Расчет тепловых процессов при сварке

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Анализ, выбор, обоснование расчетной схемы температурного поля

2. Расчет распределения температур вдоль оси шва и построение кривых распределения температур

3. Расчет распределения температур перпендикулярно оси шва и построение кривых распределения температур

4. Расчет мгновенной скорости охлаждения

Заключение

Список литературы

Приложения



Введение

Почти все существующие виды сварки основаны на местном концентрированном нагреве участков изделия до температур расплавления или до пластического состояния. Неправильный режим нагрева и охлаждения изделия в процессе сварки плавлением может стать причиной появления таких серьезных дефектов сварки, как трещины, непровары, подрезы и другое.

Тепловое состояние металлического шлака и других компонентов, взаимодействующих в процессе образования сварного соединения, в значительной мере обуславливает характер, направление и скорость протекания всех физико-химических и металлургических процессов. Величина и характер деформаций и напряжений, возникающих в конструкциях при сварке, зависит, главным образом, от цикла нагрева и охлаждения изделия, от характера температурных полей.

С тепловыми процессами непосредственно связаны такие важнейшие характеристики сварки, как скорость нагрева металла, скорость расплавления, производительность сварки и ее технико-экономическая эффективность.

Таким образом, без учета теплового состояния металла нельзя достаточно глубоко объяснить большинство явлений, наблюдаемых при сварке.

Наука о тепловых основах сварки рассматривает процессы распространения тепла при нагреве металла различными источниками, влияние их на процессы плавления металла, а также на термический цикл и возникающие в шве и в основном металле структурные и объемные изменения.

В расчетах тепловых процессов при сварке широко используют зависимости, полученные путем схематизации и упрощения действующих процессов распространения теплоты.

Эти упрощения в основном сводятся к следующему:

1.Источники теплоты считают либо сосредоточенными, либо распространенными по соответствующему закону, который позволяет относительно просто описать процесс распространения теплоты;

2.Формы тела упрощают;

3.Теплофизические коэффициенты: л,a, б,cс принимаются независимо от температуры.

Принимаются следующие схемы нагреваемого тела:

а)бесконечное тело. Бесконечное телоЇтело, которое имеет такую протяженность по осям xx, yy ,zz, при которых его границы не влияют на характер теплового поля;

б) полубесконечное тело. Полубесконечное тело - тело с одной ограничивающей плоскостью, которая влияет на распространение тепла, тогда как остальные граничные поверхности достаточно удалены от источника тепла и наличие их не сказывается на распространении тепла по изделию;

в) плоский слой. Плоский слой- это тело, ограниченное двумя параллельными плоскостями, расположенными близко от источника тепла, что их наличие приводит к истеканию теплового поля. Другие ограничивающие поверхности тела достаточно удалены от источника и не влияют на распространение тепла. В данном случае температура точек по толщине непостоянна;

г) бесконечная пластина. Бесконечная пластина представляет собой тело, ограниченное двумя параллельными плоскостями z=0 и z=у. При использовании этой схемы всегда предполагают, что температура по толщине листа равномерна, а теплота может распространяться только в плоскости с координатными осями xиy;

д) полубесконечная пластина. Полубесконечная пластина - тело, ограниченное двумя параллельными плоскостями z=0 и z=у и плоскостью y. Остальные условия те же, что и у бесконечной пластины;

1. Анализ, выбор, обоснование расчетной схемы температурного поля.

По заданным условиям сварки выбрать и обосновать расчетную схему определения температурного поля.

Выбор правильной схемы тела и источника теплоты определяют возможность приближения расчета к реальным условиям в соответствующих конкретных случаях. Вот почему так важно правильно подобрать расчетную схему процесса распространения тепла при сварке.

Согласно рекомендациям по выбору расчетных схем для наплавки валика на поверхность массивного тела дуговой сваркой за один проход при длительном воздействии источника теплоты, перемещается практически прямолинейно и равномерно, наиболее близко к реальному характеризует процесс сварки.

Расчетная схема для первого задания: точечный подвижный источник тепла в полубесконечном теле. За массивное тело принимается полубесконечное тело с одной ограничивающий плоскостью (z=0). Остальные поверхности находятся на значительном удалении от нее и практически не влияют на распространение теплоты [2,c.16]. Поток теплоты в этом случае пространственный. Погрешность расчета от пренебрежения ограниченностью размеров области распространения теплоты тем меньше, чем больше размеры тела, короче расчетная продолжительность процесса распространения теплоты(т.е. суммарная длительность нагрева и охлаждения), чем ближе к источнику теплоты область тела, для которой производится расчет температур, и чем ниже коэффициент температуропроводности материала тела.

