Методы расчета тепловых полей при однопроходной сварке

1. Выбор и обоснование расчетной схемы.

1.1 Исходных данных

1.2 Определение режимов сварки

1.3 Определение КПД процесса и эффективной тепловой мощности

1.4 Выбор расчетной схемы

2. Определение интервалов варьирования координат х, у и t с учетом варьирования значения температуры Т.

2.1 Определение максимального значения времени t

2.2 Определение максимальных значений координат х и у

2.3 Определение приращений координат х, у и t, и определение количества точек по каждой из соответствующих координат

3. Построение графика изотермических циклов

4. Построение графика изотермических линий

5. Построение графика максимальных температур

6. Определение параметров сварочной ванны аналитическим и графическим способами.

6.1 Определение максимальной температуры

6.2 Определение мгновенной скорости охлаждения

6.3 Определение длительности пребывания выше температуры

6.4 Определение длины сварочной ванны

6.5 Определение ширины сварочного шва

6.6 Определение ширины зоны нагрева между изотермами Заключение

Список используемой литературы

Тепловые основы сварки — прикладная научная дисциплина, изучающая источники тепла, охлаждение и нагрев металла, и их влияние на протекающие при сварке процессы.

При сварке происходит резкое изменение температуры металла шва от температуры окружающей среды до температуры плавления металла и выше. В этом промежутке температур происходит расплавление и кристаллизация металла, фазовые и структурные превращения: химические реакции в жидкой ванне; объемные изменения основного и наплавленного металла.

Для того чтобы управлять этими процессами, прогнозировать трудности при сварке, и пользуются тепловой теорией, сущность которой состоит в определении температуры в любой точке тела в любой момент времени от действия источника нагрева.

Определение температуры возможно двумя способами: расчетным и экспериментальным. Соответственно экспериментальный метод требует физической постановки задачи и основан на использовании термочувствительных красок и лаков, термопар и пирометров, а расчетный метод основан на теории расчета тепловых полей, в которой определение температуры сводится к решению уравнения через изученные функции от времени, координат и постоянных параметров.

1. Выбор и обоснование расчетной схемы

1.1 Исходные данные

Таблица 1 — таблица исходных данных

В данном варианте предлагается провести расчет тепловых полей при сварке двух металлических пластин, изготовленных из конструкционной углеродистой стали обыкновенного качества с содержанием углерода не более 0,3%, толщиной 5 мм в стык. В качестве способа сварки выбрана дуговая сварка в среде защитного газа, а именно — углекислого (СО₂). В качестве электрода предлагается использовать проволоку диаметром 2 мм.

Для дальнейших расчетов необходимы следующие теплофизические свойства стали Ст3 [1,2]:

1. Температура плавления — Тр₁, К.

2. Коэффициент теплообмена — а, см²/с.

3. Коэффициент теплопроводности — ?, Вт/см *К.

4. Удельная теплоемкость — С?, Дж/см³ * К.

5. Коэффициент теплоотдачи — ?, Вт.

Числовые значения данных теплофизических свойств стали Ст3 приведены в таблице 2.

Таблица 2 — таблица теплофизических свойств стали Ст3

1.2 Определение режимов сварки

Используя исходные данные (таблица 1) необходимо выбрать по справочной литературе соответствующие режимы сварки, а именно: силу сварочного тока, напряжение на дуге и скорость сварки.

Сила сварочного тока I = 180 — 200 A.

Напряжение на дуге U = 28 — 30 В.

Скорость сварки V_св = 20 — 22 м/ч.

Поскольку значение всех режимов сварки задано в интервальном значении, то для расчетов необходимо выбрать величину, лежащую в интервале для каждого параметра сварки соответственно. Принятые для расчетов величины всех режимов сварки приведены в таблице 3.

Таблица 3 — значение величин режимов сварки.

1.3 Определение КПД процесса и эффективной тепловой мощности

После того как были выбраны величины основных режимов сварки для ведения дальнейших расчетов необходимо определить КПД (коэффициент полезного действия) процесса и эффективную тепловую мощность вводимую в тело. При сварке в среде защитных газов КПД изменяется в интервале от 65% до 80%. Для расчетов целесообразно принять максимально возможное значение КПД (80%).

Эффективная тепловая мощность, вводимая в тело, при дуговой сварке стыковых соединений определяется по формуле [1]:

(1.1)

где q — эффективная тепловая мощность, Вт;? — коэффициент полезного действия процесса; U — напряжение на дуге, В; I — сила сварочного тока, А.

Вт.

