Раздел III. ТЕПЛОВЫЕ ОСНОВЫ СВАРКИ

НАЗАД: 2.2.6. Управляемые формы переноса электродного металла

3.1. Основные теплофизические величины, понятия и определения

Большинство сварочных процессов сопровождается нагревом металла до пластического состояния или до расплавления. Каждая точка сварного соединения испытывает определенный термический цикл, связанный с нагревом и последующим охлаждением. Распределение максимальных температур и характер термического цикла для точек поперечного сечения сварного соединения представлены на рис. 26. Термический цикл – это изменение температуры какой-либо точки сварного соединения во времени.

а б

Рис. 26. Распределение максимальных температур в поперечном сечении сварного соединения (а) и термические циклы его точек (б)

В результате нагрева и охлаждения в металле сварного соединения происходят следующие процессы:

- фазовые превращения – плавление и кристаллизация металла;

- физико-химические реакции и металлургические процессы;

- структурные изменения;

- объемные изменения, ведущие к появлению остаточных напряжений и деформаций.

Тепловые процессы определяют:

- скорость нагрева и расплавления металла, т.е. производительность процесса сварки, его технико-экономические показатели;

- эксплуатационные (прежде всего механические) свойства сварного соединения.

Характер нагрева и охлаждения определяют следующие факторы:

- степень теплового воздействия источника тепла;

- теплофизические свойства металла;

- геометрические формы изделия;

- общие законы теплопроводности;

- теплоотдача в окружающую среду.

Тепловые основы сварки рассматривают:

- процессы распространения тепла в теле при нагреве металла различными источниками тепла;

- влияние распределения тепла на процессы плавления электродов и основного металла, а также на термический цикл и возникающие в шве и основном металле структурные и объемные изменения.

При непрерывном нагреве твердого тела тепло передается от более нагретого участка к менее нагретому за счет теплопроводности. Эта теплопередача подчиняется закону теплопроводности Фурье: «Максимальный удельный тепловой поток пропорционален нормальному градиенту температур». Математически закон имеет вид:

(3.1)

где q – удельный тепловой поток, Дж/см²×с;

l – коэффициент теплопроводности, Дж/см×с×К;

– градиент температуры (падение температуры) по направлению нормали к изотермической поверхности.

С любого нагретого тела осуществляется теплоотдача в окружающую среду путем конвективного или лучистого теплообмена. Это меняет тепловой режим изделия при сварке.

По правилу Ньютона удельный тепловой поток при конвективном теплообмене определяется уравнением:

q_k = a_k(T-T₀); (3.2)

где a_k – коэффициент конвективной теплопередачи, Дж/см²×с×К;

Т – температура поверхности нагретого тела, К;

Т₀ – температура окружающей среды, К.

Тепловое излучение (радиация) очень зависит от температуры поверхности нагретого тела. Эта зависимость выражается законом Стефана-Больцмана:

, (3.3)

где С – коэффициент излучения, зависящий от состояния поверхности тела, Дж/с×см²×К⁴;

Т – температура нагретого металла, К;

q_r – удельный тепловой поток излучения, Дж/см²с.

Для расчета нагрева и охлаждения тел удобно связать поток лучистого теплообмена q_r с разностью температур Т-Т_о у поверхности уравнением, подобным (3.2):

q_r = a_r(T-T_o); (3.4)

где a_r – коэффициент лучистого теплообмена, Дж/см²с×K.

Полная теплоотдача с поверхности нагретого твердого тела, омываемого жидкостью или газом, определяется наложением процессов конвективного и лучистого теплообменов:

q = q_k + q_r = (a_k + a_r)(T-T_o) = a(T-T_o), (3.5)

где a - коэффициент полной поверхностной теплоотдачи, Дж/см²с×K.

При относительно невысоких температурах (200-300 ^оС) в общем теплоотводе значительную роль играет конвекция, а при больших температурах основной теплоотвод определяется лучистым теплообменом.

В тепловых расчетах при сварке часто присутствуют такие теплофизические величины как объемная теплоемкость сg и коэффициент температуропроводности а.

Объемная теплоемкость равна произведению удельной (истинной) теплоемкости С(Дж/г×К) на плотность (удельный вес) вещества (г/см³). Размерность сg - Дж/см³×К.

Коэффициент температуропроводности а называют тепловой инерцией материала. Он равен:

(3.6)

Все теплофизические величины - l, сg, а, a_к, a_r сильно зависят от температуры (см. рис. 27,28). При расчете тепловых процессов при сварке пользуются значениями этих величин соответствующими температуре 600 ⁰С (см. табл. 4) для сталей и титана, 300 ⁰С для алюминия и 400 ⁰С для меди.

Рис. 27. Зависимость коэффициентов полной теплоотдачи a и лучистого теплообмена a_r от температуры

Рис. 28. Теплофизические свойства низкоуглеродистой стали в зависимости от температуры:

S – теплосодержание; С – истинная теплоёмкость; l -коэффициент теплопроводности; а – коэффициент температуропроводности

Таблица 4. Значения теплофизических величин

Материал	Коэффициент теплопроводности, Дж/см×К×с	Объемная теплопроводность, Дж/см^3×К	Коэффициент температуропроводности, см^2/с
Низкоуглеродистые и низколегированные стали	0,38¸0,42	4,9¸5,2	0,075¸0,090
Коррозионно-стойкие стали	0,25¸0,33	4,7¸4,8	0,053¸0,070
Медь	3,7¸3,8	3,85¸4,0	0,95¸0,96
Алюминий	2,7	2,7	1,0
Технический титан	0,17	2,8	0,06

Нагрев тела требует определенной затраты тепла. Количество тепла, необходимое для нагрева вещества от температуры Т₁ до температуры Т₂, называется теплосодержанием S, Дж/г. При технических расчетах теплосодержание тела отсчитывают обычно от нормальной температуры (293 К), а не от абсолютного нуля (рис. 28). В критических точках, соответствующих аллотропическим и фазовым превращениям, происходящим с поглощением или выделением теплоты, оно изменяется скачкообразно.

Характер теплового состояния тела определяется температурными полями. Температурное поле это совокупность температур всех точек тела в данный момент времени. На плоскости температурное поле характеризуется изотермами. Изотерма это геометрическое место точек на плоскости, обладающих одинаковой температурой.

ДАЛЕЕ: 3.2.1. Расчетные схемы нагреваемых тел и источников тепла