Тепловые и металлургические процессы в сварочных технологиях. Часть 2

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования

«Алтайский государственный технический

университет имени И.И. Ползунова»

В.П. Тимошенко, М.В. Радченко

ТЕПЛОВЫЕ 

И МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ

ПРОЦЕССЫ 

В СВАРОЧНЫХ
ТЕХНОЛОГИЯХ

В двух частях

Часть 2

Учебное пособие

Москва

ИНФРА-М

2020

УДК 621.791
ББК 30.61

Т41

Рецензент: 
А.Н. Смирнов, доктор технических наук, профессор кафедры 

«Технология 
машиностроения» 
Кузбасского 
государственного 

технического университета имени Т.Ф. Горбачева, директор ООО 
«Кузбасский центр сварки и контроля»

Тимошенко В.П.

Т41
Тепловые и металлургические процессы в сварочных 

технологиях : учебное пособие : в 2 ч. Часть 2 / В.П. Тимошенко, М.В. 
Радченко. — Москва : ИНФРА-М, 2020. — 132 с.

ISBN 978-5-16-501977-7 (общ.)
ISBN 978-5-16-109227-9 (ч. 2, online)

В учебном пособии рассмотрены тепловые процессы при сварке 

металлов. Приведены методики расчета температурных полей при различных 
схемах нагрева. Рассмотрены вопросы нагрева и плавления металла при сварке.

Использованы труды ведущих организаций, кафедр и специалистов в 

области сварки.

Для бакалавров
и магистрантов, обучающихся по направлению

подготовки 15.03.01, 15.04.01 «Машиностроение», для оказания помощи при 
изучении теоретического
материала, подготовке к лабораторным работам, 

выполнении курсовых и выпускных квалификационных работ.

УДК 621.791

ББК 30.61

ISBN 978-5-16-501977-7 (общ.)
© Тимошенко В.П.,

ISBN 978-5-16-109227-9 (ч. 2, online) 
Радченко М.В., 2020

ФЗ № 
436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

Учебное пособие посвящается 90-летию со дня рождения 
лауреата Ленинской премии, доктора технических наук, профессора, основателя кафедры сварки на Алтае В. Г. Радченко.

Радченко Василий Григорьевич 
(1926 -  2012 гг.)

СОДЕРЖАНИЕ

1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ В РАСЧЕТАХ
ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СВАРКЕ....................................... 
7

1.1 Основные теплофизические величины и понятия...................  
8

1.2 Способы передачи тепла в твердом теле и с его поверхности.
Закон теплопроводности Фурье......................................................  
12

1.3 Поверхностная теплоотдача...................................................... 
15

1.4 Схематизация сварочных источников теплоты....................... 
17

1.5 Дифференциальное уравнение теплопроводности.................. 
20

1.6 Краевые условия при тепловых расчетах................................... 
25

1.7 Методы расчета задач теплопроводности.................................. 
27

2 ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ НАГРЕВЕ ТЕЛ
ИСТОЧНИКАМИ ТЕПЛОТЫ.........................................................  
29

2.1 Нагрев тел мгновенными источниками теплоты....................... 
29

2.1.1 Мгновенный, неподвижный, точечный источник тепла
в бесконечном теле............................................................................  
29

2.1.2 Мгновенный, неподвижный, линейный источник тепла
в пластине.........................................................................................  
3 j

2.1.3 Мгновенный плоский источник тепла в бесконечном
стержне.........................................................................................  
32

2.2 Использование принципа наложения при расчетах
температурных полей..................................................................... 
34

2.3 Непрерывно действующие неподвижные источники
тепла................................................................................................. 
35

2.4 Учет конечных размеров нагреваемого тела.......................... 
38

2.4.1 Изотермическая граница...................................................... 
38

2.4.2 Адиабатическая граница..................................................... 
39

2.4.3 Граница с теплообменом..................................................... 
40

2.5 Подвижные источники теплоты............................................. 
42

2.5.1 Подвижный точечный источник на поверхности
полубесконечного тела................................................................. 
42

2.5.2 Подвижный линейный источник в бесконечной
пластине........................................................................................  
44

2.5.3 Подвижный плоский источник в бесконечном
стержне............................................................................................ 
45

2.6 Предельное состояние процесса распространения
теплоты.........................................................................................  
46

2.6.1 Температурное поле предельного состояния в массивном
теле................................................................................................ 
46

2.6.2 Температурное поле предельного состояния
в плоском слое................................................................................. 
47

