Указания к самостоятельной работе

Экспериментальные исследования процесса распределения тепла при сварке

Цель работы - приобрести опыт и навыки экспериментального определения температуры в ходе нагреваиохлаждения при сварке.

Известны уравнения и формулы [1], используемые для расчетов температурных полей, термических циклов сварки, скоростей охлажде­ния, размеров зон термического влияния и т.д. Однако в ряде случа­ев реальные процессы и явления протекают сложнее, чем это описывается формулами. Часто характер теплового воздействия при сварке, условия распространения теплоты и теплоотдачи от свариваемых деталей настолько сложны и неопределенны, что расчетное определение температур становится либо затрудненным, либо настолько неточным, что его использование оказывается неоправданным.

Экспериментальное определение температур при сварке имеет свои преимущества перед расчетным, хотя и уступает ему в возможности получения анализа общей закономерности, т.к. практически невозмож­но измерить температуру во всех точках нагреваемого тела одновре­менно (что можно сделать с помощью ЭВМ при расчетном методе). Оба метода дополняют друг друга, а решение об использовании одного или иного метода зависит от характера поставленной задачи.

Методы измерения температуры нагретых тел. Существует много ме­тодов экспериментального определения температур [7], [8]. Следует учитывать, что никакой метод измерения температуры не дает ее ис­тинного значения, а получаемая псевдотемпература отличается от ис­тинной на величину ошибки, зависящей от метода измерения.

Рассмотрим подробнее лишь те методы, которые используют при сварке. Один из простейших метопов, так называемый "цветовой" за­ключается в использовании индикаторов температуры: термокраски или термокарандаша. Термокраски меняют цвет непрерывно (400...700К) и позволяют наблюдать положение изотермических линий. Другие крас­ки резко меняют свой цвет при определенной температуре и сохраняют ее в дальнейшем. Существуют краски диапазоном 300...1800 К с одно-, двух-, трех-, четырехкратным изменением цвета при различных темпе­ратурах.

Термокарандаши изготовляют для диапазона 300...950 К с града­цией 50...80 К. Нанося различными карандашами риски, как мелом можно быстро определить распределение температур по изменению цве­та. С их помощью можно определить размеры зоны, нагретой до опре­деленной температуры, момент времени, при котором достигается за­данная температура. Этот метод удобен для определения температуры перед сваркой [8]. Точность измерения составляет несколько Кельвин.

Температуру можно измерить с помощью чувствительных элементов и датчиков, преобразующих ее в некоторую другую, физическую величину за счет изменения электрической проводимости вещества, возник­новения контактной термоЭДС, теплового расширения или изменения давления.

Наиболее простыми датчиками температуры являются электроконтактные термометры с чувствительными ртутными элементами. В них изменение объема ртути, вызванное изменением контролируемой тем­пературы, приводит к закорачиванию двух контактов, впаянных или погруженных в капиллярную трубку, закрепленных на определенном уровне. Зона нечувствительности их 1...3°С. Точность электрокон­тактных термометров составляет 2,..5°С. Однако с их помощью можно контролировать температуру только до 300°С. Их, как правило, ис­пользуют в системах регулирования сварочных устройств.

Более широкое применение имеют термометры сопротивления, прин­цип действия которых основан на зависимости электрической проводимости металлов и полупроводников от их теплового состояния. Они позволяют контролировать температуру до 1250°С. Точность проволоч­ных термометров сопротивления составляет 0,5%.

Чаще всего для измерения температур при сварке используют термоэлектрически чувствительные элементы - термопары, действие которых основано, на возникновении ЭДС спая разнородных проводни­ков. Свойства некоторых материалов, используемых для термопар, приведены в [7].

Широкое применение получили термопары: хромель-алюмель, хромель-копель, платина-платинородий. Рабочие диапазоны их соответственно -20...+1000°С, -500...+600°С, -20...1600°С. Величина термоЭДС, развиваемая термопарой, зависит лишь от материала термопары, температур "горячего" Т и "холодного" Т_о спаев:

е =ά_е(Т-Т₀)

где е - термоЭДС, мВ;

ά_е - коэффициент термоЭДС.

Внимание!