1.4 Выбор расчетной схемы

Выбор расчетной схемы — наиболее ответственный момент в работе над заданием. Неправильный выбор расчетной схемы повлечет за собой значительные искажения картины температур.

В основу схематизации нагреваемых тел положено представление о распределении температур по толщине детали. Выделяют три основных расчетных схемы тела: полубесконечное тело, бесконечная пластина и плоский слой. сварка изотермический тепловой температура В основе определения той или иной расчетной схемы лежит определение отношения максимальной температуры точки с координатами у = 0 и z =? (? — толщина пластины) к температуре плавления заданной стали (таблица 1) [1, 4].

Максимальная температура точки с координатами у = 0 и z =? определяется по формуле [4]:

(1.2)

где Т_мах — максимальная температура точки с координатами у = 0 и z = ?, К;

q — эффективная тепловая мощность, Вт;

V_св — скорость сварки, см/с;

? — толщина листа пластины, см;

С? — удельная теплоемкость, Дж/см³ * К.

К.

После определения Т_мах необходимо определить величину проплавления пластины, то есть определить соотношение между максимальной температурой точки с координатами у = 0 и z =? и температурой плавления [1, 4]:

(1.3)

где S — величина проплавления пластины; Т_мах — максимальная температура точки с координатами у = 0 и z = ?, К; Тр₁ — Температура плавления, К.

Поскольку величина проплавления пластины больше 0,9 от температуры плавления пластины, то в качестве расчетной схемы тела выбирается бесконечная пластина. Так же на данном этапе необходимо определиться и с источником энергии. Так как в данном варианте скорость сварки в два раза больше скорости при ручной дуговой сварки, а в качестве способа сварки предлагается дуговая сварка в среде защитного газа, то в целесообразно использовать быстродвижущийся линейный источник энергии [1, 4].

2. Определение интервалов варьирования координат х, у и t с учетом варьирования значения температуры Т

2.1 Определение максимального значения времени t

Расчет максимального значения времени t ведется с учетом того, что значение координаты у принимается равным 0, а в качестве приращения температуры (?Т) берется 0,1 от температуры плавления для исходной стали, по формуле [1, 4]:

(2.1)

где ?Т — приращение температуры, К; q — эффективная тепловая мощность, Вт; V_св — скорость сварки, см/с; t — время, с;? — толщина листа пластины, см;? — коэффициент теплопроводности, Вт/см * К; С? — удельная теплоемкость, Дж/см³ * К; а — коэффициент теплообмена, см²/с.

(2.2)

где? — коэффициент теплоотдачи, Вт.

см²/с.

С учетом выше сказанного значение t определим из выражения:

Для удобства расчетов, произведя все возможные математические операции, приведем выражение для определения времени t к виду:

Максимальное значение времени t = 45,347 с.

2.2 Определение максимальных значений координат х и у

Максимальное значение координаты х определяется из выражения [1, 4]:

(2.3)

где х — максимальное значение координаты по оси Ох, см; t — максимальное значение времени, с; V_св — скорость сварки, см/с.

см.

Максимальное значение координаты у определяется из выражения [4]:

(2.4)

где ?Т — приращение температуры, К; q — эффективная тепловая мощность, Вт; V_св — скорость сварки, см/с;? — толщина листа пластины, см; С? — удельная теплоемкость, Дж/см³ * К.

см.

2.3 Определение приращений координат х, у и t, и определение количества точек по каждой из соответствующих координат

Определение приращения координаты по оси Ох осуществляется по формуле:

(2.5)

где ?х — приращение координаты х, см; х — максимальное значение координаты х, см.

см.

Количество точек по оси Ох с учетом величины приращения и максимального значения определяется по формуле:

(2.6)

где Nx — количество точек по оси Ох; ?х — приращение координаты х, см; х — максимальное значение координаты х, см.

Определение приращения координаты по оси Оу осуществляется по формуле:

(2.7)

где ?у — приращение координаты у, см; у — максимальное значение координаты у, см.

см.

Количество точек по оси Оу с учетом величины приращения и максимального значения определяется по формуле:

(2.7)

где Nу — количество точек по оси Оу; ?уприращение координаты у, см; у — максимальное значение координаты у, см.

Определение приращения времени осуществляется по формуле:

(2.8)

где ?t — приращение времени, с, t — максимальное значение времени, с.

см.

Количество точек по оси времени с учетом величины приращения и максимального значения определяется по формуле:

(2.9)

где Nt — количество точек по оси времени; ?tприращение времени, с;t — максимальное значение времени, с.

