Расчет тепловых процессов при дуговой наплавке на лист

Нижегородский государственный технический университет

Кафедра «Машиностроительные технологические комплексы.

Обработка давлением и сварочное производство"

Контрольная работа

по дисциплине

Физико-математические основы сварочных процессов

Расчет тепловых процессов при дуговой наплавке на лист

Исходные данные к курсовой работе

Марка стали — 18кп, ГОСТ 1050–88

Химический состав стали С= 0,18%, Si = 0,05%, Mn = 0,5%,

Толщина листа = 25 мм.

Вид сварки (наплавки) УП

Режим сварки (наплавки) I_св = 580 А, U_Д = 38 В, V_СВ = 52 м/ч.

Дата выдачи задания:

термический цикл сварочная дуга расчет

Расчет теплофизических коэффициентов

Расчет эффективной тепловой мощности сварочной дуг

Выбор расчетной схемы

Расчет времени наступления максимальных температур

Расчет и построение термических циклов точек с заданной максимальной температурой

Расчет скорости охлаждения металла при данной температуре

Список использованных источников

1. Расчёт теплофизических коэффициентов

Важнейшими теплофизическими характеристиками, определяющими закономерность поведения металлов при сварке, являются объемная теплоемкость сг, теплопроводность л, температуропроводность а, удельное электросопротивление р.

Коэффициент теплопроводности л, Вт/см К определяет количество теплоты в Дж, которое проходит в 1 с через площадь поперечного сечения металла 1 см² при градиенте (перепаде температур) 1 К/см.

Объёмная теплоёмкость сг, Дж/см²К определяет количество теплоты и Дж, которое необходимо для нагревания 1 см² металла на 1К.

Коэффициент температуропроводности а, см²/с выражает скорость выравнивания температуры и связан с предыдущими коэффициентами соотношением а= л/ сг.

Знание их температурной зависимости необходимо для решения на персональном компьютере ряда задач, связанных с оптимизацией технологии сварки цветных металлов микроэлектронике, ядерной энергетике и других современных отраслях промышленности.

Нелинейность температурной зависимости теплофизических коэффициентов учитывается только при численных методах расчёта.

Поэтому предпочтение следует отдать более простым методам линейным зависимостям, которые можно использовать не только при численных, но и при аналитических методах расчёта.

Для расчета тепловых процессов при сварке принимаются осредненные значения теплофизических коэффициентов: теплопроводности л, объемной теплоемкости сг, температуропроводности, а и полной поверхностной теплоотдачи, а в диапазоне температур Т_ср., характерном для рассматриваемого процесса.

Анализ этих данных показал, что значения теплофизических коэффициентов находятся в тесной корреляционной зависимости от суммарной атомной доли легирующих элементов в стали.

Для конкретной марки стали осредненные значения теплофизических коэффициентов можно рассчитать в зависимости от содержания легирующих элементов по следующим уравнениям:

где у-суммарная атомная доля легирующих элементов;

C, Ni, Co, Cu, W, Mn, Si, Ai, Cr, V, Ti, Mo, Nb, Zn-массовая доля легирующих

элементов, %.

где л-коэффициент теплопроводности, Вт/см К;

= 0,23 312 Вт/см К

где сг-объёмная теплоёмкость,

= 4,68 516 ,

где а-температуропроводность,

= 0,49 756 .

Температура плавления сталей определяется температурой ликвидус, которая может быть рассчитана в зависимости от легирующих элементов по уравнению:

= 1428? C

Принимаем за расчётную Т_л=1428?C.

Полную поверхность теплоотдачи б, можем рассчитать по уравнению:

= 0,59 512

2. Расчёт эффективной тепловой мощности сварочной дуг

Мощность, которая затрачивается на нагрев и плавление изделия (основного материала), называется эффективной тепловой мощностью нагрева изделия сварочной дугой или кратко эффективной тепловой мощностью сварочной дуги.

Отношение эффективной тепловой мощности сварочной дуги к полной её мощности называется эффективным КПД нагрева изделия сварочной дугой или просто эффективным КПД сварочной дуги:

Эффективный КПД з_и нагрева изделия сварочной дугой показывает какая часть полной мощности дуги затрачивается на нагрев и плавление изделия (основного металла).определяется экспериментально колориметрическим методом и выбирается в зависимости от вида дуговой сварки (таблица 3.4. 2]).

Определив значение эффективного КПД, можно рассчитать эффективную тепловую мощность сварочной дуги q_и, Вт, по формуле:

гдесварочный ток, А;

— напряжение дуги, В;

— эффективный КПД нагрева изделия =0,65 (по таблице 3.4 для ручной

дуговой сварки [2])

=11 663,75 Вт.

3. Выбор расчетной схемы

Расчет нагрева и охлаждения металла при сварке начинают с выбора расчетной схемы (схемы нагреваемого тела и схемы источника теплоты).