Расчетная схема для второго задания: в качестве расчетной схемы изделия примем пластину, расчетная схема источника тепла - быстродвижущийся линейный источник. При использовании этой схемы, в отличие от схемы плоского слоя, всегда полагают, что температура по толщине изделия распределена равномерно. Тепловой поток в этом случае - плоский. Ошибка в расчетах от такого предположения тем меньше, чем меньше толщина изделия, чем больше продолжительность процесса, чем меньше коэффициент температуропроводности материала, чем дальше от источника теплоты расположена зона, для которой производится расчет температур, и чем меньше коэффициент поверхностной теплоотдачи.

2. Расчет распределения температур вдоль оси шва и построение кривых распределения температур

Температурное поле предельного состояния при нагреве поверхности полубесконечного тела подвижным точечным источником постоянной мощности можно получить из выражения (6.19)[1,с.220], полагая что t=?.

Расчет температур ведем по формуле:

, (1)

где -эффективная тепловая мощность дуги,Вт;

-коэффициент теплопроводности, Дж/см•с•град;

- скорость сварки, см/с;

a - коэффициент температуропроводности, см2/с;

R- расстояние от точки плавления до точки, в которой необходимо определить температуру, см;

, (2)

где z- аппликата заданной точки(z=0),см;

Отсутствие переменной t, связанной со временем протекания процесса, в выражении (1) означает, что предельное состояние достигнуто. Изотермические поверхности являются поверхностями вращения относительно оси Ox. Изотермы в плоскости xOy являются замкнутыми кривыми, сгущенными впереди источника и растянутыми позади него. Чем быстрее движется источник, тем более вытянуты изотермические кривые.

Найдем эффективную тепловую мощность по следующей формуле:

, (3)

где Iсв - сила тока, А;

- напряжение источника, В;

- КПД источника.

(кал/с)

Примем следующие средние значения теплофизических величин для стали: , .

Эфф. КПД : принимаемдля РДС,;

При расчете температур точек, лежащих на оси позади движущейся дуги, .

Тогда

Значения температур, расположенных на оси Х-Х позади источника тепла на расстоянии 5мм; 10мм; 15мм; 20мм; 30мм; 40мм; 60мм; 80мм; 100мм при у=0 представлены в таблице 1.



Распределения температур вдоль оси шва, позади источника тепла, на различных расстояниях, при у=0:

Таблица 1.

Х, см	У, см	R, см	(х+R), см	е		Т,°С
- 0,5	0	0,5	0	1	1017,46	1017
- 1,0	0	1,0	0	1	508,73	508
- 1,5	0	1,5	0	1	339,1533	339
- 2,0	0	2,0	0	1	254,365	254
- 3,0	0	3,0	0	1	169,5767	169
- 4,0	0	4,0	0	1	127,1825	127
- 6,0	0	6,0	0	1	84,78833	84
- 8,0	0	8,0	0	1	63,59125	63
- 10,0	0	10,0	0	1	50,873	50

При определении температур точек, лежащих впереди движущейся дуги, будем иметь в виду, что для них . Тогда

Значения температур, расположенных на оси Х-Х впереди источника тепла на расстоянии 0,1мм; 0,2мм; 0,3мм; 0,5мм; 1мм при у=0 занесены в таблицу 2.

Распределения температур вдоль оси шва, впереди источника тепла, на различных расстояниях, при у=0:

Таблица 2.

Х, см	У, см	R, см	(х+R), см	е		Т,°С
0,01	0	0,01	0,02	0,984914937	50873	18369
0,02	0	0,02	0,04	0,970057433	25436,5	10751
0,03	0	0,03	0,06	0,955424055	16957,67	6409
0,05	0	0,05	0,1	0,926816207	10174,6	4082
0,1	0	0,1	0,2	0,858988281	5087,3	2547



Значения температур, расположенных на оси Х-Х позади источника тепла на расстоянии 5мм; 10мм; 15мм; 20мм; 30мм; 40мм; 60мм; 80мм; 100мм и впереди источника тепла на расстоянии 0,1мм; 0,2мм; 0,3мм; 0,5мм; 1мм при у=1 представлены в таблице 3.

