ГЛАВА 2
Аналитическое исследование процесса резки и сварки экзотермическими стержнями на воздухе.
Для осуществления процесса сварки необходимо подвести к зоне сварки определенное количество энергии, которое передается в эту зону тепловым источником, имеющим необходимую мощность. Это количество должно быть достаточным для расплавления основного материала и для компенсации теплопотерь. В случае электрической сварки необходимая мощность обеспечивается источником питания, который в принципе может обеспечить любую необходимую мощность. В случае газовой сварки мощность также может регулироваться в значительных пределах за счет изменения расхода газовой смеси. В случае же использования экзотермических средств мощность должна быть определена заранее как можно точнее, так как от значения мощности будет зависеть состав экзотермического стержня, его габариты и цена. Исходя из технологии изготовления и применения экзотермических стержней, последние можно разделить на 3 группы:
1- безгазовые стержни, выделяющие термитный металл - по существу чистые термитные стержни, причем термитный металл служит средой нагрева детали;
2- сложные экзотермические стержни, выделяющие многокомпонентный состав в виде термитного металла, газов, шлаков и легирующих элементов, причем весь этот выделяющийся состав является средой нагрева детали;
3- экзотермические стержни из высокоэнергетичных металлов и сплавов, горящие в струе кислорода. Эти стержни выделяют только расплавленный оксид, который и является нагревательной средой.
2.1. Аналитическое определение количества теплоты, необходимого для резки - сварки металла определенной толщины на воздухе стержнями первой группы
Тепловую мощность можно подсчитать с достаточной степенью точности, используя классические представления, изложенные в работе [51] т. е., рассматривая процесс нагрева поверхности детали некоторым сосредоточенным источником тепла.
Используя эти представления, автор получил достаточно простое выражение для расчета условной тепловой мощности источника тепла.
, (2.1)
где Т - температура К0?
? - коэффициент тепловой активности - дж/м2 К0.5?
D - диаметр стержня - м;
v - скорость перемещения стержня вдоль шва - м/с?
Z - толщина металла - м?
? - коэффициент температуропроводности м2/с?
? - КПД.
Мощность названа условной т. к. в расчетном выражении неизвестен КПД.
Для того чтобы определить КПД термитного стержня, выделяющего термитный металл, необходимо рассмотреть процесс нагрева при данном виде сварки.
В данном случае теплоперенос осуществляется расплавленной смесью металла. Пприближенно можно считать, что теплоперенос осуществляется расплавленным металлом по следующей схеме:
* перегрев металла до температуры 2600 - 28000С в ядре реакции,
* перенос металла на холодную поверхность детали,
* кристаллизация части металла с выделением теплоты кристаллизации,
* теплообмен между кристаллизованным металлом и свариваемым.
Учитывая, что часть металла, попадающая на холодную поверхность свариваемого изделия, кристаллизуется с высокой скоростью, этот процесс теплообмена может быть описан с достаточной корректностью граничными условиями четвертого рода.
В этом случае КПД термитного стержня будет:
, (2. 2)
где ?т, ?м - коэффициенты тепловой активности металла свариваемой детали и металла из ядра экзотермической реакции, измеряемый в [100].
Выражение (2.2) показывает, что тепловой КПД термитного стержня тем выше, чем больше разность между коэффициентами тепловой активности выделяющегося и свариваемого металла.
Расчеты по выражениям (2.1) и (2.2) мощности сварочного стержня показывают, что для нагрева до одинаковой температуры образцов одинаковой толщины, термитный стержень с железным термитом должен обладать мощностью в 1,4 раза большей, чем такой же стержень с медным термитом.
Как видно из расчетов, получение высоких температур нагрева свариваемого материала за счет использования стержня с железным термитом затруднительно. Если же учесть, что для сварки изделий из железоуглеродистых сплавов температура нагрева должна составлять 1550 0С, то становятся ясными неудачи, которые сопровождали сварку термитными стержнями на базе стандартного железного термита. На рис. 2.1 показаны значения необходимой мощности при нагреве образцов из стали 20 различной толщины термитными стержнями, на базе железного и медного термитов.
Как известно при сварке значительное влияние на процесс оказывает не только мощность теплового источника, но и время, за которое устанавливается необходимая температура нагрева. Иными словами большое значение имеет время теплового насыщения.
В настоящей работе время теплового насыщения определялось путем моделирования процесса повышения температуры свариваемого металла с учетом теплообмена по граничным условиям четвертого рода [52].
, (2.3)
где Т0т, Т0м - начальные температуры свариваемого и термитного металлов,
?т и ?м - коэффициенты тепловой активности свариваемого и термитного металлов,
Z - толщина свариваемого металла,
? - время нагрева.
Результаты расчетов показаны на рис. 2. 2 и 2. 3.
Рис. 2.2 Зависимость температуры стали, свариваемой стержнем, выделяющим медь, от времени разогрева
на поверхности - 1 и на глубине 3 мм - 2.
Рис. 2.3. Зависимость температуры стали, свариваемой стержнем,
выделяющим железо от времени разогрева
на поверхности - 1 и на глубине 3 мм - 2.
Как видно в системах Cu - сталь нагрев металла на глубинах 3 - 4 мм до температуры плавления меди или даже до температуры плавления стали осуществляется за приемлемый промежуток времени до 15 с и может быть сокращен за счет большего перегрева термитного металла при использовании соответствующей рецептуры.
Термитные стержни системы Fe - сталь, имеющие обычную длину 150 - 2