Джерела нагрівання та

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

Теорія процесів зварювання-1. Джерела нагрівання та теплові процеси при зварюванні. Текст лекцій / В.М. Коперсак, - К., 2011. – 384 с.

Текст лекцій призначено для студентів напряму підготовки 050504 «Зварювання» освітньо-професійних програм підготовки 05050401, 05050402, 05050403. Представлена тут перша частина охоплює питання фізичної суті зварювання, основи теорії джерел зварювального нагрівання; теплові процеси при зварюванні. Особлива увага приділена розгляду теоретичних аспектів фізичних процесів зварювальної дуги, плавлення та перенесення електродного металу, проплавлення основного металу при зварюванні. Текст насичено ілюстраціями, доповнено питаннями для самоперевірки, в додатках наведено всі необхідні дані для виконання самостійних та індивідуальних завдань, вирішення задач.

Рекомендується як допоміжний матеріал при вивченні дисципліни «Теорія процесів зварювання» студентам всіх форм навчання.

Гриф надано Методичною радою НТУУ «КПІ» Протокол № 5 від «18» січня 2011 р.

Відповідальний редактор – доц. О.А. Сливінський

Рецензенти: Бережний С.П., к.т.н., доц., ЗНТУ, м. Запоріжжя

Гончаров І.О. к.т.н., с.н.с., ІЕЗ ім. Є.О. Патона, м. Київ

2

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

3

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

ВОЛЬТ-АМПЕРНА ХАРАКТЕРИСТИКА ВІЛЬНОЇ ДУГИ……………………………….….100

Вольт-амперна характеристика стовпа дуги……………………………….…..101 Принцип мінімуму Штейнбека…………………………………………….….106

Про температуру стовпа дуги…………………………………………….……108

Спрощена форма запису вольт-амперної характеристики дуги…….……110

Про радіус стовпа дуги……………………………………………………….…112

Вольт-амперна характеристика катодної області…………………….….…….114

Загальна вольт-амперна характеристика вільної дуги…………….…………115

СТИСНЕНА ДУГА…………………………………………………………………..…….117

Принципи і способи отримання стисненої дуги……………………….……….117

Вольт-амперна характеристика стисненої дуги…………………………….….120

Про температуру стовпа стисненої дуги…………………………………….…..123

ЗАГАЛЬНА ВОЛЬТ-АМПЕРНА ХАРАКТЕРИСТИКА ЗВАРЮВАЛЬНИХ

«МЕТАЛЕВИХ» ДУГ…………………………………………………………………..…..125

БАЛАНС ЕНЕРГІЇ В ОБЛАСТЯХ ЗВАРЮВАЛЬНОЇ ДУГИ……………………………..…...126

Баланс енергії в стовпі дуги…………… …………………………………..…..128 Баланс енергії на катоді……………………………………………………..….129

Баланс енергії на аноді…………………………………………………….……130

ОСОБЛИВОСТІ ГОРІННЯ ДУГИ ЗМІННОГО СТРУМУ………………………………..…..131

Пік запалювання дуги…………………………………………………….….…132

Вентильний ефект………………… ………………………………………….…134

Осцилограми коротких замикань при переносі електродного металу…..137

МАГНІТОГІДРОДИНАМІЧНІ ЯВИЩА В ЗВАРЮВАЛЬНІЙ ДУЗІ……………………….….138

Про доцентрову магнітну силу і пінч-ефект……………………………………139

Взаємодія магнітних полів дуги та зварювального контуру…………………145

Магнітне дуття…………………………………………………………………..145

Вплив феромагнітних мас на дугу…………………………………………….146

Вплив на дугу зовнішнього магнітного поля………………………………..146

Обертальна дуга…………………………………………………………….………148

ПРИНЦИП САМОРЕГУЛЮВАННЯ ДУГОВОГО ЗВАРЮВАННЯ……………………….…..150

ТЕПЛОВІ ПРОЦЕСИ ПРИ ЗВАРЮВАННІ ………………………………………….160

Поняття температури, градієнту температур, теплового потоку,

теплопередачі……………………………………………………………………….160

Температура і тепловий потік, передача теплоти……………………………..160 Конвекція (конвекційний теплообмін)………………………………………….162

