Джерела нагрівання та
.pdfМІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ Національний технічний університет України
«К и ї в с ь к и й п о л і т е х н і ч н и й і н с т и т у т»
В. М. Коперсак
ТЕОРІЯ ПРОЦЕСІВ ЗВАРЮВАННЯ-1
Джерела нагрівання та
теплові процеси при зварюванні
ТЕКСТ ЛЕКЦІЙ
(Навчальне електронне видання)
Затверджено Методичною радою НТУУ «КПІ»
Київ 2011
В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні
Теорія процесів зварювання-1. Джерела нагрівання та теплові процеси при зварюванні. Текст лекцій / В.М. Коперсак, - К., 2011. – 384 с.
Текст лекцій призначено для студентів напряму підготовки 050504 «Зварювання» освітньо-професійних програм підготовки 05050401, 05050402, 05050403. Представлена тут перша частина охоплює питання фізичної суті зварювання, основи теорії джерел зварювального нагрівання; теплові процеси при зварюванні. Особлива увага приділена розгляду теоретичних аспектів фізичних процесів зварювальної дуги, плавлення та перенесення електродного металу, проплавлення основного металу при зварюванні. Текст насичено ілюстраціями, доповнено питаннями для самоперевірки, в додатках наведено всі необхідні дані для виконання самостійних та індивідуальних завдань, вирішення задач.
Рекомендується як допоміжний матеріал при вивченні дисципліни «Теорія процесів зварювання» студентам всіх форм навчання.
Гриф надано Методичною радою НТУУ «КПІ» Протокол № 5 від «18» січня 2011 р.
Відповідальний редактор – доц. О.А. Сливінський
Рецензенти: Бережний С.П., к.т.н., доц., ЗНТУ, м. Запоріжжя
Гончаров І.О. к.т.н., с.н.с., ІЕЗ ім. Є.О. Патона, м. Київ
2
В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні
ЗМІСТ |
|
|
|
ФІЗИЧНА СУТЬ ЗВАРЮВАННЯ....................................................................................... |
|
|
8 |
ДЖЕРЕЛА ЗВАРЮВАЛЬНОГО НАГРІВАННЯ........................................................... |
|
16 |
|
Загальні характеристики джерел зварювального нагрівання........................... |
|
16 |
|
Баланс енергій зварювального процесу.................................................................. |
|
17 |
|
Ефективність зварювальних джерел нагрівання................................................. |
|
19 |
|
Концентрація енергії та потужність зварювальних джерел нагріван.ня........ |
23 |
||
ЕЛЕКТРИЧНА ЗВАРЮВАЛЬНА ДУГА………………….……………...…………….26 |
|
|
|
Загальні положення…………………………………..……………………………...26 |
|
|
|
БУДОВА ЕЛЕКТРИЧНОЇ ДУГИ……………………………… |
..………………… |
.………..28 |
|
Розподіл падіння напруги в дузі……………………………………………..…….28 |
|
|
|
Загальна характеристика фізичних процесів у дузі…………………………….30 |
|
|
|
Види зварювальних дуг та їх класифікації………………………………………32 |
|
|
|
Енергетична ємність різних областей дуги……………………………………… |
|
33 |
|
ФІЗИЧНІ ПРОЦЕСИ В КАТОДНІЙ ОБЛАСТІ ДУГИ……………………………….………...33 |
|
|
|
Про об’ємний позитивний заряд катодної області………………………………34 |
|
|
|
Катодна емісія……………………………………………………………...………...38 |
|
|
|
Термоелектронна емісія (гіпотеза)………………………………………………...41 |
|
|
|
Про ефект Шотткі……………………………………………………………………44 |
|
|
|
Автоелектронна (електростатична) емісія ( гіпотеза)……………….………….47 |
|
|
|
Фотоемісія………………………………………………………………….…………50 |
|
|
|
Вторинна електронна емісія…………………………………………….………….52 |
|
|
|
Аналіз електростатичної гіпотези (теорії автоелектронної емісії Ленгмюра) |
|||
С. Мак-Коуном…………………………………………………………….…………54 |
|
|
|
Аналіз електростатичної гіпотези Ленгмюра Й. Слєпяном……….…………...58 |
|
|
|
Плівкові й оксидні, гарячі та холодні катоди………………………….………...60 |
|
|
|
ФІЗИЧНІ ПРОЦЕСИ В СТОВПІ ДУГИ………………………………………………..……..67 |
