соотношения по реакции полного сгорания: 2,3 - для ацетилена; 2,0 - для метана; 0,8 - для коксового газа; 0,4 - для водорода; 3,5 - для пропано-бутано-вой смеси.

С увеличением средней скорости истечения горючей смеси интенсивность теплообмена и эффективная мощность пламени увеличиваются.

№ наконечника 1 2 3567 Расход С2И2 М 250 Ш 61510101700 2630ф d сопла 0,9В 1,311,63 2,0 2,5 2,96 3,5 мм

3, Тепловые характеристики сварочного ацетилено-кислородного пламени простой горелки

q,Ka/i/c 2Ш

О Ш 800 1200 WOO 2000 Vc , л/ч О Ш 800 1200 1600 2000 VcHih

а) 6)

Рис. 11. Эффективная мощность пламени, длина ядра (а) и эффективный КПД (б) процесса нагрева металла в зависимости от расхода ацетилена (номера наконечника простой горелки)

Распределение удельного теплового потока пламени простой горелки по радиусу г пятна нагрева приблизительно описывают соотношением (2) (рис. 13).

Для расчетов удобно характеризовать распределение теплового потока постоянной времени - Uak. Коэффициенты сосредоточенности k пламени

простых горелок убывают, а постояы-

Прадый нагрев q, кал (с

ЛеВый нагрев

ные времени возрастают с увеличением номера наконечника и расхода ацетилена (табл. 3).

Газовое пламя нагревает металл значительно медленнее и плавнее, чем сварочная дуга, так как наибольший тепловой поток на оси ацетилено-кис-лородного пламени простой горелки в 8-12 раз меньше открытой сварочной дуги примерно одинаковой эффективной мощности.

Рис. 12. Эффективная мощность пламени простой горелки в зависимости от угла наклона ф оси пламени к поверхности металла для наконечников № 1 и 5

Сложные горелки, многопламенные и щелевые, позволяют регулировать форму и размеры пламени и распределять тепловой поток заданным образом по участкам поверхности металла.

-4 -5 -2 -/

Рис. 13. Распределение удельного теплового потока 92 пламени простой горелки по радиусу г пятна нагрева металла при угле наклона 90°:

а - схема; 6 - распределение при различных номерах наконечников (разный расход ацетилена)

Нагрев тонких металлических листов (с полным выравниванием температуры по толщине) плазменной струей и пламенем простой горелки (с осью, перпендикулярной к поверхности листа), неподвижным или перемещающимся прямолинейно с постоянной скоростью V, см/с, описывается схемой подвижного

2 п/р. Ольшанского, т. 1

нормально-кругового источника теплоты в тонкой пластине с теплоотдачей 1емпературное поле в процессе теплонасыщения, отнесенное к подвижной схеме координат XOY с центром в фиктивном сосредоточенном источнике О, движущемся на расстоянии vto впереди центра С истинного источника (рис. 14), выражается соотношением

= 24sP(-i + ) (P2H2(Po, Т + То)-1].2(р2, То)],

(12)

где р2 -г / 4 + - ; ll + j; то==(4- + 6 10-безразмерные критерии расстояния и времени; коэффициент теплонасыщения определяется из графика

Рис. 14. Схема нагрева тонкой пластины:

а - поверхностным нормально-круговым источником теплоты; б - быстродвижущимся поверхностным нормально-полосовым источником теплоты

(СМ. рис. 7, б); & = -; а, кал/(см2-с. °С) - коэффициент теплообмена, который

выбирают как среднее из значений коэффициентов теплообмена между пламенем и верхней поверхностью листа 0,01 -т- 0,015 кал/(см2-с-°С)] и между нижней поверхностью листа и спокойным воздухом [ с = 0,001 кал/(см-с-°С)].

С приближением к предельному установившемуся состоянию процесса первое слагаемое в квадратных скобках стремится к единице,

По мере повышения скорости перемещения нормального источника температурное поле в листе приближается к полю быстродвижущегося нормально-полосового источника (рис. 14, б):

Т (У, [4яЯст {t+Q]-M2 ехр

Ы

(13)

Нагрев поверхности массивного тела (например, листа толщиной более 40 мм) плазменной струей или неподвижным пламенем простой горелки с осью.

Нагрев металла газовым пламенем

перпендикулярной к нагреваемой поверхности, описывается схемой нормально-кругового источника теплоты на поверхности полубесконечного тела (рис. 15).