Распределения температур вдоль оси шва, позади и впереди источника тепла на различных расстояниях, при у=1:

Таблица 3

Х, см	У, см	R, см	(х+R), см	е		Т,°С
- 0,5	1	1,11	0,61	0,625186151	455,0219	284
- 1,0	1	1,41	0,41	0,729933162	359,7264	262
- 1,5	1	1,8	0,3	0,794446618	282,1926	224
- 2,0	1	2,23	0,23	0,835761776	227,511	190
- 3,0	1	3,16	0,16	0,883971001	160,8746	142
- 4,0	1	4,12	0,12	0,910683124	123,3851	112
- 6,0	1	6,08	0,08	0,939037821	83,6347	78
- 8,0	1	8,06	0,06	0,95378606	63,10019	60
- 10,0	1	10,05	0,05	0,962803948	50,62053	48
0,01	1	1,00005	1,01	0,464107998	508,7046	236
0,02	1	1,0002	1,02	0,460541649	508,6283	234
0,03	1	1,00045	1,03	0,456967995	508,5012	232
0,05	1	1,0012	1,05	0,449801274	508,0953	228
0,1	1	1,005	1,105	0,431800956	506,2053	218

температура металл шов сварка

Распределение температур тела по оси Y найдем на основании следующих соображении. Воспользуемся для расчетов формулой предельного состояния для процесса распределения тепла от точечного источника постоянной мощности, движущегося с постоянной скоростью по поверхности полубесконечного тела, отнесенной к подвижной системе координат:

,



учитывая, что для точек оси Y в подвижной системе координат, начало которой совмещено с источником тепла, всегда . Значит

.

Значения температур по оси Y-Y расположенных на расстоянии 0,5мм; 1,5мм; 10мм; 15мм; 20мм при заданных Х снесены в таблицу 4.

Распределение температур по оси Y-Y расположенных на различных расстояниях, при заданных значениях Х:

Таблица 4.

Х, см	У, см	R, см	(х+R), см	е		Т,°С
-1	0,05	1,0	0	0,999051044	508,0953	507
	0,15	1,01	0,01	0,991533604	503,1016	498
	0,5	1,118	0,118	0,914200075	455,0219	415
	1,0	1,41	0,41	0,729933162	359,7264	262
	1,5	1,8	0,8	0,543291384	282,1926	153
	2,0	2,23	1,23	0,390857724	227,511	88
-2	0,05	2,000625	0,000625	0,999525187	254,2855	254
	0,15	2,00561	0,00561	0,995740094	253,6526	252
	0,5	2,061553	0,061553	0,954297188	246,7703	235
	1,0	2,23	0,23	0,835761776	227,511	190
	1,5	2,5	0,5	0,683861409	203,492	139
	2,0	2,82	0,82	0,532802422	179,8632	95
-6	0,05	6,000208	0,000208	0,999841682	84,78539	84
	0,15	6,00187	0,00187	0,998576237	84,76185	84
	0,5	6,020797	0,020797	0,984318318	84,49545	83
	1,0	6,08	0,0827	0,939037821	83,6347	78
	1,5	6,18	0,18	0,869062345	82,25677	71
	2,0	6,32	0,32	0,78140473	80,43728	62
0,01	0,05	0,051	0,0609	0,954705323	9977,016	9525
	0,15	0,15	0,16	0,885278448	3384,022	2995
	0,5	0,5001	0,5101	0,67863219	1017,257	690
	1,0	1,0	1,01	0,464107998	508,7046	236
	1,5	1,5	1,51	0,31738957	339,1458	107
	2,0	2,0	2,01	0,217051853	254,3618	55
0,1	0,05	0,11	0,2118	0,851317114	4550,219	3873
	0,15	0,18	0,28	0,808147289	2821,926	2280
	0,5	0,509902	0,609902	0,629061984	997,7016	627
	1,0	1,0	1,105	0,431800956	506,2053	218
	1,5	1,5	1,603	0,295664319	338,4022	100
	2,0	2,0	2,102	0,202321186	254,0476	51

По результатам вычисления температур точек по оси Х построен график зависимости температуры материала от расстояния до непрерывно действующего подвижного источника тепла (приложение 1).