|
|
|
Іонізація газів дугового проміжку…………………………………………..……..69 |
|
|
|
Іонізація зіткненням……………………………………………………..……….70 |
|
|
|
Фотоіонізація…………………………………………………………….…….….71 |
|
|
|
Термічна іонізація……………………………………………………….……….73 |
|
|
|
Поняття про ступінь іонізації…………………………………………..……….74 |
|
|
|
Метод обчислення ступеню іонізації М.Н. Сага……………………..….……….75 |
|
|
|
Метод обчислення ступеню іонізації В.І. Дятлова……….….……….………….82 |
|
|
|
Іонізація суміші газів…………………………………………………….………….87 |
|
|
|
Перенесення струму в стовпі зварювальної дуги…………………….…………90 |
|
|
|
Про дрейф заряджених часток в дузі…………………………………..………91 |
|
|
|
Густина струму в стовпі дуги…… |
……………………………………..……….94 |
|
|
Про каналову модель дуги К.К. Хрєнова……………………………..……….98 |
|
|
|
ФІЗИЧНІ ПРОЦЕСИ В АНОДНІЙ ОБЛАСТІ………………………………………...………99 |
|
|
3
В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні
ВОЛЬТ-АМПЕРНА ХАРАКТЕРИСТИКА ВІЛЬНОЇ ДУГИ……………………………….….100
Вольт-амперна характеристика стовпа дуги……………………………….…..101 Принцип мінімуму Штейнбека…………………………………………….….106
Про температуру стовпа дуги…………………………………………….……108
Спрощена форма запису вольт-амперної характеристики дуги…….……110
Про радіус стовпа дуги……………………………………………………….…112
Вольт-амперна характеристика катодної області…………………….….…….114
Загальна вольт-амперна характеристика вільної дуги…………….…………115
СТИСНЕНА ДУГА…………………………………………………………………..…….117
Принципи і способи отримання стисненої дуги……………………….……….117
Вольт-амперна характеристика стисненої дуги…………………………….….120
Про температуру стовпа стисненої дуги…………………………………….…..123
ЗАГАЛЬНА ВОЛЬТ-АМПЕРНА ХАРАКТЕРИСТИКА ЗВАРЮВАЛЬНИХ
«МЕТАЛЕВИХ» ДУГ…………………………………………………………………..…..125
БАЛАНС ЕНЕРГІЇ В ОБЛАСТЯХ ЗВАРЮВАЛЬНОЇ ДУГИ……………………………..…...126
Баланс енергії в стовпі дуги…………… …………………………………..…..128 Баланс енергії на катоді……………………………………………………..….129
Баланс енергії на аноді…………………………………………………….……130
ОСОБЛИВОСТІ ГОРІННЯ ДУГИ ЗМІННОГО СТРУМУ………………………………..…..131
Пік запалювання дуги…………………………………………………….….…132
Вентильний ефект………………… ………………………………………….…134
Осцилограми коротких замикань при переносі електродного металу…..137
МАГНІТОГІДРОДИНАМІЧНІ ЯВИЩА В ЗВАРЮВАЛЬНІЙ ДУЗІ……………………….….138
Про доцентрову магнітну силу і пінч-ефект……………………………………139
Взаємодія магнітних полів дуги та зварювального контуру…………………145
Магнітне дуття…………………………………………………………………..145
Вплив феромагнітних мас на дугу…………………………………………….146
Вплив на дугу зовнішнього магнітного поля………………………………..146
Обертальна дуга…………………………………………………………….………148
ПРИНЦИП САМОРЕГУЛЮВАННЯ ДУГОВОГО ЗВАРЮВАННЯ……………………….…..150
ТЕПЛОВІ ПРОЦЕСИ ПРИ ЗВАРЮВАННІ ………………………………………….160
Поняття температури, градієнту температур, теплового потоку,
теплопередачі……………………………………………………………………….160
Температура і тепловий потік, передача теплоти……………………………..160 Конвекція (конвекційний теплообмін)………………………………………….162
Радіація (променевий теплообмін, випромінювання)…………………………163
Теплопровідність…………………………………………………………………...167 Температурні поля…………………………………………………………………169
ДИФЕРЕНЦІЙНЕ РІВНЯННЯ ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ…………………….…… …………..171
Вивід диференційного рівняння теплопровідності…………….………………171
Часткові випадки диференційного рівняння теплопровідності……...………177
4
В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні
Нестаціонарні часткові випадки………………………………………………177
Стаціонарні часткові випадки…………………………………...……………178
Методи вирішення диференційного рівняння теплопровідності……….……180
МЕТОД ДЖЕРЕЛ ПРИ ОБЧИСЛЕННІ ТЕМПЕРАТУРНИХ ПОЛІВ……………….………...181