2.6.3 Температурное поле предельного состояния
в бесконечной пластине..................................................................  
51

4

2.6.4 Температурное поле предельного состояния 
в бесконечном стержне...................................................................  
51

2.7 Периоды теплонасыщения и выравнивания температур......  
52

2.8 Быстородвижущиеся источники теплоты.............................. 
53

2.8.1 Быстродвижущийся точечный источник на поверхности
полубесконечного тела.............. '.................................................... 
54

2.8.2 Быстродвижущийся линейный источник в пластине............ 
56

2.8.3 Нагрев тонкостенных оболочек.............................................  
57

2.8.4 Мгновенный нормально-круговой источник...................... 
57

2.8.5 Подвижный нормально-круговой источник...................... 
58

3 НАГРЕВ И ПЛАВЛЕНИЕ МЕТАЛЛА ПРИ СВАРКЕ.............. 
60

3.1 Термический цикл при однопроходной сварке...................... 
60

3.1.1 Расчет максимальных температур....................................... 
61

3.1.2 Расчет мгновенных скоростей охлаждения......................... 
61

3.1.3 Расчет длительности пребывания при температуре выше
заданной........................................................................................... 
64

3.2 Расчет ширины зоны нагрева................................................... 
68

3.3 Плавление основного металла................................................. 
69

3.3.1 Формы сварочной ванны при различных способах
сварки..............................................................................................  
69

3.3.2 Расчет размеров зоны проплавления...................................... 
70

3.3.3 Температура сварочной ванны.............................................. 
71

3.3.4 Тепловая эффективность процесса проплавления..............  
72

3.4 Нагрев и плавление присадочного металла............................ 
73

3.5 Термический цикл при многослойной сварке.......................... 
74

3.5.1 Сварка длинными участками................................................. 
76

3.5.2 Сварка короткими участками.................................................  
78

3.6 Особенности протекания тепловых процессов
при различных видах сварки........................................................ 
79

3.6.1 Тепловые процессы при электрошлаковой сварке.............  
79

3.6.2 Контактная сварка стержней встык.....................................  
81

3.6.3 Точечная контактная сварка листов......................................  
82

3.6.4 Шовная контактная сварка..................................................... 
83

4 РАСЧЕТ ТЕРМИЧЕСКОГО ЦИКЛА (ТЦ) СВАРКИ
ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА............................................................ 
84

4.1 Строение зоны термического влияния...................................... 
85

4.2 Рекомендации по выбору расчетной схемы нагрева...............  
89

4.3 Пример расчета термического цикла сварки, оценка свариваемости т поведения материала конструкции при сварке.......  
91

4.3.1 Оценка и оптимизация режима и условий сварки...............  
93

4.3.2 Определение мгновенной скорости охлаждения...............  
97

5

4.3.3 Расчет температурного поля предельного состояния......... 
99

4.4 Построение поверхностных изотерм.....................................  
103

4.5 Определение ширины зоны, нагревающейся выше 
104

температуры АСз ..........................................................................
4.6 Расчет и построение кривой распределения максимальных
температур в сечении шва и определение величины зоны 
термического влияния..................................................................  
107

4.7 Расчет и построение кривой термического цикла точки........ 
112

4.8 Оценка структурного состояния основного металла в зоне
термического влияния....................................................................  
117

Приложение А. Расчетные значения распределения температуры
в предельном состоянии вдоль оси Х-Х......................................  
122

Приложение Б. Диаграммы термокинетического распада
аустенита....................................................................................... 
125

ЛИТЕРАТУРА................................................................................. 
132

6

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ В РАСЧЕТАХ 
ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СВАРКЕ

Известно, что при нагреве большинство металлов расширяется, а при охлаждении дают усадку. Величина изменений при 
нагреве и охлаждении зависит от степени нагрева, оцениваемой 
температурой нагрева. При сварке металл в зоне сварного соединения нагревается неравномерно, а, следовательно, разные 
объемы металла испытывают различные объемные изменения. 
Результатом этого являются внутренние напряжения и деформации в сварных конструкциях.

Известно также, что некоторые металлы и сплавы на их основе претерпевают полиморфные превращения (полиморфное 
превращение -  это способность металла существовать в разных модификациях, в разных кристаллических формах в зависимости от температуры. При полиморфном превращении происходит перестройка одного типа решетки в другой), основной 
причиной которых является нагрев. Характер и степень развития этих процессов также зависит от температуры нагрева и некоторых других факторов. Следовательно, в зоне сварного соединения по его ширине характер превращений будет различным.

