Обычно используют экспериментальные данные о размерах и форме сварочной ванны, поверхность которой считается изотермической: Т—7„ где Т» — некоторая температура внутри интервала температур ликвидуса и солидуса для данного сплава. В качестве расчетных схем в работах [5, 79] приводятся удобные для практического применения хорошо известные зависимости [75] с соответствующей коррекцией тепловой мощности по величине и распределению. Коррекция позволяет удовлетворять условию Т=Т в том или ином количестве наперед заданных точек поверхности сварочной ванны. В остальных точках это условие будет удовлетворяться приближенно, что может привести к заметным погрешностям вблизи ванны при оценке характеристик состояния через производные температуры по пространственным координатам. В работе [48] применен несколько иной подход, позволяющий более точно оценивать температурное поле вблизи заданной изотермы Т,. Этот подход ориентирован на использование численных методов и ЭВМ. Суть этого подхода заключается в следующем. Рассматривается квазистационарное температурное поле в изделии больших размеров при условии, что заданы размеры и форма движущейся с постоянной скоростью изотермической поверхности f(x, ул z) =0, на которой Т=Т* (рис. 2.4). В общем случае температурное поле определяется решением следующей внешней задачи для поверхности

Рис
Рис
Рис

где а1 и а2 — коэффициенты поверхностной теплоотдачи. Поскольку рассматривается только зона твердого металла, то формулировка задачи в рамках уравнений теплопроводности (6)— (9) достаточно точно отражает сущность процессов теплопереноса. Чем точнее задана поверхность f(x,y,z) = 0, тем достовернее результаты, получаемые при решении данной задачи. Для получения экспериментальным путем данных о поверхности /(я, у, z) =0 применимы методы опрокидывания, инерционного выплескивания и вакуумного всасывания. Для ванн небольших размеров на тугоплавких металлах используют также метод направленного микровзрыва [48].
Для случая тонкой пластины, когда величиной

рис

в уравнении (6)
можно пренебречь, задача упрощается, : поскольку из трехмерной она превра- 3 щается в плоскую. Именно такая задача решалась в работе [48]. На рис. 2.5 для одного из рассмотренных в работе [48] случаев приведены размеры и форма очертания сварочной ванны на пластине из титанового сплава ТС6 толщиной 4,5 мм. Там же приведены расчетные кривые распределения градиентов температур G и скоростей охлаждения w вдоль контура сварочной — ванны. Получаемые таким образом данные представляют собой, очевидно средние характеристики температурного поля для не очень малых объемов (макрообъемов) металла, прилегающих к контуру ванны. Это обусловлено тем, что значения температуры T. и скорости v перемещения контура вдоль оси являются средними характеристикам для указанных объемов. Действительные скорости, так же как и температура на конце растущих кристаллов, могут довольно существенно отличаться от средних значений вследствие дискретности процесса кристаллизаций. Пока еще оценка истинной скорости кристаллизации, длительности остановки, а также температур начала и конца кристаллизации каждого слоя представляет весьма трудную задачу как для экспериментальных, так и для расчетных методов [17, 60, 89].
В работе [48] показано, что с помощью информации типа приведенное
на рис. 2.5 можно сделать определенные практические оценки по указанным вопросам, если температурное поле на границе жидкий — твердый металл представить в виде суммы двух полей. Первое поле определяется характеристиками G и w; второе обусловливается тем, что выделение скрытой теплоты на фронте растущего кристаллита (слоя) происходит не при скорости ш, а при другой, более высокой скорости w. Естественно, что истинная скорость кристаллизации о в интервале скоростей кристаллизации каждого слоя не постоянна, однако для первых оценок можно ограничиться рассмотрением некоторой средней истинной скорости для каждого слоя i.
Расчеты wi по указанному выше принципу в общем хорошо согласуются с экспериментальными данными работы [17], полученными киносъемкой при сварке тонких стальных пластин, и показывают, что истинная скорость кристаллизации первых слоев металла шва значительно превосходит среднюю скорость кристаллизации.
Температура в сварочной ванне. Основным параметром, определяющим интенсивность и направление физико-химических процессов в жидком металле сварочной ванны, является ее температура.
Получение пространственно-временной информации о температурах в сварочной ванне является сложной задачей как для экспериментальных, так и для расчетных методов. Температуру сварочной ванны впервые вычислил В. И. Дятлов [16], используя уравнение мощного быстродвижущегося точечного источника на поверхности массивного тела [7]. В. И. Дятлов показал, что средняя температура сварочной ванны не зависит от условий и режима сварки и равна
Tв = 2Tпл,—To (10)
где Тпл — температура плавления материала; То — начальная температура массивного тела. С учетом скрытой теплоты плавления
Тв =2Tпл — T0-w/cy (11)
где w — скрытая теплота плавления материала на единицу объема, су — объемная теплоемкость.
Используя подход В. И. Дятлова, можно вычислить среднюю теоретическую температуру материала сварочной ванны и в случае неподвижного источника тепла на поверхности массивного тела:

Puc
Puc

С учетом скрытой теплоты плавления w на единицу объема
Из этого следует, что при точечном нагреве массивного тела средняя температура сварочной ванны увеличивается с увеличением скорости движения источника нагрева.
Формулы (10)—(13) имеют в основном качественное значение, поскольку температура Тв, рассчитанная по этим формулам, не всегда хорошо согласуется с экспериментально измеренными значениями, полученными различными исследователями. Достаточно подробный обзор таких исследований начиная с работы И. И. Фрумина и И. К. Походни [86], дан в монографии [64].
По данным экспериментальных исследований, средняя температура сварочной ванны при дуговой сварке также практически не зависит от режима сварки и определяется главным образом температурой плавления Тпл материала сварочной ванны. При этом зависимость Тв от Тпл близка к линейной, что хорошо демонстрирует график на рис. 2.6, построенный по данным работ [15, 64]. Й8 этих данных, полученных при начальной температуре Tв близкой к 20° С, следует линейная зависимость, несколько отличающаяся

Были попытки улучшить согласование формулы В. И. Дятлова (10) с экспериментальными измерениями. Обычно при этом за основу принимаются расчетные зависимости [75], справедливые только для переноса тепла теплопроводностью, что, естественно, вынуждает прибегать к дополнительным допущениям [24], физическая сущность которых мало обоснована.
Регистрация максимальных температур в сварочной ванне при дуговой сварке путем прямых измерений весьма затруднительна. Достаточно надеж- вые результаты пока получены для [средней температуры Тр в так называемой реакционной зоне, расположенной непосредственно вблизи сварочной дуги. Эти измерения дают значения, превышающие температуру Т» тем больше, чем ниже температура плавления металла сварочной ванны. Так, для алюминия Т9 превышает Тя на 450° С, а для титанового сплава — на 150° С (см. рис. 2.6). При этом температура Тр также практически не зависит от режима дуговой сварки.

Pages: 1 2 3 4 5 6 7 8