Файл: Талыпов Г.Б. Сварочные деформации и напряжения.pdf

менительно к которым теория сварочных тепловых процессов не разработана [105, 115] и требует дальнейших усилий исследова­ телей.

В последующем будем рассматривать электродуговую сварку, имеющую наибольшее применение на практике.

При сварке неплавящимся (угольным) электродом на нагрев изделия расходуется тепло, выделяемое на анодном пятне (при прямой полярности тока), и тепло, передающееся на изделие от столба дуги путем теплообмена. Причем температура анодного пятна при сварке стали доходит до 3000—4000° С, т. е. до ее тем­ пературы кипения. При сварке плавящимся электродом кроме указанного на изделие передается тепло вместе с каплями рас­ плавленного металла электрода. Количество тепла, расходуемое электрической дугой на нагрев изделия в единицу времени, опре­ деляется формулой

q = 0,24т] VJ

и называется эффективной тепловой мощностью дуги. В этой формуле V — напряжение на дуге, которое в зависимости от со­ четания материала электрода с атмосферой дуги колеблется от 15 до 150 в; J — сила сварочного тока, изменяющаяся в широких пределах (от 10 до 4000 и более ампер); г) — эффективный коэффи­ циент полезного действия процесса нагрева изделия дугой, ко­ торый в зависимости от свойств металла и способа сварки колеб­ лется в пределах от 0,5 до 0,85 (см. РТМ РС-707—67).

Скорость v основного перемещения дуги при сварке стали ко­ леблется в широких пределах — до 20 міч при ручной сварке, до 200 мін при автоматической сварке угольным электродом с раз­ дельным процессом плавления.

в изделие в единицу времени, практически остается постоянным. При сварке электрической дугой имеет место высокая кон­ центрация тепла, которое вводится в изделие в основном через анодное пятно при прямой полярности тока и катодное пятно при обратной. Наибольший диаметр анодного пятна при силе тока 4000 а и ее плотности 10 а/мм2 равен 22,5 мм, а наибольший диа­ метр катодного пятна при плотности тока 20 а/'мм2 равен 16 мм. При силе тока 200—300 а диаметр анодного пятна не превышает

6 мм [103, 104].

Таким образом, при сварке приходится иметь дело с неподвиж­ ным или подвижным сосредоточенным источником тепла большой мощности. Характер температурного поля, создаваемого источ­ ником, зависит от формы и размеров свариваемых элементов, мощности источника и скорости его перемещения, от свойств ос­ новного металла и металла электрода. Решающее влияние на характер температурного поля оказывают форма и размеры сва­ риваемых элементов. В зависимости от этого температурное поле может быть пространственным, плоским и линейным. Простран-

18

ственное температурное поле возникает при сварке толстых плит, плоское — при сварке тонких пластин и оболочек, линейное — при сварке встык тонких стержней. Так как электрическая дуга представляет собой резко сосредоточенный источник тепла, то для изучения температурного поля сварки используют [103] модель бесконечного тела с точечным источником, бесконечной пластины с линейным источником и бесконечно длинного тонкого стержня

сплоским источником.

5.ИСТОЧНИКИ МГНОВЕННОГО ДЕЙСТВИЯ

Точечный источник мгновенного действия

В бесконечно малую прямоугольную призму с ребрами dx, dy, dz бесконечно большого термически изотропного теплопроводящего тела в момент времени t = 0 введем Q калорий тепла. При этом температура этой призмы в тот же момент определится фор­ мулой

в начальный момент t = 0 бесконечно велика, а температура во всех других точках тела вне источника в тот же момент равна нулю. Так как для неограниченного тела граничные условия отсутствуют, то, начиная с этого момента, тепло в силу теплопро­ водности постепенно распространится по всему телу, причем температура будет определяться из уравнения теплопроводности Фурье

К — коэффициент теплопроводности в кал/см-сек-°С. Коэффициенты с, X, у вместе с изменением температуры при

сварке изменяются в достаточно широких пределах [103, 130]. С целью упрощения решения задачи эти коэффициенты принимают постоянными, равными их средним значениям в рассматриваемом интервале температур [103]. При этих условиях нетрудно убе­ диться простой подстановкой, что частным решением дифферен­ циального уравнения (2.2) при начальном условии (2.1) будет:

Этот результат позволяет сделать следующие выводы.

отлична от нуля и с течением времени уменьшается по закону Г " т . оставаясь выше температур других точек тела.

Вместе с удалением от источника температура понижается по

закону нормального распределения е ш . Изотермическими по­ верхностями являются сферы с центром в источнике и темпера­ турное поле в данный момент времени зависит лишь от радиуса.

Температура в любой точке вне источника сначала возрастает, а затем убывает. Момент достижения максимального значения температуры в данной точке найдется из условия

дТ

0t = ° .

которое дает

R2 max 6а

п, следовательно,

Чем ближе рассматриваемая точка к источнику, тем выше 7г а а х . Отметим, что при изучении температурного поля сварки изде­ лий значительной толщины используется модель полубесконеч­ ного теплопроводящего тела и температурное поле (2.3) мгновен­

ного точечного источника.

Линейный источник мгновенного действия

В линейный элемент теплопроводящего тела, имеющий форму бесконечно длинной призмы с бесконечно малым основанием dxdy, в начальный момент времени t = 0 внесем тепло, распределенное равномерно по длине этой призмы с интенсивностью Qj в кал/см. Температурное поле, получающееся от действия мгновенного линейного источника, в силу линейности задачи можно получить наложением температурных полей бесконечного числа мгновенных точечных источников, распределенных вдоль оси z, совпадающей с осью призмы, и вносящих в элемент длиной dz тепло

к ' J cy(4natfj2

или

Этот результат позволяет сделать следующие выводы:

а) температурное поле мгновенного линейного источника в дан­

и его изотермические поверхности — круговые цилиндры, ось которых совпадает с осью источника;

б) максимальная в данной точке температура имеет место в мо­ мент времени, определяемый из условия

- ^ - = 0

ді '

которое дает

при этом имеем