Схематизація тіл, які нагріваються……………………………………….……..182 Схематизація джерел зварювального нагрівання……………….…………….182
Крайові умови……… ………………………………………………….…….……..183 Вільне охолодження…………………………………………………….………….186
Вільне охолодження пластини………………………………………………...186 Вільне охолодження стержня……………………………………….…………189
ПРИКЛАДИ АНАЛІТИЧНИХ РІШЕНЬ ДИФЕРЕНЦІЙНОГО РІВНЯННЯ
ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ………………… ………………………………………………….192
Миттєве точкове джерело тепла в необмеженому тілі………………………..192 Миттєве лінійне джерело тепла в необмеженому тілі…………………………196
Миттєве плоске джерело тепла в необмеженому тілі………………....……….201
ПРИНЦИП НАКЛАДЕННЯ (СУПЕРПОЗИЦІЇ) В ТЕПЛОВИХ РОЗРАХУНКАХ……….……..204
РОЗПОВСЮДЖЕННЯ ТЕПЛА В ОБМЕЖЕНИХ ТІЛАХ……………………………….……206
Напівобмежене тіло з адіабатичною граничною поверхнею…………………206
Напівобмежене тіло з ізотермічною граничною поверхнею………………….210
Безперервнодіючі (тривалодіючі) зосереджені джерела тепла……………….212
ТИПОВІ СХЕМИ РОЗРАХУНКІВ НАГРІВАННЯ МЕТАЛУ ПРИ ЗВАРЮВАННІ……….…….214
Рухоме точкове джерело тепла на поверхні напівобмеженого тіла з |
|
адіабатичною границею (Схема РТД).................................................................. |
215 |
Аналіз схеми розрахунків рухомого точкового джерела тепла на |
|
поверхні напівобмеженого тіла з адіабатичною границею (РТД)….……..215 |
|
Рухоме лінійне джерело тепла в необмеженій пластині з тепловіддачею |
|
(Схема РЛД)………………………………………………………………….……...222 |
|
Аналіз схеми розрахунків рухомого лінійного джерела тепла |
|
в пластині з тепловіддачею (РЛД)……………………………………….……227 |
|
Потужне швидкодіюче (швидкорухоме) точкове джерело тепла на поверхні |
|
напівобмеженого тіла з адіабатичною границею (Схема ПШТД)…………...228 |
|
Аналіз схеми розрахунків потужного швидкодіючого точкового джерела |
|
тепла на поверхні напівобмеженого тіла з адіабатичною |
|
границею (ПШТД)………………………………………………………………231 |
|
Потужне швидкодіюче лінійне джерело тепла в пластині з тепловіддачею |
|
(Схема ПШЛД)…………………………………………………………… |
….……..234 |
Аналіз схеми розрахунків потужного швидкодіючого лінійного |
|
джерела тепла в пластині з тепловіддачею (ПШЛД)………………………238 |
|
СПЕЦІАЛЬНІ СХЕМИ РОЗРАХУНКІВ НАГРІВАННЯ МЕТАЛУ ПРИ ЗВАРЮВАННІ……..…240 |
|
Рух джерела тепла поблизу краю тіла………………………...............................241 |
|
Нагрівання двох вузьких пластин рухомим джерелом…………………….…242 |
|
5
В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні
Нагрівання рухомим джерелом від краю тіла…………………………….……243
Рухоме точкове джерело тепла на поверхні пластини………………………...244 Потужне швидкодіюче точкове джерело тепла на поверхні пластини……...246
ВИБІР СХЕМИ РОЗРАХУНКІВ ТЕМПЕРАТУРНИХ ПОЛІВ ПРИ ЗВАРЮВАННІ…………....248
НАГРІВАННЯ ОСНОВНОГО МЕТАЛУ ПРИ ЗВАРЮВАННІ……………………251
ПЕРІОДИ ТЕПЛОНАСИЧЕННЯ ТА ВИРІВНЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРИ…………………...251
Період теплонасичення………………………………………………………...….251
Вплив параметрів процесу на період теплонасичення…………………….….255
Період вирівнювання температури………………………………………….…..256
ВПЛИВ ПАРАМЕТРІВ РЕЖИМУ ДЖЕРЕЛА ТЕПЛА І ТЕПЛОФІЗИЧНИХ
ВЛАСТИВОСТЕЙ ЗВАРЮВАНОГО МЕТАЛУ НА ТЕМПЕРАТУРНІ ПОЛЯ…………………257
ОБЧИСЛЕННЯ РОЗМІРІВ ДІЛЯНОК, ЯКІ НАГРІВАЮТЬСЯ ДО ЗАДАНИХ ТЕМПЕРАТУР...259
Малопотужне наплавлення на масивне тіло…………………………………...259 Малопотужне зварювання пластин з повним проваром……………………...260 Потужне наплавлення на масивне тіло…………………………………………260
Потужне зварювання пластин з повним проваром……………………………261
ТЕРМІЧНИЙ ЦИКЛ ОДНОПРОХІДНОГО ЗВАРЮВАННЯ…………………………………262
Параметри термічного циклу зварювання……………………………………..262