3. Построение графика изотермических циклов

Для построения графика изотермических циклов необходимо определить значение температуры при различных значения координат х, у и времени t. Вычисления производятся по формуле [1, 4]:

(3.1)

где ?Т — приращение температуры, К; q — эффективная тепловая мощность, Вт; V_св — скорость сварки, см/с; t — время, с;? — толщина листа пластины, см;? — коэффициент теплопроводности, Вт/см * К; С? — удельная теплоемкость, Дж/см³ * К; а — коэффициент теплообмена, см²/с;? — коэффициент теплоотдачи, Вт.

Результату вычислений отображены в таблице 4. График изотермических циклов представлен на рисунке 1.

4. Построение графика изотермических линий

Для построения графика изотермических линий необходимо определить значение координаты у при различных значения координат х, заданном приращении температуры? Т и времени t [1, 4].

Вычисления производятся по формуле [4]:

(4.1)

где ?Т — приращение температуры, К; q — эффективная тепловая мощность, Вт; V_св — скорость сварки, см/с; t — время, с;? — толщина листа пластины, см;? — коэффициент теплопроводности, Вт/см * К; С? — удельная теплоемкость, Дж/см³ * К.

Кроме построения изотермических линий, необходимо определить влияние величин скорости сварки и эффективной тепловой мощности на характер кривых и процессы протекающие в сварочной ванне. Для этого необходимо построить два дополнительных графика, в которых уменьшаются значения эффективной тепловой мощности и скорости сварки. Результату вычислений отображены в таблицах 5, 6 и 7. Графики изотермических линий представлены на рисунке 2.

1,2…7 — номера изотермических циклов Рисунок 1 — график изотермических циклов

Таблица 4 — данные для построения изотермических циклов

Таблица 5 — данные для

построения изотермических линий (условия: q = 4800 Вт, V_св = 0,55 см/с) Таблица 6 — данные для построения изотермических линий (условия: q = 4800 Вт, V_св = 0,35 см/с)

Таблица 7 — данные для построения изотермических линий (условия: q = 3000 Вт, V_св = 0,55 см/с)

5. Построение графика максимальных температур

Определение координат точек графика максимальных температур осуществляется по графику изотермических циклов. Данные необходимые для построения графика максимальных температур приведены в таблице 8. График представлен на рисунке 3.

1,2…6 — номера изотермических линий, построенных при условиях: q = 4800 Вт, V_св = 0,55 см/с; 1', 2'…6' - номера изотермических линий, построенных при условиях: q = 4800 Вт, V_св = 0,35 см/с; 1'', 2''…6'' - номера изотермических линий, построенных при условиях: q = 3000 Вт, V_св = 0,55 см/с Рисунок 2 — графики изотермических циклов Таблица 8 — данные для построения графика максимальных температур

1,2…6 — точки для построения графика максимальный температур Рисунок 3 — график максимальных температур

6. Определение параметров сварочной ванны аналитическим и графическим способом

6.1 Определение максимальной температуры

Определение максимальной температуры аналитическим способов в точке с заданной координатой по оси Оу осуществляется по формуле [4]:

(6.1)

где Т_мах — максимальная температура, К; q — эффективная тепловая мощность, Вт; V_св — скорость сварки, см/с;? — толщина листа пластины, см; С? — удельная теплоемкость, Дж/см³ * К; а — коэффициент теплообмена, см²/с; у₀ — координата по оси Оу, см.

В нашем случае необходимо определить максимальную температуру в точке с координатой у = 1,948 см.

Определение максимальной температур графическим способом в точке при заданной координате по оси Оу осуществляется по графику изотермический циклов (рисунок 1).

При у = 1,948 см, Т = 298 К.

После определения максимальной температуры в точке с заданной координатой по оси Оу необходимо определить относительную погрешность, которая определяется по формуле:

(6.2)

где? — относительная погрешность, %; Т_а — максимальная температура, определенная аналитическим способом, К; Т_г — максимальная температура, определенная графическим способом, К.

.

6.2 Определение мгновенной скорости охлаждения

Определение мгновенной скорости охлаждения аналитическим способом точек, лежащих на оси шва, при заданной температуре осуществляется по формуле [4]:

(6.3)

где q — эффективная тепловая мощность, Вт; V_св — скорость сварки, см/с;? — толщина листа пластины, см; С? — удельная теплоемкость, Дж/см³ * К;? — коэффициент теплопроводности, Вт/см * К; Т — температура, К;? — мгновенная скорость охлаждения, К/с.

