ТЕПЛОВЫЕ ОСНОВЫ СВАРКИ. 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. Термический цикл – это изменение температуры какой-либо точки сварного соединения во времени.

 

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».

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:

qk= ak(T-T0);

 

где   ak – 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.

Для расчета нагрева и охлаждения тел удобно связать поток лучистого теплообмена qr с разностью температур Т-То у поверхности уравнением:

qr = ar(T-To);

где ar – 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 = qk + qr = (ak + ar)(T-To) = a(T-To),

 

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.

 

Все теплофизические величины – l, сg, а, aк, ar сильно зависят от температуры. При расчете тепловых процессов при сварке пользуются значениями этих величин соответствующими температуре 600 0С.

Значения теплофизических величин

Материал

Коэффициент теплопроводности, Дж/см×К×с

Объемная теплопроводность,

Дж/см3×К

Коэффициент температуропроводности, см2

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. 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.

Расчетные схемы нагреваемых тел и источников тепла