В зоне сварки в общем случае в контакте могут находиться 
четыре фазы:

- твердый металл;
-  жидкий шлак;
-  жидкий металл;
-  газовая фаза.
Каждая из них имеет сложный состав, достаточно развитую 
реакционную поверхность, поэтому они активно взаимодействуют между собой. Интенсивность взаимодействия и скорость 
протекания реакций напрямую связаны с тепловыми процессами 
в металле. Результаты этого взаимодействия сказываются на 
составе и свойствах металла шва и сварного соединения, и могут быть как положительными, так и отрицательными. Процессы, приводящие к положительным результатам, следует активизировать, а отрицательные подавлять.

7

Таким образом, тепловые процессы при сварке сопровождаются многообразием других процессов и явлений и во 
многом их определяют.

Всеми процессами, сопровождающими сварку, в том числе 
и тепловыми, необходимо управлять. Это управление возможно 
лишь в том случае, когда известны законы, которым подчиняются эти процессы.

Большая роль и заслуга в развитии теории тепловых расчетов при сварке принадлежит российским ученым и в первую 
очередь академику Н. Н. Рыкалину [1]. Основополагающие вопросы теории сварочных процессов рассмотрены в трудах ведущих специалистов в области сварки [2-6].

Прежде чем перейти непосредственно к рассмотрению тепловых процессов, введем некоторые понятия и дадим определения, которыми придется часто оперировать при изучении этого 
раздела.

1.1 Основные теплофизические величины и понятия

Приведем краткое описание теплофизических величин и 
понятий, используемых в расчетах тепловых процессов при 
сварке.

1. Количество теплоты Q, содержащейся в теле или выделяемой источником теплоты, измеряется в Джоулях (Дж). Одна 
международная калория равна 4,1868 Дж.

2. Температурой Т называется физическая величина, характеризующая степень нагретости тела. В настоящее время 
различают две температурные шкалы: термодинамическую 
(абсолютную) и международную (практическую), рисунок 1.1.

Температура есть величина скалярная, поэтому температурное поле -  также скалярная величина (скалярная величина 
(скаляр) -  это физическая величина, которая имеет только одну характеристику -  численное значение).

Термодинамическая шкала имеет начало в точке абсолютного нуля, термодинамическую (абсолютную) температуру выражают в Кельвинах (К).

8

В практической шкале в качестве единицы температуры 
используют градус Цельсия (°С), а нулю соответствует точка 
таяния льда (О °С=273,15 К).

Цена деления в обеих шкалах одинакова, поэтому изменение температуры АТ имеет одно и то же значение как в кельвинах, так и в градусах Цельсия.

ШКАЛА ФАРЕНГЕЙТА 
ШКАЛА ЦЕЛЬСИЯ 
ШКАЛА КЕЛЬВИНА

Рисунок 1.1 -  Температурные шкалы

3. Температурное поле -  это совокупность температур 
всех точек тела в данный момент времени t. Если температурное 
поле не изменяется во времени, оно называется стационарным.

Т = Т(х, у, z). 
(1.1)

В противном случае -  нестационарным

Т = Т(х, у, z, t), 
(1.2)

где t -  время.

Для наглядности температурные поля часто изображают в 
виде наборов изотермических поверхностей или линий (рисунок 1.2).

Тепловые режимы, характеризующиеся нестационарными 
полями, называют неустановившимися. В случае, когда темпе9

ратурные поля стационарны, тепловые режимы называют установившимися.

Температурное поле принято характеризовать с помощью 
изотерм.

4. Изотермическая поверхность -  это геометрическое место точек тела, имеющих одинаковую температуру (рисунок 
1.2). Изотермами называют линию пересечения какой-либо 
плоскости с изотермической поверхностью. Изотермы не могут 
пересекаться, так как в точках их пересечения одновременно 
имели бы место различные температуры, что физически невозможно.

Если температуры во всех точках тела одинаковы, то поле 
называется однородным.

5. Термический цикл -  зависимость Т = T(t) температуры 
от времени в некоторой фиксированной точке тела.

6. Градиент температуры -  вектор, характеризующий 
степень неоднородности температурного поля в окрестности 
рассматриваемой точки тела. Направление градиента температуры совпадает с направлением наибольшего возрастания температуры, т. е. с нормалью к изотермической поверхности, проходящей через рассматриваемую точку тела (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 -  Изображение температурного поля 
изотермами: а -  изменение температуры по направлению 
SS; б -  касательная tt, пп нормаль к изотерме и градиент

температуры

10