХ (Т — Г н) |
(2.23) |
|
|
qlvb |
(рис. 2.5) |
где (о — коэффициент, определяемый по номограмме |
||
в зависимости от величины критерия |
|
|
1 |
____ 2 ф _____ |
(2.24) |
0 |
ябаср (Г — Т„) |
|