При выборе схемы нагреваемого тела учитывают форму и размеры изделия, теплофизические свойства материала, условия теплообмена поверхности изделия с окружающей средой и другие факторы, а при определении схемы источника теплоты — эффективную тепловую мощность, распределение теплового потока, длительность действия, скорость движения и т. д.

Очень важно при выборе этих схем учесть все основные факторы, особенности процесса, обеспечивающие необходимую точность расчёта. С другой стороны, чтобы упростить расчетную схему и снизить трудоемкость расчёта, следует пренебречь всеми второстепенными факторами, не приходящими к большим погрешностям.

Распространение теплоты зависит от формы и размеров наплавляемыхизделий. Точный учёт конфигурации тела может привести к таким

усложнениям расчёта, что его практическое использование окажетсязатруднительным. Поэтому во всех случаях, когда пренебрежениевторостепенными особенностями формы изделия не приводит к большимпогрешностям расчёта, целесообразно упрощать формы рассматриваемых изделий, сводя к простейшим. Грамотное применение такой схематизации должно основываться на чётком понимании физической сущности процесса в целом.

Обычно при наплавке на массивное изделие, схематизируя его сложную форму и размеры, принимают схему полубесконечного тела.

Это когда максимальная температура на нижней поверхности не превышает 10% от Тл (температуры плавления) на верхней поверхности металла в зоне действия сварочной дуги. Можно пренебречь ограниченностью металла по толщине и принять схему полубесконечного тела (ПТ). Другими словами, полубесконечное тело представляет собой массивное изделие с ограничивающей плоскостью Z=0. Остальные поверхности находятся на значительном удаление и не влияют на распространение теплоты. Поток теплоты в этом случае — пространственный. Ошибка от пренебрежения ограниченностью размеров области распространения теплоты тем меньше, чем больше размеры изделия, чем короче расчётная продолжительность процесса распространения теплоты (т.е. суммарная длительность нагрева и охлаждения), чем ближе к источнику теплоты зона расчётных температур и чем ниже коэффициент температуропроводности металла.

Теплоотдачей с поверхности полубесконечного тела можно пренебречь, принять ее адиабатической, так как распределение теплоты в массивном изделии в основном зависит от распространения ее путем теплопроводности вглубь тела, а не от поверхностной теплоотдачи. Теплоотдача с поверхности безусловно оказывает некоторое (малое) влияние на распределение температуры, но не является существенным фактором и ею можно пренебречь.

При выборе схемы источника теплоты используется принцип местного влияния, который устанавливает, что температурное поле зависит существенным образом от характера распределения источника теплоты лишь на расстояниях одного порядка с размерами области, занятой источником. В области, удаленной от источника, температурное поле практически не изменяется, если заменить распределенный источник теплоты сосредоточенным источником равной мощности, который приложен в центре нагрева.

Вблизи дуги температурное поле в изделии любой формы и размеров является пространственным и определяется характером распределения теплоты дуги. Размеры области пространственного распределения имен" один порядок с размерами дугового пятна в массивных изделиях. Вдали от дуги температурное поле определяется формой изделия, т. е. в массивном изделии поле является пространственным.

В соответствии с принципом местного влияния при распространении теплоты в области, не слишком близкой к пятну сварочной душ, можно пренебречь распределением поверхностной плотности тепловою потоки н принять схему сосредоточенного источника теплоты. Схему источник. I выбирают в соответствии со схемой теплопроводящего тела. При наплавке валика на поверхность массивного изделия (толстого листа) источник считается сосредоточенным в точкецентре дугового пятна нагрева.

В зависимости от времени действия точечный источник теплоты нл поверхности полубесконечного тела может быть мгновенным или непрерывно действующим. По скорости перемещения непрерывно действующие источники теплоты могут быть неподвижными, движущимися и быстродвижущимися.

В работах реализована методика определения расчетной схемы с использованием количественных критериев Е, Э₂, Э _з и др.

Для обоснования выбора схемы нагреваемого тела введен критерий

Е=10Т/Т_л

где Тмаксимальная температура на нижней поверхности листа под источником теплоты, Т_л — температура ликвидуса сплава или температура плавления металла.

Для подвижных источников теплоты критерий Е можно рассчитать по уравнению:

При Е < 1 максимальная температура на нижней поверхности листа превышает 0,1Т_л, поэтому можно пренебречь ограниченностью металла по толщине и принять схему полубесконечного тела. При Е > 9 максимальная температура на нижней поверхности листа превышает 0,9Т_л, следовательно, металл практически проплавляется на всю толщину и можно принять схему бесконечной пластины. При 1<�Е<9 используется схема бесконечного листа (плоского слоя).

При выборе схемы источников теплоты, используя принцип местного влияния, обычно принимают схемы сосредоточенных источников теплоты: точечного (для полубесконечного тела и бесконечного листа при Е>9) или линейного (для бесконечной пластины при Е<9).

Определенную сложность представляет выбор схемы источника теплоты по скорости движения.