Радіація (променевий теплообмін, випромінювання)…………………………163

Теплопровідність…………………………………………………………………...167 Температурні поля…………………………………………………………………169

ДИФЕРЕНЦІЙНЕ РІВНЯННЯ ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ…………………….…… …………..171

Вивід диференційного рівняння теплопровідності…………….………………171

Часткові випадки диференційного рівняння теплопровідності……...………177

4

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

Нестаціонарні часткові випадки………………………………………………177

Стаціонарні часткові випадки…………………………………...……………178

Методи вирішення диференційного рівняння теплопровідності……….……180

МЕТОД ДЖЕРЕЛ ПРИ ОБЧИСЛЕННІ ТЕМПЕРАТУРНИХ ПОЛІВ……………….………...181

Схематизація тіл, які нагріваються……………………………………….……..182 Схематизація джерел зварювального нагрівання……………….…………….182

Крайові умови……… ………………………………………………….…….……..183 Вільне охолодження…………………………………………………….………….186

Вільне охолодження пластини………………………………………………...186 Вільне охолодження стержня……………………………………….…………189

ПРИКЛАДИ АНАЛІТИЧНИХ РІШЕНЬ ДИФЕРЕНЦІЙНОГО РІВНЯННЯ

ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ………………… ………………………………………………….192

Миттєве точкове джерело тепла в необмеженому тілі………………………..192 Миттєве лінійне джерело тепла в необмеженому тілі…………………………196

Миттєве плоске джерело тепла в необмеженому тілі………………....……….201

ПРИНЦИП НАКЛАДЕННЯ (СУПЕРПОЗИЦІЇ) В ТЕПЛОВИХ РОЗРАХУНКАХ……….……..204

РОЗПОВСЮДЖЕННЯ ТЕПЛА В ОБМЕЖЕНИХ ТІЛАХ……………………………….……206

Напівобмежене тіло з адіабатичною граничною поверхнею…………………206

Напівобмежене тіло з ізотермічною граничною поверхнею………………….210

Безперервнодіючі (тривалодіючі) зосереджені джерела тепла……………….212

ТИПОВІ СХЕМИ РОЗРАХУНКІВ НАГРІВАННЯ МЕТАЛУ ПРИ ЗВАРЮВАННІ……….…….214

5

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

Нагрівання рухомим джерелом від краю тіла…………………………….……243

Рухоме точкове джерело тепла на поверхні пластини………………………...244 Потужне швидкодіюче точкове джерело тепла на поверхні пластини……...246

ВИБІР СХЕМИ РОЗРАХУНКІВ ТЕМПЕРАТУРНИХ ПОЛІВ ПРИ ЗВАРЮВАННІ…………....248

НАГРІВАННЯ ОСНОВНОГО МЕТАЛУ ПРИ ЗВАРЮВАННІ……………………251

ПЕРІОДИ ТЕПЛОНАСИЧЕННЯ ТА ВИРІВНЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРИ…………………...251

Період теплонасичення………………………………………………………...….251

Вплив параметрів процесу на період теплонасичення…………………….….255

Період вирівнювання температури………………………………………….…..256

ВПЛИВ ПАРАМЕТРІВ РЕЖИМУ ДЖЕРЕЛА ТЕПЛА І ТЕПЛОФІЗИЧНИХ

ВЛАСТИВОСТЕЙ ЗВАРЮВАНОГО МЕТАЛУ НА ТЕМПЕРАТУРНІ ПОЛЯ…………………257

ОБЧИСЛЕННЯ РОЗМІРІВ ДІЛЯНОК, ЯКІ НАГРІВАЮТЬСЯ ДО ЗАДАНИХ ТЕМПЕРАТУР...259

Малопотужне наплавлення на масивне тіло…………………………………...259 Малопотужне зварювання пластин з повним проваром……………………...260 Потужне наплавлення на масивне тіло…………………………………………260

Потужне зварювання пластин з повним проваром……………………………261

ТЕРМІЧНИЙ ЦИКЛ ОДНОПРОХІДНОГО ЗВАРЮВАННЯ…………………………………262

Параметри термічного циклу зварювання……………………………………..262

Максимальні температури………………………………………………………..263

Максимальні температури в схемах розрахунків рухомих джерела тепла………………………………………………………………………………264

