Способ определения коэффициента сосредоточенности теплового потока от неподвижного источника тепла

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

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.