Раздел III. ТЕПЛОВЫЕ ОСНОВЫ СВАРКИ

НАЗАД: 3.7. Термический цикл основного металла при сварке

3.8. Расчет мгновенной скорости охлаждения при данной температуре

При простом термическом цикле мгновенную скорость охлаждения, соответствующую данной температуре Т, рассчитывают в зависимости от параметров режима сварки и типа соединения по уравнениям теплопроводности.

Рассмотрим два простейших случая:

а) наплавка на массивное тело (d ³ 25 мм);

б) сварка тонких листов встык за один проход (d £ 10 мм).

Ввиду полной однотипности рассуждений математические выкладки проведем параллельно.

Температура в процессе распространения тепла от мощного быстродвужущегося точечного источника в полубесконечном теле и мощного быстродвижущегося линейного источника в пластине без теплоотдачи боковых поверхностей (в = 0) выражается уравнениями:

; (3.83)

; (3.84)

где Т – мгновенная температура в точке r или y в момент t, вызванная процессом распространения тепла сварочной дугой;

Т_о – начальная температура изделия, равная температуре окружающей среды или температуре предварительного подогрева.

Математически проще найти зависимость скорости охлаждения W (⁰С/с) от режимов сварки не для точек ЗТВ, а для точек, лежащих на оси шва. Погрешности будут невелики. Температура точек оси шва (r = 0; y = 0) выразится уравнениями:

; (3.85)

; (3.86)

Так как скорость охлаждения W = , то продифференцируем уравнения (3.85) и (3.86). Получим:

; (3.87)

; (3.88)

Из уравнений (3.85) и (3.86) выразим и :

; (3.89)

; (3.90)

Выражения (3.89) и (3.90) подставим в уравнения (3.87) и (3.88) и получим:

; (3.91)

; (3. 92)

Знак минус указывает на процесс охлаждения.

Наибольшие опасения с точки зрения возможности образования трещин вызывает скорость охлаждения при температуре минимальной устойчивости аустенита T_min (см. в разделе 3.7 рис. 33). В этом случае:

; (3.93)

; (3. 94)

Для сталей средняя величина T_min = 550 ⁰С.

Для других случаев (d = 10 ¸ 25 мм) скорость охлаждения рассчитывается по уравнению:

. (3.95)

Величина безразмерного критерия определяется уравнением:

= 0,145 + ; (3.96)

где

; (3.97)

В уравнение (3.97) величины погонной энергии и толщины металла d подставляются с учетом коэффициентов приведения, приведенных в табл. 6.

Таблица 6. Коэффициенты приведения

Тип соединения	1-й слой стыкового шва с V-образной разделкой	Нахлесточное соединение, 2-й шов таврового соединения	4-й шов крестообразного соединения
	1,5	0,67	0,5
d	1,5	1	1

Если величина 1/q £ 0,4, то значение J/q = 1.

Иногда возникает необходимость решения обратной задачи – по заданным эксплуатационным свойствам сварного соединения выбрать режим сварки. Для решения такой задачи вначале на основе экспериментальных данных, приведенных, например, в работе [10], находим допустимую скорость охлаждения. Затем из уравнений (3.93), (3.94), (3.95) находим требуемую погонную энергию . Величиной тока задаемся исходя из требуемой глубины проплавления a или катета шва К. По току определяем напряжение дуги. Зная ток и напряжение, из величины находим скорость сварки V. Для случая d = 10 ¸ 25 мм задача усложняется, так как безразмерный критерий J/q зависит от погонной энергии. Тогда можно воспользоваться ГОСТ 13585, в котором даны номограммы зависимости скорости охлаждения от параметров d, при различных величинах (T_min – T_o) (см. рис. 35).

Рис. 35. Номограмма для определения скорости охлаждения W₀ околошовной зоны при наплавке валика на поверхность пластины при (Т_m-T₀)

Подобрав режимы сварки исходя из допустимой скорости охлаждения, проверяют обеспечиваются ли при этом требуемые площади проплавления или наплавки металла шва.

ДАЛЕЕ: 3.9. Расчет длительности нагрева металла выше заданной температуры