Для того чтобы получить указанное значение термоЭДС, недостаточно иметь какую-то термопару и заданную температуру, не­обходимо выполнить некоторые условия: так как термопара соединя­ется с измерительным устройством проводами из другого материала, нежели материал термопар», то в местах соединения этих проводов с проводниками термопары возникают паразитные и непостоянные термоЭДС. Если соединительные провода выполнены из того же материале, что и один из проводников термопары, то в схеме есть одна точка возникновения паразитной термоЭДС. Это место связи соединительного провода с другим проводником термопары. Такую точку называют "хо­лодным" спаем, так как она, в отличие от "горячего" спая термопа­ры, находящегося в контролируемой среде, располагается вне этой среды и в большинстве случаев при меньшей температуре. Поэтому необходимо обеспечить либо постоянство температуры "холодного" спая, либо компенсацию даваемой ею погрешности. Если при сварке и измеряются температуры свыше 500°С, то можно ограничиться тем, что поместить спай в среду с комнатной температурой, при этом величина ошибки не превысит 4%. К числу недостатков термопар следует отнести их большую инерционность, малую чувствительность и недостаточно высокую механическую и тепловую стойкость.

Если необходимо измерить температуру сварочной ванны, то к тер­мопаре предъявляются следующие дополнительные требования: возмож­ность выдержать высокую температуру; давать устойчивую и достаточ­но большую ЭДС; иметь линейную характеристику. Для этих целей можно использовать вольфрам - рениевые термопары. Еще более подходит для этих целей вольфрам-молибден-алюминиевая термопара ЦНИИЧМ-1. В отличие от других термопар она не имеет точки инверсии и не нуж­дается в термокомпенсации. С помощью такой термопары можно измерить температуру сварочной ванны в разных ее точках в диапазоне 800..1800°С методом погружения.

Повысить эффективность применения термопар можно путем последовательного и параллельного их включения. Две встречновключенные термопары при размещении их "холодных" спаев в одинаковых услови­ях дают разность измеряемых ими температур и не требуют термостатирования.

Внимание!

При контроле температуры с целью исключения ошибок чув­ствительный элемент термопары необходимо защитить от прямого тепло­вого излучения сварочного источника.

При сварке используют термопары в виде двух тонких проводников диаметром 0,1...0,4 мм, концы которых соединяют между собой, нап­ример, с помощью сварки. Так как термоЭДС изменяется при различных температурах среды, термопары тарируют. Шкалы показывающих приборов делают неравномерными, а если в качестве показывающего прибо­ра используют гальванометр, температуру вычисляют по таблицам [7].

Внимание!

Точность измерения зависит от плотности контакта спая термопары сметаллом, так как именно плотность контакта обеспечи­вает одинаковую температуру и спая, и металла. При быстром измене­нии температуры свариваемого металла температура спая будет яругой. Чтобы эта разница температур была минимальной, целесообразно при­менять тонкие проволоки для термопар. Спаи либо приваривают кон­тактной сваркой к металлу, либо начеканивают в небольшое отверстие диаметром 1...2 мм.

Термопара - наиболее надежное средство измерения температуры до 1900 К. При температурах выше 1900 К применяют пирометры.

Пирометрами называют устройства, состоящие из оптической сис­темы и приемника излучения, позволяющие измерить температуру тела по интенсивности и спектральному составу их теплового излучения оптическим методом без прямого контакта с "объектом. Различают пи­рометру полного излучения - радиационные; частичного излучения - монохроматического излучения - яркостного; спектрального соотноше­ния - цветов.

У радиационных пирометров чувствительным элементом является термопара или сопротивление, у всех остальных - фотоэлементы. Отечественной промышленностью выпускается несколько типов радиационных пирометров, например, типа ТЕРа (диапазон 100...4000°С), РАПИР (400...2500°С, тепловая инерция его не превышает 1,8 с, погрешность составляет ±12°С).

Фотоэлектрические пирометры (диапазон температур 30...3500°С). При сварке с их помощью можно контролировать температуру движущихся нагретых тел, регистрировать и регулировать процессы с большой скоростью изменения температуры. Они очень точны. Погрешность из­мерения температуры ±1%. Существенным недостатком их является громоздкость и необходимость высокой квалификации оператора.

Для контроля проплавления, а также других параметров сварочные процессов лучше подходят цветовые пирометры. Они удобны как датчи­ки обратной связи, в случае непрерывного слежения за зоной варки или ванны расплавленного металла. К их преимуществам также можно отнести: высокую точность (±1%); малую чувствительность к появ­лению окисной пленки на поверхности разогретого металла; не так сильно, как яркостные пирометры, реагируют на повышение излучения при уменьшении температуры, связанное с появлением кристалличес­кой структуры при затвердевании зеркала расплавленного металла. На работу таких цветовых пирометров мало влияют поглощающие свой­ства внешней среды. Это явление основано на том, что компоненты внешней среды: воздух, пары воды, частицы дыма, пыли не обладают избирательным поглощением, то есть не ослабляют световое излуче­ние определеннойдлины волны и действуют как нейтральные фильтры. При сварке стальных деталей используют менее точный, но простей­ший по исполнению метод измерения температуры по цветам побежалости.

Дата добавления: 2017-01-13