Способ определения коэффициента сосредоточенности теплового потока от неподвижного источника тепла

 

Использование: для изучения тепловых потоков от источника тепла к обрабатываемому изделию, преимущественно при сварке и родственных процессах. Сущность изобретения; производят измерение температуры в точке в конце действия источника, затем измерение средней температуры пластины к моменту окончания действия источника и определение коэффициента сосредоточенности по его расчетной зависимости . 2 ил.

союз соВетских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

>s В 23 К 31/12

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

à — гТ вЂ” In A(t) at (21) 4855331/08 (22) 27.07.90 (46) 15.09.92. Бюл, К. 34 (71) Тольяттинский политехнический институт (72) В.П.Сидоров и С.М.Абро=имов (56) Зражевский В.А. и др. Сценка коэффициента сосредоточенности нормально распределенного сварочного источника тепла.

Автоматическая сварка, М 11, 1981, с, 25—

26, (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА СОСРЕДОТОЧЕННОСТИ ТЕПЛОИзобретение относится к т хнике измерения тепловых потоков от источника тепла к обрабатываемому изделию, преимущественно при сварке и родственных процессах и может быть использовано в сварочной технике, Известен способ определения коэффициента сосредоточенности теплового потока в пластину от неподвижного источника тепла с нормальным распределзнием плотности теплового потока, по которому фиксируют термические циклы в п риод действия источника в двух точках, расположенных на . противоположной от источника поверхности пластины и на разных эас тояниях от, оси источника, дифференцируют термические циклы, определяют зависимость логарифма отношения производных гермических циклов от времени. после чего коэффициент сосредоточенности k определяют по формуле, „ А „„1 761417 А1

ВОГО ПОТОКА ОТ НЕПОДВИЖНОГО ИСТОЧНИКА ТЕПЛА (57) Использование: для изучения тепловых потоков от источника тепла к обрабатываемому изделию, преимущественно при сварке и родственных процессах. Сущность изобретения; производят измерение температуры в точке в конце действия источника, затем измерение средней температуры пластины к моменту окончания действия источника и определение коэффициента сосредоточенности по его расчетной зависимости. 2 ил. где t — время с начала действия источника. с;

А — отношение производных температур в момент т; г2 и г — расстояние до точек замера, см: а — коэффициент температуропроводности материала пластины, см /с.

Недостатками данного способа являются сложность его выполнения и низкая точность. Сложность выполнения обусловлена необходимостью измерять термические циклы в двух точках, дифференцировать термические циклы и логарифмировать их.

Сложность способа снижает и точность определения k, так как на этапах обработки термических циклов вносятся погрешности.

Низкая точность способа обусловлена также тем, что его применимость ограничена малыми отрезками времени с момента начала действия источника, порядка десятых долей секунды. когда производные терми1761417 ческих циклов отличаются существенно.

При таких малых t источник тепла изменяет условия своего функционирования.

В этой же статье предложен более простой способ определения коэффициента со- 5 средоточенности, Способ состоит в том, что определение коэффициента сосредоточенности теплового потока в пластину от неподвижного источника тепла с нормальным распре- 10 делением теплового потока производят, фиксируя термический цикл в период действия источника в точке, расположенной на противоположной от источника поверхности пластины и совпадающей с осью ис- 15 точника, фиксируют на термическом цикле момент времени то = д /а, где д — толщиг на пластины и выбирают на термическом цикле три момента времени гз>тг>71>то таким образом, чтобы были равны приращения температур на время тг — t1 и за время гз — тг, а коэффициент сосредоточенности рассчитывают по формуле

1 t)+73 2г, 2,з

4а т г, .тз

Недостатком этого способа также является низкая точность, получающаяся близкой к предыдущему способу. На это указана 30 в названной статье.

Низкая точность обусловлена тем, чта для определения коэффициента сосредоточенности используются, не абсолютные значения температур, а их приращения, чта 35 вызвано тем, что при определении k не используется эффективная мощность источника тепла qo, Точность определения снижается также из-за того, что формула (2) предусматривает положение точки замера 40 только точно на нижней плоскости, и на оси источника, что всегда выполняется с определенной погрешностью. Необходимость записи термического цикла и его последующая расшифровка также, усложняют способ 45 и снижают точность определения k.