В нашем случае необходимо определить мгновенную скорость охлаждения точек, лежащих на оси шва, при Т = 181 К.

К/с.

Определение мгновенной скорости охлаждения точек, лежащих на оси шва, графическим способом осуществляется по графику изотермических циклов (рисунок 1) как тангенс угла касательной. При расчете тангенса необходимо учитывать связь между временем и координатой по оси Ох:

(6.4)

где? — мгновенная скорость охлаждения, К/с;? — угол наклона касательной к соответствующей кривой.

К/с.

После определения мгновенной скорости охлаждения точек, лежащих по оси шва, при заданной температуре необходимо определить относительную погрешность, которая определяется по формуле:

(6.5)

где? — относительная погрешность, %; ?_а — мгновенная скорость охлаждения, определенная аналитическим способом, К/с; ?_г — мгновенная скорость охлаждения, определенная графическим способом, К/с.

.

6.3 Определение длительности пребывания выше температуры

Определение длительности пребывания выше заданной температуры аналитическим способом определяется по формуле [4]:

(6.6)

где q — эффективная тепловая мощность, Вт; V_св — скорость сварки, см/с;? — толщина листа пластины, см;? — коэффициент теплопроводности, Вт/см * К; С? — удельная теплоемкость, Дж/см³ * К; t_н — время нахождения выше заданной температуры, с; Т_мах — максимальное значение температуры в точке с координатой у₀, К; ?_н — безразмерный коэффициент времени, который можно определить по формуле [4]:

(6.7)

где, а — коэффициент теплообмена, см²/с; у₀ — координата по оси Оу, см; t — время, с.

с.

Определение длительности пребывания выше заданной температуры графическим способом определяется по графику изотермических циклов (рисунок 1).

При Т = 181 К t_н = 30,345 с.

После определения длительности пребывание выше заданной температуры графическим и аналитическим способом, определим относительную погрешность по формуле:

(6.8)

где? — относительная погрешность, %; t_а — длительность пребывания выше заданной температуры, определенная аналитическим способом, с; t_г — длительность пребывания выше заданной температуры, определенная графическим способом, с.

.

6.4 Определение длины сварочной ванны

Определение длины сварочной ванны аналитическим способом осуществляется по формуле [4]:

(6.9)

где L — длина сварочной ванны, см; V — скорость сварки, см/с; t — время, которое определяется из формулы (3.1):

В нашем случае? Т = 181 К, а у = 1,948 см. Для упрощения вычисления времени t вычислим все математические операции и формула примет вид:

(6.10)

Тогда t = 36,41 с.

см.

Определение длины сварочной ванны графическим способом осуществляется по графику изотермических линий (рисунок 2).

При у = 1,948 см и? Т = 181 К, L = 16,83 см.

После определения длины сварочной ванны графическим и аналитическим способом, определим относительную погрешность по формуле:

(6.11)

где? — относительная погрешность, %; L_а — длина сварочной ванны, определенная аналитическим способом, см; L_г — длина сварочной ванны, определенная графическим способом, см.

.

6.5 Определение ширины сварочного шва

Определение ширины сварочного шва аналитическим способом осуществляется по формуле:

(6.12)

где В — ширина сварочного шва, см; у_мах — максимальное значение координата по оси Оу при заданном значении приращения температуры, коротая определяется по формуле (4.1).

При ?Т = 181 К, у_мах = 2,538 см.

см.

Определение ширины сварочного шва графическим способом определяется по графику изотермических линий (рисунок 2) при заданном значении приращения температуры.

При ?Т = 181 К, В = 5 см.

После определения ширины сварочного шва графическим и аналитическим способом, определим относительную погрешность по формуле:

(6.13)

где? — относительная погрешность, %; В_а — ширина сварочного шва, определенная аналитическим способом, см; В_г — ширина сварочного шва, определенная графическим способом, см.

.

6.6 Определение ширины зоны нагрева между изотермами

Определение ширина зоны нагрева между двумя заданными изотермами аналитическим способом осуществляется по формуле [4]:

(6.14)

где у_мах 1 — максимальное значение координаты по оси Оу при заданном значении приращения температуры? Т₁, см; у_мах2 — максимальное значение координаты по оси Ох при заданном значении приращения температуры? Т₂, см; 2l — ширина зоны нагрева между двумя изотермическими линиями, см.

Максимальное значение координаты по оси Оу при заданном значении приращения температуры определяется по формуле (4.1):

При ?Т₁ = 181 К у_мах1 = 2,558 см, и при? Т₂, = 326 К у_мах2 = 1,727 см;

см.