Максимальні температури в схемах розрахунків потужних швидкодіючих джерел тепла…………………………………………………..264

Миттєва швидкість охолодження при заданій температурі………………….267

Швидкість охолодження при потужному наплавленні на масивне тіло (ПШТД)……………………………………………………………………...268

Швидкість охолодження при потужному зварюванні пластин за один прохід (ПШЛД)…………………………………………………………………..270

ПРОПЛАВЛЕННЯ ОСНОВНОГО МЕТАЛУ ЗВАРЮВАЛЬНОЮ ДУГОЮ….…272 Показники і характеристики проплавлення……………………….…………..272 Параметри проплавлення при малопотужному наплавленні і зварюванні масивних виробів…………………………………………………………….……..274

Параметри проплавлення при малопотужному зварювання пластин за один прохід…………………………………………………………….…………276

Параметри проплавлення при потужному наплавленні і зварюванні масивних тіл…………………………………………………………….…………..278

Параметри проплавлення при потужному зварюванні пластин за один прохід…………………………………………………………………………….…..281

ТЕПЛОВА ЕФЕКТИВНІСТЬ ПРОЦЕСУ ПРОПЛАВЛЕННЯ………………… ……..……….284

Теплова ефективність процесу проплавлення при потужному наплавленні на масивне тіло (схема ПШТД)…………………………………………………...284

6

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

Теплова ефективність процесу проплавлення при потужному зварюванні пластин за один прохід (схема ПЛШД)………………………………………….288

ОБ’ЄМ ТА СЕРЕДНЯ ТЕМПЕРАТУРА ЗВАРЮВАЛЬНОЇ ВАННИ………………………….289

Про об’єм зварювальної ванни…………………………………………………...289

Про середню температуру зварювальної ванни………………………………..289 НАГРІВАНЯ І ПЛАВЛЕННЯ ПРИСАДКОВОГО МЕТАЛУ………………………303

Стержень обмеженої довжини з фіксованим струмопідводом………………..303 Стержень необмеженої довжини, який рухається відносно точки підведення струму…………………………………………………………………..308

ПЕРЕНЕСЕННЯ ЕЛЕКТРОДНОГО МЕТАЛУ В ДУЗІ………………………….....313

Загальні положення………………………………………………………………...313

Види переносу електродного металу……………………………………………..314 Про сили, які діють на краплю електродного металу…………………………318

Формування різних типів переносу як результат рівноваги сил, що діють на краплю……………………………………………………………………………332

Особливості переносу електродного металу при різних способах зварювання………………………………………………………………………….338

Методи управління переносом електродного металу…………………………347

ПИТАННЯ ДЛЯ САМОПЕРЕВІРКИ………………………………………………….354

РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА…………………………………………………...370

ДОДАТКИ…………………………… ……………………………………………………371

Додаток 1 Єдина система одиниць (SI)…………………………………………..371 Додаток 2 Фізичні константи і постійні величини…………………………….372

Додаток 3 Теплофізичні властивості деяких матеріалів……………………...373 Додаток 4 Ефективний коефіцієнт корисної дії зварювальної дуги η……..373

Додаток 5 Обчислення функції Бесселя другого роду нульового порядку…374 Додаток 6 Значення функції Бесселя другого роду нульового порядку…….375 Додаток 7 Номограми для обчислення ширини зони, яка нагрівається вище заданої температури……………………………………………………...…379

Додаток 8 Номограми для обчислення температур в період неусталеного температурного поля (режим теплонасичення)…………………………….….380

Додаток 9 Значення фізичних величин елементів періодичної системи Д.І. Менделєєва……………………………………………………………………..383

7

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

ФІЗИЧНА СУТЬ ЗВАРЮВАННЯ

Зварювання це такий спосіб нероз’ємного з’єднання деталей, при якому зчеплення виникає між частками з’єднуваних поверхонь і в місці з’єднання відсутні поверхні розділу.

Це означає, що між частками (атомами чи молекулами), які складають з’єднувані тіла, повинні встановитись, відповідно, міжатомні або міжмолекулярні зв’язки, причому, таким чином, щоб поверхні розділу зникли (перестали бути об’єктивно спостережуваними).