Целью изобретения является повышение точности замеров, упрощение способа и расширение возможностэйопределения коэффициента сосредоточеннас ти. 50

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе определения коэффициента сосредоточенности теплового потока в пластину от неподвижного источника тепла с нормальным законом распределе- 55 ния теплового потока, по которому измеряют температуру в точке пластины, измеряют приращение температуры в точке в конце действия источника, после прекращения действия источника и выравнивание температур в пластине измеряют приращение средней температуры пластины и определяют коэффициент сосредоточенности по его расчетной зависимости от относительной температуры 0 = AT/АТср, где ЛТ вЂ” приращение температуры в точке замера к моменту окончания действия источника, ЛТср— приращение средней температуры пластины после выравнивания в ней температур.

Проведенные патентные исследования показали, что в известных технических решениях в СССР и за рубежем определение коэффициента сосредоточенности тепловога потока от источника тепла, путем совместного определения температуры в точке в конце действия источника и средней температуры пластины к концу действия источника с использованием расчетной зависимости относительной температуры от сосредоточенности не обнаружено.

Предложенный способ позволяет повысить точность замеров, упростить их и расширить возможности замеров.

На фиг.1 представлена схема проведения замеров, на фиг.2 — аналитическая зависимость относительной температуры от постоянной времени источника to.

Сущность изобретения заключается в следующем. Температурное поле в пластине от неподвижного источника тепла с нормальным распределением теплового потока определяют по формуле:

ЛТ(г,т,ц — — " — д J сф4ла) л=-ж î (t ) (tp + t ) — 2п д) г ) (З)

4at 4a(t + tp) где ро — эффективная мощность источника тепла, Вт; ср — обьемная теплоемкость металла, дж/смз град;

tg — время действия источника, с;

z координата QT плоскости, Н3 кОтОрОИ действует источник, см; г — расстояние от оси источника до цилиндрической поверхности, на которой расположена точка замера, см;

tp- постоянная времени источника тепла, характеризующая сосредоточенность теплового потока, с.

Величина тр связана с коэффициента сосредоточенности k соотношением то

=1/4а, Расчет температуры нагрева тонко листового металла нормально распреде ленным источником тепла при точечно6 сварке импульсной дугой.

Способ основан на установленных авто. рами зависимостях того, что температура ь точке пластины в момент окончания дейст

1761417 вия источника t, наиболее точно представляет сосредоточенность источника за время его действия, а коэффициент k мало зависит от времени действия источника при времени t, соответствующим времени точечной сварки. Кроме того, авторами установлено. что средняя температура пластины к моменту окончания действия источника наиболее полно характеризует комплекс теплофизических свойств материала за период действия источника и может быть легко определена совместно с измерением температуры в точке замера, При действии источника мощностью q< в течение времени «выделится теплота.

Q=- qo t« (4)

С другой стороны, количество теплоты в пластине к моменту окончания действия источника можно представить в виде

Q = cd ЛТ р, (5) где V — объем пластины в cM . з

Приравняв (4) и (5), получим (6)

cp t«

В формуле(5) ср представляет среднюю объемную теплоемкость за время действия источника. Использование соотношения (6) в формуле (3) позволяет не определять по отдельности эффективную мощность qp u объемную теплоемкость ср, а определить их отношение путем замера ЛТср, V, t«.

Средняя температура пластины определяется после ее выравнивания, что очень быстро происходит на таких материалах, как медь и алюминий практически с очень незначительными потерями тепла.

Подставив значение qp/cp из формулы (6) в формулу (3), получим уравнение относительно 1 л=+0 4

1!

2.V ЛТ,р (ас т«(4та) :-по(,>!у (с + л) ф — 22 УР

4at 4a(t + tp)

Разделив левую и правую и правую части уравнения (7) на Тср, получим уравнение для относительной температуры

0 =/ Т/hT, сц(4га) p=-oo (t ) (t. + п)

4at 4a(t + t,)

С помощью уравнения (8) можно по результатам замеров ЛТп », АТ<. определить

55 постоянную времени с„а затем коэффициент сосредоточенности k = 1/4atp.

Определение t< по 0 m» с помощью уравнения (8) можно производить численным методом с помощью специальной программы для ЭВМ или графически.

Графическое решение заключается в том, что для известных параметров способа

tq, à, V, г, z, д строится расчетная зависимость функции О по уравнению (8) от постоянной времени to (фиг.2). Расчетная по выражению (8) производится с помощью разработанной для ЭВМ программы, Необходимая графическая зависимость 0= 1(1 ) определяется заранее, до проведения опыта или после опыта. Расчетная зависимость на фиг.2 получена для следующих параметров: а = 0,5 см /c; г = 0,1 см; Z = 0,16 см; t =

= 4 с; д= 0,2 см. Полученное в результате замеров ATmax иЛ Тср значение Omax Tmax — — — откладывается на оси ординат заыТcp висимости О= 1(0) и графически по точке пересечения прямой, параллельной оси абсцисс, с графиком 0= f(tp), определяется соответствующее 0m>x значение to.

