Тепловые основы сварки

«Тепловые основы сварки»

Введение

Согласно БЭС «Сварка это технологический процесс соединения твердых материалов в результате действия межатомных сил, которое происходит при местном сплавлении или совместном пластическом деформировании свариваемых частей». Современные высокопроизводительные процессы сварки и обработки материала требуют точного назначения технологического режима.

Оценка производительности процессов сварки и обработки материалов, сопутствующих им местных изменений структуры и свойств обрабатываемого материала, а также возникающих в изделии местных деформаций и напряжений, ведущих иногда к образованию трещин, должна основываться на процессах изменения температуры вокруг очага местного теплового и силового воздействия.

Сварочные процессы в металле, определяющие производительность сварки и качество сварных соединений, протекают под действием тепла в условиях быстро меняющейся температуры. Пределы изменения температуры весьма широки: от минус 30 - 40°С при сварке на морозе до температуры испарения металла (около 3000°С для стали). В этом промежутке температур происходят: плавление основного и присадочного металлов, металлургические реакции в жидкой ванне, кристаллизация расплавленного металла, структурные и объемные изменения в наплавленном и в основном металлах. Чтобы управлять этими процессами, необходимо знать, как влияют на них все определяющие параметры, в том числе и воздействие источников тепла, непосредственно выражающееся в изменении температуры металла.

Поэтому представляется вполне логичным выделение «тепловой» подсистемы в качестве основополагающей. Этот принцип, оправдавший себя на практике при моделировании многих высокотемпературных процессов, допускает и теоретическое обоснование: основополагающими причинами всех изменений в установке и деталях являются энергетические взаимодействия, описываемые тепловыми моделями.

Тепловые основы сварки – прикладная научная дисциплина, изучающая источники тепла, нагрев и охлаждение металла и их влияние на протекание перечисленных выше процессов. Тепловые основы сварки содержат данные опыта, обобщенные теорией и обосновывающие инженерный расчет нагрева и охлаждения металла, а также тепловых характеристик процессов сварки. Теория тепловых основ сварки служит одним из средств исследования сварочных процессов и изыскания способов управления ими.

Теория распространения тепла в металлах при сварке служит не только средством математического описания характера теплового возбуждения свариваемых металлов, но и стимулирует математическое описание других физических процессов в металлах при сварке.

Температурное поле однозначно определяет поле температурных деформаций и поле сопротивления свариваемых металлов упругой и пластической деформации, что в совокупности определяет процессы развития напряжений и деформаций. Температурное поле определяет форму осей кристаллитов, следовательно, и микроструктуру металла шва, что влияет на характер распределения деформаций и деформационную способность металла в температурном интервале хрупкости.

ТЕРМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ СВАРКИ КАК ФАКТОР ПРЕДОПРЕДЕЛЯЮЩИЙ СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Большая часть применяемых на практике видов сварки основана на локальном концентрированном нагреве участков свариваемых изделий до температур плавления или пластического течения. При перемещении сварочного источника температура точек тела изменяется во времени (Рис.1.1). Пока сварочный источник тепла не начал действовать, температура всего тела равна температуре окружающей среды, с которой тело находится в тепловом равновесии. По мере приближения связанного с источником температурного поля температура точек А, В, С быстро возрастает, достигает максимума, а затем постепенно понижается с убывающей скоростью, стремясь к температуре окружающей среды.

Рис. 1.1 Процесс распространения тепла при сварке листов встык:

а - мгновенные температурные поля для моментов времени 0 - 12;

б — изменение температуры в точках тела А, В и С со временем.

Изменение температуры во времени в данной точке тела, вызванное действием подвижного или временным действием неподвижного источника тепла, называется термическим циклом в данной точке.

Термический цикл сварки можно фиксировать с помощью термопар, установленных в определенных точках сварного соединения. На рис. 1.2 приведены результаты измерения термических циклов в околошовной зоне, т. е. на участке основного металла, прилегающем к металлу сварного шва при разных способах сварки: ручной дуговой, под флюсом и электрошлаковой. Каждый термический цикл можно характеризовать скоростью нагрева, максимальной температурой и скоростью охлаждения.

Рис.1.2. Типичные термические циклы околошовной зоны при ручной дуговой сварке (1), сварке под флюсом (2) и электрошлаковой сварке (3).

Стрелкой обозначено влияние теплоты кристаллизации металла сварного шва.

Поскольку форма термического цикла зависит от способа сварки, знание характера термического цикла металла околошовной зоны имеет большое значение.

Для большинства способов сварки характерна почти прямолинейная зависимость температуры от времени на восходящем участке температурной кривой. При охлаждении температурная кривая имеет экспоненциальный характер. У большинства способов дуговой сварки скорость нагрева колеблется в пределах 50—400° С/с. При электрической контактной свар