Для оценки по скорости движения точечного источника теплоты на поверхности бесконечного листа введен новый е₄, связанный с другими с критерием Пекле Ре:

Для обоснования выбора оптимальной расчетной схемы используем критерии Н. Н. Рыкалина ₂ и ₃, а также производные от них критерии ₁ и ₄, связанные между собой критерием Пекле:

где — толщина листа,=2,6 см;

V — скорость сварки, V= 1,8 333 см/с;

Ре — критерий Пекле;

сг — объёмная теплоёмкость, ;

q_и— эффективная тепловая мощность источника теплоты, Вт;

Т_л — температура ликвидус, ?C.

= 56,6094,

=0,238,

При ₁?0,25 максимальная температура на нижней поверхности листа не превышает 0,1Т_л, следовательно металл не проплавляется на всю толщину, тогда можно принять схему полубесконечного тела (ПТ).

Критерии ₂ и ₃ введены Н. Н. Рыкалиным для определения термического КПД по номограммам. Анализ этих номограмм показал, что при ₂40 и ₃400 термические КПД близки к предельным значениям 0,484 и 0,368, соответствующим быстродвижущимся источникам (линейному и точечному). Поэтому значения критериев ₂=40 и ₃=400 могут служить условной границей между движущимся и быстродвижущимся источниками теплоты.

Таблица 1. Расчетные схемы и критерии для их выбора

По полученным критериям по таблице 1 выбираем в качестве расчетной схему быстродвижущегося точечного источника теплоты в полубесконечном теле БТ-ПТ.

4. Расчет времени наступления максимальных температур

Расчет ведется по уравнению максимальных температур для БТ-ПТ:

где t — время, отсчитываемое от момента. Когда источник пересек плоскость YOZ, в которой расположена рассматриваемая точка, с;

— плоский радиус-вектор, см.

Уравнение максимальных температур для мощного быстродвижущегося точечного источника на поверхности полубесконечного тела БТ-ПТ. Используя условие максимума функции в математике, найдем производную по времени t от уравнения и приравняем её к нулю.

Для удобства вычисления производной предварительно логарифмируем выражение:

Дифференцируем это выражение почленно по t, учитывая, что первый член правой частивеличина постоянная;

Отсюда скорость изменения температуры:

Скорость изменения температуры обращается в нуль при следующих условиях:

1. При T=0 вместе с самой температурой.

2. При t=, т. е. при полном выравнивании.

3. При, что соответствует точке максимума функции.

Отсюда или

Подставляя значение t_м в уравнение, получим

где

Максимальная температура при действии мощного быстродвижущегося точечного источника на поверхности полубесконечного тела пропорциональна погонной энергии источника q_и/V и обратно пропорциональна объёмной теплоемкости и квадрату расстояния. r_x от рассматриваемой точки до оси OX.

Для Z=0,

; ;

Результаты расчета сведены в таблицу 2

5. Расчет и построение термических циклов точек с заданной максимальной температурой

6. Расчет скорости охлаждения металла при данной температуре

1. Теория сварочных процессов: Учебник/ А. В. Коновалов и др.; МГТУ им. Н. Э. Баумана; Под ред. В. М. Неровного. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2007. — 750 с.

Теория сварочных процессов / Под ред. В. В. Фролова. — М.: Высшая школа, 1988, 559 с.

Конищев Б. П. Расчет тепловых процессов сварки. Учебное пособие.

Н. Новгород, НГТУ, 1994,86 с.

Конищев Б. П. Исследование зависимости эффективного КПД сварочной дуги от параметров режима сварки.- Н. Новгород, НГТУ, 2006,15 с.

Конищев Б.П., Кормушкина И. Н. Исследования и расчет проплавления основного металла при дуговой наплавке на толстый лист. — Н. Новгород НГТУ, 2006,26 с.

Конищев Б. П. Исследования и расчет термических циклов при дуговой наплавке на тонкий лист. — Н. Новгород: НГТУ, 2007,10 с.

Конищев Б. П. Выбор расчетной схемы тепловых процессов сварки. Сб. «Технологические процессы и оборудование машинои приборостроения».

Межвузовский сборник научных трудов.- Н. Новгород, 1995, с. 135−139.

8 Конищев Б. П., Конищев К. Б. Эпсилон — критерии для выбора расчетной схемы тепловых процессов сварки. Сб. «Сварка и контроль — 2004» Всероссийская с международным участием научно-техническая конф., посвященная 150-летию со дня рождения Николая Гавриловича Славянова. Сб. докладов. Том 2 Теория сварки. Пермь, 2004, с 217−218.

СТП 1- У — НГТУ — 2004. Стандарт предприятия. Общие требования к Оформлению пояснительных записок дипломных и курсовых проектов НГТУ, 2004.

ГОСТ 2. 104 — 68 ЕСКД. Основные надписи.

ГОСТ 2. 105 — 95 ЕСКД. Общие требования к текстовым документам.