Координаты точки замера пластины r, z выбираются по возможности ближе к осевой точке источника тепла с координатами г = О и z= О, т.к. в этой точке почти всегда близка максимуму производная d0/dt s, зависящая от г, z и,. Возможность расположения точки замера максимально близко к осевой точке источника может ограничиваться расплавлением точки замера, воздействием активного пятна дуги.

Способ осуществляется следующим образом.

Над пластиной 1 толщиной д и диаметров D (фиг.1) помещают сопла 2 плазмотрона с неплавящимся электродом 3. Пластину

1 и электрод 3 подключают к источнику питания 4. Со стороны плоскости пластины 1, противоположной плоскости, над которой располагается сопло 2, на глубину (д -z) устанавливают спай термопары 5. Расстояние от оси электрода 3 до точки замера в плоскости пластины r. Концы термопары подключают к устройству 6 для измерения температуры в точке замера. Для уменьшения потерь тепла в окружающую среду во время замеров пластину 1 теплоизолируют накладками 7 и 8 из теплоизоляционного материала.

При проведении замера включают сжатую дугу, горящую между электродом 3 и пластиной 1 через сопла 2 от источника питания 4, Фиксируют время горения дуги t .

В момент отключения дуги измеряют при1761417 ращение температуры в точке замера

ATmax, Затем в течение определенного периода времени контролируют изменение температуры в точке замера. После прекращения изменения температуры на 5 заранее заданную малую величину в единицу времени измеряют приращение температуры в точке замера снова. Это последнее значение приращения температуры является средним приращением температуры пла- 10 стины Тс>. Рассчитывают относительную максимальную температуру 0 max= Л Т ma х/ Tñð Затем по уравнению (8) по известным значениям координат точки замера z, r; толщине пластины д, времени горения дуги t, 15 температуропроводности а, рассчитывают зависимость 0= f(tc)- фиг, 2 и задаваясь

6max, графически по зависимости 0= f(to) определяют соответствующее данным опыта значение тр и k = =1/4ato. 20

Значение температуропроводности а берется по справочным данным, а остальные величины — по результатам измерений.

Пример 1. Определялся коэффициенг 25 сосредоточенности сжатой трехфазной дуги применительно к плазменной сварке электрозаклепками алюминиевых сплавов. Для проведения замеров использовали алюм»ниевую пластину из сплава AM д = 0,2 см, 0= 7 см, а = 0,5 см /с. Замеры производились при следующих параметрах дуги; ток в изделии (д = 100 А, диаметр и длина канала сопла dc = Ic = 0,4 см; расход плазмообразующего аргона G = 4 л/мин, расстояние от торца сопла до пластины Ic = 0,3 см. Диаметр пластины D был выбран из условия минимального влияния отражения тепла от границ пластины в точку замера не более, чем на 2 % по сравнению с бесконечной пластиной. Измерение температуры производилось хромель-алюмелевой термопарой с диаметром проволоки 0,2 мм и диаметром шарика спая 0,3 мм. Спай термопары зачеканивался в пластину на глубину =-0,16 см. Расстояние от оси источника до точки замера r при проведении замера составило

r =- 0,1 см. Температуру в точке замера определяли через 2 и 4 с после зажигания дуги.

Приращение температуры в точке замера в первом случае составляло Л Т; -- 250 С, а во втором ЛТ2 = 630 С. Дуга стключалась через 4 секунды после зажигания. Ее через 5 с наступило выравнивание температуры пластины до ЛТг1д = 120ОС, т,к. за 10 с температура пластины уменьшилась только на один граг1ус. Обьем пластины составлял

V = 7, 70 мм . Принимая. что мощность источника тепла вводилась в пластину равномерно во времени, т.е. q(t) = const можно записать

АТср1 ЛТср2

tg1 tg2

Отсюда Л Т,р1 = 60 С, т.е. среднемассовое приращение температуры пластины к моменту времени горения tg2 = 2 с с начала действия источника, После этого для tgl получили значение 0 1 = 250/60 = 4,16, а для

tg2 = 630/120 = 5,25. Затем по уравнению (8) с помощью ЭВМ были получены две расчетные зависимости О= f(to) при разном времени t9-2 и 4 с. После построения графиков получили значение коэффициента сосредоточенности k1 = 4,27 /см для td = 2 с и k2 =

1 2

=3,97 /см для tg = 4 с, Пример 2. На том же режиме при т =

=4 с были определены радиусы расплавления при действии источника на пластину на верхней и нижней плоскостях пластины.