Рис. 15. Схема нагрева полубесконечного тела поверхностным нормально-круговым источником теплоты

Рис. 16. Процесс нагрева поверхности полубесконечного тела непре-рывнодействующим неподвижным нормально-круговым источником теплоты; if - коэффициент теплонасыщения центральной точки С (см. рис. 15)

Температура в центре источника С в процессе теплонасыщения, являющаяся максимальной температурой нагреваемого тела, выразится

T{ty

2Х VAnato

arctgl/

(14)

Первый сомножитель выражает максимальную температуру центральной точки при предельном состоянии процесса.

Второй сомножитель является коэффициентом теплонасыщения (рис. 16), который стремится к единице в предельном состоянии процесса нагрева.

Рис. 17. Схема (а) нагрева поверхности полубесконечного тела мощным быстро-движущимся нормально-круговым источником (г) и эквивалентная ей схема (б) нагрева нормально-линейным источником qi (у) 2*

Расчеты тепловых процессов при сварке

Нагрев поверхности массивного тела плазменной струей или пламенем горелки при большой скорости перемещения описывается выражением температуо-ного поля быстродвижущегося нормально-линейного источника (рис 17)-

Ш 4а (0+0 J

(15)

--- ехр

где время t отсчитывают от момента, когда центр источника пересек рассматриваемую плоскость.

При нагреве поверхности массивного тела плазменной струей или пламенем простой горелки при прямолинейном перемещении с постоянной скоростью v

nmaxOjS 7

-0.2 О

f 2 3 5р

рис. 18. График относительной максимальной температуры б точек поверхности полубесконечного тела на оси перемещения нормально-кругового источника теплоты и коэффициента ла для определения расстояния точек с максимальной температурой от центра источника в зависимости от критерия р

Рис. 19. Схема нагрева продольного шва трубы длиной / из тонкого листа пламенем быстродвижущейся линейной горелки

максимальная температура Гтах предельного состояния в точке М на оси перемещения источника и расстояние / точки М от центра источника выражаются

Т =

(16)

f=]/ iatonf - vto.

Коэффициенты 6 и выбирают из графика (рис, 18) в зависимости от кри-

терпя скорости

4а

(17)

Нагрев тонких металлических листов толщиной S, см, пламенем линейной горелки (например, при газопрессовой сварке продольных швов труб) описывается схемой нормально-полосового источника длиной /, см, с линейной мощностью q, кал/см, и коэффициентом сосредоточенности k в направлении оси 0Y, быстро движущегося с постоянной скоростью о, см/с, в направлении оси ОХ (рис. 19) при коэффициенте теплообмена пламени с металлом а.

Температура листа Т (/) в точках оси перемещения горелки под пламенем, т. е. в стадии нагрева / < l/v (область на рис 19), выражается

Г(/) =

118)

Нагрев металла потоками частиц и излучения

Относительную температуру 6 выбирают по номограмме на рис 20 в зависимости от относительной длительности нагрева о и безразмерной постоянной 2а

Рис. 20. Номограмма зависимости относительной температуры в точках на оси ОХ от критериев Tq и tito при нагреве тонкого листа пламенем быстродвижущейся линейной горелки

Температуру листа Tj (О в точках оси перемещения горелки позади пламени (см рис 19 область /), т. е. в стадии охлаждения t > llv, вычисляют как разность температур по формуле (18) при разных значениях аргумента

(19)

Ti{i) = T (i) - T Примеры расчета приведены в монографиях [1,2].

НАГРЕВ МЕТАЛЛА ПОТОКАМИ ЧАСТИЦ И ИЗЛУЧЕНИЯ

Тепловые характеристики сфокусированного электронного луча. Явление термоэмиссии дает возможность создать в вакууме направленный поток электронов, кинетическая энергия которых при столкновении с твердым или жидким материалом превращается в теплО; выделяемое в материале.

В электронно-лучевых установках, используемых для сварки, ускоряющее напряжение изменяется в пределах от 10 до 150 кВ. Сила тока электронных пушек изменяется от нескольких десятков миллиампер до единиц ампер, а мощность электронно-лучевых установок составляет единицы и десятки киловатт.

Ускоренные электроны, сформированные электронно-оптической системой в пучок, попадая на поверхность твердого тела, проникают вглубь и выделяют энергию в некотором объеме, прилегающем к поверхности обрабатываемого из делия. Максимальная глубина проникновения электронов в твердое тело практически для всех обрабатываемых материалов не превышает десятых долей миллиметра при ускоряющих напряжениях до 150 кВ.

Потери энергии электронного луча связаны со вторичной эмиссией электронов, рентгеновским излучением, соударениями с молекулами газа в вакуумной камере потерями на аноде и с ионизацией паров металла.