Для виникнення сил міжатомного (міжмолекулярного) зчеплення необхідно виконати певні умови:

а) поверхневі частки повинні бути зближені на відстань, порівняну з відстанями між частками з’єднуваних тіл {для металів це параметр кристалічної ґратки ( a ≈ b , див. рис. нижче)};

б) поверхневі частки (атоми, молекули) повинні бути активовані: їм необхідно надати енергію, яка компенсує поверхневий натяг.

Про поверхневий натяг: відповідно до сучасних уявлень про будову речовини будь-яке конденсоване тіло (тверде чи рідке) є система атомів або молекул, пов’язаних між собою відповідними силами (міжатомними або міжмолекулярними). Ці сили є результат взаємодії електронних оболонок часток, які складають конденсоване тіло. Для всіх часток, крім поверхневих, сили взаємодії з іншими частками взаємно врівноважені (наприклад, частка 1, на рис. нижче, (б)). В іншому випадку – на поверхні тіла – ( наприклад, частка 2, рис. (б)) поверхневі частки не знаходяться в рівновазі. Вони є ніби втягнутими всередину тіла іншими частками через не симетрію зв’язків.

Так формуються поверхні, які відділяють одні тіла від інших. Поверхневі частки можуть вступати у взаємодію з іншими частками речовин, які

8

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

контактують з поверхнею, не втрачаючи своїх зв’язків з рештою часток (це такі явища як: адсорбція, змочування, адгезія).

Зварюванню підлягають, зазвичай, метали або їх сплави. Металам, як і їх сплавам, притаманна кристалічна будова – деяка впорядкована у просторі структура розташування часток речовини. У металів ці частки – іони – це атоми, позбавлені зовнішніх валентних електронів. Вони розташовуються у вузлах кристалічної ґратки таким чином і на такій відстані один від одного, як це визначається умовами рівноваги сил взаємного тяжіння та відштовхування, а валентні електрони – « усуспільнені» – вони знаходяться в безладному хаотичному тепловому русі між іонами, утворюючи так званий «електронний газ».

Таким чином, кожний поверхневий іон виявляється ніби втягнутим всередину (знаходиться в потенціальній ямі). Для можливості взаємодії з іншими частками його потрібно визволити з потенціальної ями, іншими словами – активувати: надати енергію, яка компенсувала б втрачені зв’язки.

Крім того, поверхні з’єднуваних деталей ніколи не бувають ідеально гладенькими і чистими (див. рис. вище (а)). Насправді, вони завжди мають деякі нерівності (макронерівності, шорсткість, мікронерівності), а також сторонні домішки: адсорбовані атоми, продукти окислення, інші забруднення. Для встановлення сил міжатомних (міжмолекулярних) взаємодій ці нерівності необхідно подолати, сторонні домішки видалити і зблизити по-

9

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

верхневі частки з’єднуваних тіл на відстань (b ), сумірну з параметром кристалічної ґратки ( a ): a ≈ b . Все це потребує виконання певної роботи – енергетичних витрат.

Таким чином, для виникнення взаємодії між частками з’єднуваних поверхонь потрібно подолати значний енергетичний бар’єр.

Урідин з’єднання поверхневих атомів або молекул легко досягається за рахунок рухомості часток і змочування (окремі краплини рідини легко об’єднуються в одну).

Утвердих тіл з’єднання поверхневих атомів чи молекул потребує значних енергетичних витрат, а також часто-густо застосування додаткових речовин.

Ґрунтуючись на наведених судженнях, можна дати таке визначення зварюванню, як термодинамічному процесу:

зварювання – це процес одержання нероз’ємного з’єднання шля-

хом введення і термодинамічно незворотного перетворення енергії і ре-

човини в місці з’єднання таким чином, що між з’єднуваними деталями

зникають поверхні розділу – утворюється моноліт.

Труднощі з’єднання твердих тіл долаються спеціальними прийомами, якими активують поверхневі атоми.

1. Активація поверхневих атомів шляхом створення прошарку рідини між з’єднуваними поверхнями. Це може бути:

а) додаткова рідина (використовується при паянні, склеюванні) – поверхня розділу при цьому зберігається, тому з’єднання не є зварним у повному розумінні цього терміну.

б) розплавлення поверхонь і взаємодія двох рідин з наступним затвердінням зони взаємодії – поверхня розділу при цьому

10