Максимальні температури………………………………………………………..263
Максимальні температури в схемах розрахунків рухомих джерела тепла………………………………………………………………………………264
Максимальні температури в схемах розрахунків потужних швидкодіючих джерел тепла…………………………………………………..264
Миттєва швидкість охолодження при заданій температурі………………….267
Швидкість охолодження при потужному наплавленні на масивне тіло (ПШТД)……………………………………………………………………...268
Швидкість охолодження при потужному зварюванні пластин за один прохід (ПШЛД)…………………………………………………………………..270
ПРОПЛАВЛЕННЯ ОСНОВНОГО МЕТАЛУ ЗВАРЮВАЛЬНОЮ ДУГОЮ….…272 Показники і характеристики проплавлення……………………….…………..272 Параметри проплавлення при малопотужному наплавленні і зварюванні масивних виробів…………………………………………………………….……..274
Параметри проплавлення при малопотужному зварювання пластин за один прохід…………………………………………………………….…………276
Параметри проплавлення при потужному наплавленні і зварюванні масивних тіл…………………………………………………………….…………..278
Параметри проплавлення при потужному зварюванні пластин за один прохід…………………………………………………………………………….…..281
ТЕПЛОВА ЕФЕКТИВНІСТЬ ПРОЦЕСУ ПРОПЛАВЛЕННЯ………………… ……..……….284
Теплова ефективність процесу проплавлення при потужному наплавленні на масивне тіло (схема ПШТД)…………………………………………………...284
6
В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні
Теплова ефективність процесу проплавлення при потужному зварюванні пластин за один прохід (схема ПЛШД)………………………………………….288
ОБ’ЄМ ТА СЕРЕДНЯ ТЕМПЕРАТУРА ЗВАРЮВАЛЬНОЇ ВАННИ………………………….289
Про об’єм зварювальної ванни…………………………………………………...289
Про середню температуру зварювальної ванни………………………………..289 НАГРІВАНЯ І ПЛАВЛЕННЯ ПРИСАДКОВОГО МЕТАЛУ………………………303
Стержень обмеженої довжини з фіксованим струмопідводом………………..303 Стержень необмеженої довжини, який рухається відносно точки підведення струму…………………………………………………………………..308
ПЕРЕНЕСЕННЯ ЕЛЕКТРОДНОГО МЕТАЛУ В ДУЗІ………………………….....313
Загальні положення………………………………………………………………...313
Види переносу електродного металу……………………………………………..314 Про сили, які діють на краплю електродного металу…………………………318
Формування різних типів переносу як результат рівноваги сил, що діють на краплю……………………………………………………………………………332
Особливості переносу електродного металу при різних способах зварювання………………………………………………………………………….338
Методи управління переносом електродного металу…………………………347
ПИТАННЯ ДЛЯ САМОПЕРЕВІРКИ………………………………………………….354
РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА…………………………………………………...370
ДОДАТКИ…………………………… ……………………………………………………371
Додаток 1 Єдина система одиниць (SI)…………………………………………..371 Додаток 2 Фізичні константи і постійні величини…………………………….372
Додаток 3 Теплофізичні властивості деяких матеріалів……………………...373 Додаток 4 Ефективний коефіцієнт корисної дії зварювальної дуги η……..373
Додаток 5 Обчислення функції Бесселя другого роду нульового порядку…374 Додаток 6 Значення функції Бесселя другого роду нульового порядку…….375 Додаток 7 Номограми для обчислення ширини зони, яка нагрівається вище заданої температури……………………………………………………...…379
Додаток 8 Номограми для обчислення температур в період неусталеного температурного поля (режим теплонасичення)…………………………….….380
Додаток 9 Значення фізичних величин елементів періодичної системи Д.І. Менделєєва……………………………………………………………………..383
7
В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні
ФІЗИЧНА СУТЬ ЗВАРЮВАННЯ
Зварювання це такий спосіб нероз’ємного з’єднання деталей, при якому зчеплення виникає між частками з’єднуваних поверхонь і в місці з’єднання відсутні поверхні розділу.