Они составили re = 0,2 см, r, = 0 см, т,к. начальная температура пластин ео всех опытах была TH = 20 С, то приращение ЛТ было принято исходя из температуры плавления сплава АМц hTi =- 640 С, По формуле (8) были рассчитаны зависимости то от относительной температуры для z = 0 r = re и при

t = 4 с, С помощью графических зависимостей было найдено значение коэффициента

k: ke = 4,16 / см при Оe = 640/120 = 5,33.

Значение также имеет удовлетворительную сходимость с результатами, полученными в примере 1.

Предложенный способ позволяет значительно повысить точность замеров за счет определения коэффициента сосредоточенности по абсолютным приращениям температур, а не их отношением, а также за счет учета интегральных теплофизических характеристикк п роцесса — отношения q/ср . Способ уп рощается, т.к. температура измеряется только в конце действия источника и после выравнивания температур.

Расширение возможностей замеров обусловлено возможностью производить замеры в любых точках пластины и использовать для определения k радиусы зоны проплавления пластины.

Сравнение результатов, полученных в примерах 1 и 2, показывают, что результаты определения коэффициента сосредоточенности могут быть использованы для расчета размеров зоны проплавления, напримег. при точечной сварке электрозаклепками.

Формула изобретения

Способ определения коэффициента сосредоточенности теплового потока от неподвижного источника тепла с нормальным законом распределения теплового потока

1761417

47

4Тср

Фу Д

Составитель В.Сидоров

Те„ред М.Моргентал Корректор Е.Папп

Редактор

Заказ 3217 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 по которому измеряют температуру в точке пластины и определяют коэффициент сосредоточенности, отличающийся тем, что, с целью повышения точности замеров и упрощения способа, измеряют приращение 5 температуры в точке в конце действия источника, после прекращения действия источника и выравнивания температур в пластине определяют приращение средней температуры пластины, а коэффициент со- 10 средоточенности рассчитывают с учетом от3 носительной температуры, определяемой по зависимости

0 ЬТ/ЛТ, ° где ЛТ вЂ” приращение температуры в точке замера к моменту окончания действия источника;

ЛТ,р — приращение средней температуры пластины после выравнивания в ней температур.

Способ определения коэффициента сосредоточенности теплового потока от неподвижного источника тепла Способ определения коэффициента сосредоточенности теплового потока от неподвижного источника тепла Способ определения коэффициента сосредоточенности теплового потока от неподвижного источника тепла Способ определения коэффициента сосредоточенности теплового потока от неподвижного источника тепла Способ определения коэффициента сосредоточенности теплового потока от неподвижного источника тепла 

 

Похожие патенты:

Изобретение относится к сварке, в частности к способу исследования свойств сварочных материалов на склонность к образованию дефектов

Изобретение относится к области электродуговой сварки с использованием защитного газа и может быть использовано для измерения силового воздействия дуги на сварочную ванну при сварке плавящимся электродом в среде защитных газов

Изобретение относится к области сварочного производства, а именно к методам определения свойств флюсов на основе данных изменения их вязкости от температуры, и может найти применение при выборе сварочных материалов для сварки под флюсом
Изобретение относится к области сварки, в частности к способам получения искусственного дефекта в сварном соединении для исследования механических свойств различных металлов и сплавов, и может быть использовано при исследовании влияния наличия пор и шлаковых включений на свойства сварных соединений

Изобретение относится к лазерной обработке и может быть использовано при изготовлении прецизионных изделий в авиаприборостроении, автомобильной промышленности

Изобретение относится к контролю качества сварных и паяных соединений разнородных материалов и может быть использовано в различных отраслях промышленности

Изобретение относится к области сварки плавлением, преимущественно к электронно-лучевой сварке циркониевых сплавов, и может быть использовано для визуального определения глубины проплавления и формы сварки

Изобретение относится к области восстановления изношенных деталей машин электроконтактной наплавкой и может быть использовано при выборе технологических режимов процесса

Изобретение относится к области восстановления изношенных деталей машин электроконтактной наплавкой проволокой и может быть использовано при выборе технологических режимов процесса
Наверх