Определение ширины зоны нагрева между двумя заданными изотермами графическим способом осуществляется по графику изотермических линий. 2l = 1,62 см.

После определения ширины зоны нагрева между двумя заданными изотермами графическим и аналитическим способом, определим относительную погрешность по формуле:

(6.15)

где? — относительная погрешность, %; 2l_а — ширина зоны нагрева между двумя заданными изотермами, определенная аналитическим способом, см; 2l_г — ширина зоны нагрева между двумя заданными изотермами, определенная графическим способом, см.

.

Заключение

В данной курсовой работе производится расчет тепловых полей при однопроходной сварке по заданным условиям (таблица 1). В ходе выполнения работы были определены значения температуры при различных значениях координат х, у и времени t (таблица 4). На основании полученных расчетных данных был построен график изотермических циклов, для точек, лежащих на оси шва при разных значениях координаты у и времени t (рисунок 1). По данному графику можно судить о корректности, предложенных справочной литературой [3], основных режимов сварки, а именно силе сварочного тока, напряжения на дуге и скорости сварки. В данном варианте можно говорить о там, что предложенные режимы сварки были не корректны, потому что они не обеспечили оптимальных условий для процесса сварки, а именно расплавления металла и образования сварочной ванны. Для получения оптимальных условий сварки необходимо изменить один или несколько из основных режимов сварки. Например, увеличение силы сварочного тока, напряжения на дуге и уменьшение скорости сварки приведут к резкому увеличению температуры, до которой разогревается метал, и следовательно к образованию сварочной ванны. Кроме того по графику изотермических циклов (рисунок 1) можно определить ряд параметров сварочной ванны.

Так же в данной работе был построен график изотермических линий (рисунок 2), для чего были определены значения координаты у при различном значении координаты х, и заданных приращениях температуры и времени (таблица 5,6,7). Соответственно по данному графику можно определить ряд таких важных параметров, как ширина сварочного шва или длина сварочной ванны. Так же была определена зависимость характера и вида изотерических линий от величины эффективной тепловой мощности и скорости сварки. Уменьшение эффективной тепловой мощности, при неизменном значении других параметров, привело к уменьшению размера изотермических линий, то есть к уменьшению длины сварочной ванны и ширины сварочного шва, а уменьшение скорости сварки, при неизменном значении других параметров, наоборот, привело к увеличению размеров изотермических линий. На основании этого можно сделать вывод о том, что уменьшение скорости сварки и увеличение эффективной тепловой мощности способствует большему нагреву метала, а следовательно, повышается вероятность образования сварочной ванны.

Помимо построения графиков изотермических линий (рисунок 2) и изотермических циклов (рисунок 1), в курсовой работе были определены параметры сварочной ванны, к которым относятся такие важные характеристики, как ширина сварочного шва, длина сварочной ванны или мгновенная скорость охлаждения, или ширина зоны нагрева, графическим и аналитическим способами. Сопоставление данных полученных аналитическим и графическим методами позволяет судить о правильности расчетов проведенных для построения графиков изотермических линий (рисунок 2) и изотермических циклов (рисунок 1). В данном варианте различие величин параметров сварочной ванны, определенных графическим и аналитическим методами в большинстве случаев не привыкает 10%, что свидетельствует о правильности расчетов. Различие больше чем в 10% можно объяснить наличием ряда допущений, которые полагаются при определении и выборе расчетной схемы, а также в формулах предложенных справочной литературой для определения параметров сварочной ванны аналитическим способом.

Список использованных источников

1. Клешнина О. Н. Теория сварочных процессов: Методические указания для выполнения курсовой работы / Сост. О. Н. Клешнина, В. Д. Бердоносов. — Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2003. — 16 с.

2. Физические величины: Справочник / А. П. Бабичев [и др.]; Под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. — М.: Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с.

3. Сварка в углекислом газе / И. И. Заруба [и др.]. — Киев, 1966. — с.

4. Теория сварочных процессов: Учеб. для вузов по спец. «Оборуд. и технология сварочн. пр-ва» / В. Н. Волченко [и др.]; Под ред. В. В. Фролова. — М.: Высш. шк., 1988. — 559 с.: ил.

5. Короткова М. В. Текстовые студенческие работы. Правила оформления: Руководящий нормативный документ / Сост. М. В. Короткова, Е. О. Колесникова. — Комсомольск-на-Амуре: «КнАГТУ», 2009. — 50 с.