Основные расчетные схемы нагрева металла сварочными источниками

Хотя процессы распространения тепла в условиях сварки являются чрезвычайно сложными, для их решения в ряде случаев удается применять упрощенные методы, сводящие конкретную задачу к идеальным теоретическим схемам.

Так как характер распространения тепла в теле сильно зависит от его формы и размеров, то для расчетов принимают следующие схемы нагреваемого тела.

1. Бесконечное тело – тело (рис.4.1, а), которое имеет такую протяженность по осям oX, oY, oZ, при которой его границы не влияют на характер теплового поля, т.е. его можно заменить бесконечным телом, у которого имеется неограниченная протяженность по всем трем направлениям.

Рис.4.1. Расчетные схемы теплопроводящего тела и источника тепла при нагреве дугой: а - точечный источник О на поверхности полубесконечного тела; б-точечный источник О на поверхности плоского слоя; в - линейный источник О О' в пластине; г - плоский источник О в стержне.

Схема бесконечного тела тем лучше описывает процесс, чем больше размер реального тела, меньше длительность процесса, чем меньше теплопроводность и чем ближе к источнику расположена расчетная область.

Это понятие используется только для предварительных выводов.

2. Полубесконечное тело – тело, имеющее только одну граничную поверхность z = 0, со стороны которой, как правило, действует источник тепла.

3. Пластина - это тело (рис.4.1, в), ограниченное двумя плоскостями, например, z = 0 и z = . При использовании этой схемы, всегда предполагают, что температура по толщине листа равномерна, а теплота может распространяться только в плоскости. Схема тем лучше описывает реальное тело, чем оно тоньше, чем больше продолжительность процесса, чем выше теплопроводность и чем дальше от источника расположена зона рассчитываемых температур.

4. Плоский слой - это пластина (4.1, б), у которой температура точек тела по толщине не является равномерной. Эту схему применяют в тех случаях, когда толщина тела не настолько велика, чтобы можно было пренебречь влиянием ограничивающей плоскости z =- и считать тело полубесконечным.

5. Стержень - это тело (рис.4.1, г), имеющее неограниченный размер по одной из координатных осей и ограниченный размер в направлении двух других осей. При использовании этой схемы предполагается, что температура по поперечному сечению стержня распределена равномерно. Тепловой поток в этом случае линеен.

Схемы источника тепла. Схему источника выбирают сообразно со схемой теплопроводящего тела. При наплавке валика на поверхность массивного изделия (или толстого листа) (рис.4.1, а, б) источник считается сосредоточенным в точке О - центре дугового пятна нагрева. При сварке листов встык (рис.4.1, в) целесообразно считать, что тепло дуги приложено к линейному элементу 00', а при сварке встык стержней (рис.4.1, г) или при нагреве торца электрода к плоскому элементу О. Такая схематизация источника не позволяет рассчитывать процесс распространения тепла в области, непосредственно прилегающей к дуге в начальном периоде процесса, т.е. непосредственно после введения тепла дуги. Для этого нужно более точно учитывать характер распределения тепла источника, например, по схемам нормального распределения

Длительность действия источника тепла.

Источники тепла, встречающиеся в практических случаях сварки, также разнообразны. Их схематизируют так:

А) по признаку распределенности: сосредоточенные (точечный, плоский, объемный) и распределенные (по определенному закону ввода тепла в изделие) источники тепла;

Б) по времени действия: мгновенно и непрерывно действующие;

В) по расположению относительно рассматриваемой точки во времени: неподвижные, подвижные, быстродвижущиеся источники тепла.

Фактически тепловой поток сварных источников тепла всегда распределен по нагреваемой поверхности или объему. Однако, учет распределенности ввода тепла от сварочных источников весьма затрудняет получение формул, удобных для расчетов. Поэтому применяют различные упрощенные схемы точечного, линейного, плоского и объемного источников тепла. Эти упрощения в непосредственной близости от источников значительно искажают температурные поля, а на некотором расстоянии от него дают удовлетворяющую практику сходимость с реальными полями.

Точечный источник тепла - это такой источник, объем которого бесконечно мал и в пределе представляет собой точку.

Линейный источник тепла - это такой источник, у которого тепло равномерно распределено вдоль прямой: можно представить, что тепло в этом случае сконцентрировано в цилиндре с r → 0.

Плоский источник тепла - это источник тепла, равномерно распределенный по некоторой плоскости.

Поверхностный источник тепла – это источник, поток тепла которого распределен по поверхности свариваемого тела согласно определенному закону.

Объемный источник тепла - источник, равномерно выделяющий тепло в некотором объеме.

Мгновенный источник тепла - это источник, длительность действия которого стремится к нулю (принимается только для общей исходной схемы).

Непрерывно действующий источник тепла - это источник постоянной тепловой мощности, действующей непрерывно или достаточно длительно.

Неподвижный источник тепла - это не перемещающийся в теле (или по телу) источник тепла постоянной мощности.

Подвижный источник тепла - это источник постоянной мощности, перемещающийся в теле или по поверхности тела прямолинейно с постоянной скоростью.

Быстродвижущийся источник тепла - это подвижный источник тепла, перемещающийся с такой скоростью, при которой распространением тепла перед источником можно пренебречь.

Выбор правильной схемы тела и источника тепла определяет возможность приближения расчета к реальным условиям в соответствующих конкретных случаях.

Рассмотрим некоторые расчетные формулы для различных случаев тепловых процессов, имеющих отношение к тепловым расчетам при сварке.

Начнем с рассмотрения распространения тепла мгновенных источников, сосредоточенных в точке, линии или плоскости в телах различных принятых схем.