Це означає, що між частками (атомами чи молекулами), які складають з’єднувані тіла, повинні встановитись, відповідно, міжатомні або міжмолекулярні зв’язки, причому, таким чином, щоб поверхні розділу зникли (перестали бути об’єктивно спостережуваними).
Для виникнення сил міжатомного (міжмолекулярного) зчеплення необхідно виконати певні умови:
а) поверхневі частки повинні бути зближені на відстань, порівняну з відстанями між частками з’єднуваних тіл {для металів це параметр кристалічної ґратки ( a ≈ b , див. рис. нижче)};
б) поверхневі частки (атоми, молекули) повинні бути активовані: їм необхідно надати енергію, яка компенсує поверхневий натяг.
Про поверхневий натяг: відповідно до сучасних уявлень про будову речовини будь-яке конденсоване тіло (тверде чи рідке) є система атомів або молекул, пов’язаних між собою відповідними силами (міжатомними або міжмолекулярними). Ці сили є результат взаємодії електронних оболонок часток, які складають конденсоване тіло. Для всіх часток, крім поверхневих, сили взаємодії з іншими частками взаємно врівноважені (наприклад, частка 1, на рис. нижче, (б)). В іншому випадку – на поверхні тіла – ( наприклад, частка 2, рис. (б)) поверхневі частки не знаходяться в рівновазі. Вони є ніби втягнутими всередину тіла іншими частками через не симетрію зв’язків.
Так формуються поверхні, які відділяють одні тіла від інших. Поверхневі частки можуть вступати у взаємодію з іншими частками речовин, які
8
В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні
контактують з поверхнею, не втрачаючи своїх зв’язків з рештою часток (це такі явища як: адсорбція, змочування, адгезія).
Зварюванню підлягають, зазвичай, метали або їх сплави. Металам, як і їх сплавам, притаманна кристалічна будова – деяка впорядкована у просторі структура розташування часток речовини. У металів ці частки – іони – це атоми, позбавлені зовнішніх валентних електронів. Вони розташовуються у вузлах кристалічної ґратки таким чином і на такій відстані один від одного, як це визначається умовами рівноваги сил взаємного тяжіння та відштовхування, а валентні електрони – « усуспільнені» – вони знаходяться в безладному хаотичному тепловому русі між іонами, утворюючи так званий «електронний газ».
Таким чином, кожний поверхневий іон виявляється ніби втягнутим всередину (знаходиться в потенціальній ямі). Для можливості взаємодії з іншими частками його потрібно визволити з потенціальної ями, іншими словами – активувати: надати енергію, яка компенсувала б втрачені зв’язки.
Крім того, поверхні з’єднуваних деталей ніколи не бувають ідеально гладенькими і чистими (див. рис. вище (а)). Насправді, вони завжди мають деякі нерівності (макронерівності, шорсткість, мікронерівності), а також сторонні домішки: адсорбовані атоми, продукти окислення, інші забруднення. Для встановлення сил міжатомних (міжмолекулярних) взаємодій ці нерівності необхідно подолати, сторонні домішки видалити і зблизити по-
9
В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні
верхневі частки з’єднуваних тіл на відстань (b ), сумірну з параметром кристалічної ґратки ( a ): a ≈ b . Все це потребує виконання певної роботи – енергетичних витрат.
Таким чином, для виникнення взаємодії між частками з’єднуваних поверхонь потрібно подолати значний енергетичний бар’єр.
Урідин з’єднання поверхневих атомів або молекул легко досягається за рахунок рухомості часток і змочування (окремі краплини рідини легко об’єднуються в одну).
Утвердих тіл з’єднання поверхневих атомів чи молекул потребує значних енергетичних витрат, а також часто-густо застосування додаткових речовин.
Ґрунтуючись на наведених судженнях, можна дати таке визначення зварюванню, як термодинамічному процесу:
зварювання – це процес одержання нероз’ємного з’єднання шля-
хом введення і термодинамічно незворотного перетворення енергії і ре-
човини в місці з’єднання таким чином, що між з’єднуваними деталями
зникають поверхні розділу – утворюється моноліт.
Труднощі з’єднання твердих тіл долаються спеціальними прийомами, якими активують поверхневі атоми.
1. Активація поверхневих атомів шляхом створення прошарку рідини між з’єднуваними поверхнями. Це може бути:
а) додаткова рідина (використовується при паянні, склеюванні) – поверхня розділу при цьому зберігається, тому з’єднання не є зварним у повному розумінні цього терміну.
б) розплавлення поверхонь і взаємодія двох рідин з наступним затвердінням зони взаємодії – поверхня розділу при цьому
10