По результатам вычислений температуры точек по оси Yпостроен график зависимости температуру от расстояния до непрерывно действующего подвижного источника тепла (приложение 2).

3. Расчет распределения температур шва параллельно оси Оу и построение кривых распределения температур

В качестве расчетной схемы изделия примем пластину. Расчетная схема источника тепла - быстродвижущийся линейный источник.

Для расчета нагрева тела данным источником используем формулу:

,

Для решения задачи выделим в ней тонкий поперечный слой, полагая, что теплота распространяется только в поперечном направлении (вдоль оси Oy), получаем схему мгновенного плоского источника с энергией Q=qdx\v, действующего в бесконечном стержне сечением F=дdxс теплоотдачей через верхнюю и нижнюю поверхности (используя выражение (6.3) [1,с.207]).

Таким образом, процесс распространения теплоты в пластине при действии быстродвижущегося линейного источника можно представить совокупностью одинаковых (сдвинутых во времени и протекающих независимо друг от друга) линейных процессов распространения теплоты в поперечных сечениях от мгновенных плоских источников.

где - коэффициент температуроотдачи пластины.

Примем следующие средние значения теплофизических величин для стали: , , .

V=0,55см/сек.

Примем для ручной дуговой сварки:;

Распределения температур шва параллельно осиOy, через определенное время.

t, мин	Y, см				Т,°С
0,5	0	0,15	0,860707976	2174,348	1871
	0,5	0,517647059	0,595921067	2174,348	1295
	1,0	1,620588235	0,197782322	2174,348	430
	1,5	3,458823529	0,03146676	2174,348	68
	2,0	6,032352941	0,002399841	2174,348	5
1,0	0	0,3	0,740818221	1537,496	1139
	0,5	0,483823529	0,616421973	1537,496	947
	1,0	1,035294118	0,355121918	1537,496	545
	1,5	1,954411765	0,141647774	1537,496	217
	2,0	3,241176471	0,039117847	1537,496	60
1,5	0	0,45	0,637628152	1255,36	800
	0,5	0,57254902	0,564085739	1255,36	708
	1,0	0,940196078	0,390551249	1255,36	490
	1,5	1,552941176	0,211624632	1255,36	265
	2,0	2,410784314	0,089744879	1255,36	112
2,0	0	0,6	0,548811636	1087,174	596
	0,5	0,691911765	0,50061809	1087,174	544
	1,0	0,967647059	0,379976048	1087,174	413
	1,5	1,427205882	0,239978515	1087,174	260
	2,0	2,070588235	0,126111577	1087,174	137

По результатам вычислений температуры точек по оси У построен график зависимости температуру от времени до быстродействующего линейного источника (приложение 3).

4.Расчет мгновенной скорости охлаждения

Определяем мгновенную скорость охлаждения шва при наплавке валика на массивное тело:

Зададим0,41

15

30 В

400 А



Заключение

Целью данной курсовой работы является расчет температурных полей предельного состояния в нагреваемом теле (в нашем случае полубесконечное тело и пластина), при котором распространение тепла в теле сильно зависит от его формы и размеров, а также построение графиков (впереди и позади источника тепла вдоль оси Ox, Оу; зависимости температуры от времени)для температурных полей и изотермических поверхностей.

В курсовой работе мы использовали источники тепла:

- точечный и линейный;

- непрерывно действующий;

- подвижный и быстродействующий.

Определили мгновенную скорость охлаждения шва при наплавке валика на массивное тело, рассчитали режимы сварки.



Список литературы

1. Теория сварочных процессов. Под ред. В.М. Неровного М.Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007.

2. Сварка, резка, контроль. Справочник, том 1. Под ред. Алешина Н.П., Чернышева Г.Г. М. «Машиностроение», 2004 - 14с.

3. Теория сварочных процессов.: Учебно-методическое пособие для студентов специальности 150202 - «Оборудование и технология сварочного производства». - Красноярск: СибГАУ, 2010.



Приложение 1

График распределения температур вдоль оси шва, позади и впереди источника тепла на различных расстояниях.



Приложение 2

График распределения температур по оси Y-Y, расположенных на различных расстояниях, при заданных значениях Х.



Приложение 3

График зависимости распределения температур параллельно оси Y от времени.



Приложение 4

Изотерма.

Размещено на Allbest.ru