Теория сварочных процессов

Содержание

Задание на курсовую работу

Варианты заданий

1. Задача№1

1. Теоретическая часть

2. Расчетная часть
3. Результаты

2. Задача №2

1. Теоретическая часть

2. Расчетная часть
3. Результаты

3. Задача №3

1. Теоретическая часть

2. Расчетная часть
3. Результаты

Приложение (диск)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Задача №1 - Расчет температурных полей от движущихся источников тепла

 

1. Теоретическая часть

 Основными критериями, которыми руководствуется технолог, при выборе параметров сварки  и наплавки являются обеспечение  требуемой геометрической формы  шва и обеспечение требуемых  механических характеристик соединения.

При сварке плавлением определяющее влияние на размеры сварных конструкций  оказывает тепловой режим сварки.

Один из основных вопросов, рассматриваемых в теории тепловых процессов при сварке, — определение  условий, при которых достигаются  необходимый нагрев изделия и  его сваривание. Кроме того, нагрев и охлаждение вызывают разнообразные  физические и химические процессы в  материале изделия — плавление, кристаллизацию, структурные превращения, объемные изменения, появление напряжений и пластических деформаций. Эти процессы приводят к глубоким изменениям свойств  и состояния материала и влияют на качество всей конструкции в целом. Чтобы определить характер протекания указанных процессов, необходимо знать  распределение температур в теле и изменение его во времени  в каждом отдельном случае. Это  второй основной вопрос, рассматриваемый  в теории тепловых процессов при  сварке.

Для расчета температурных  полей при сварке и наплавке широко используются модели подвижного точечного  источника теплоты в полубесконечном  теле и подвижного линейного источника  теплоты в бесконечной пластине.

Приращение температуры  в полубесконечном теле при движении по его поверхности точечного  источника теплоты мощностью q с постоянной скоростью v для квазистационарного поля описывается формулой:

,           (1.1) 

где l – коэффициент теплопроводности;

q – мощность источника тепла;

v – скорость перемещения источника тепла;

a – коэффициент температуропроводности;

;

x,y,z - координаты точки, в которой определяется температура.

При движении линейного источника теплоты мощностью q с постоянной скоростью v в пластине толщиной d приращение температуры в случае квазистационарного поля определяется по формуле:

,              (1.2) 

где ,

b=2a/crd  – коэффициент температуроотдачи для пластины (a - коэффициент теплоотдачи, cr  – объемная теплоемкость, d  – толщина пластины),

K₀(x) – модифицированная функция Бесселя второго рода нулевого порядка.

Уравнение (1.2) с приемлемой для технических расчетов точностью описывает температурное поле при сварке двух тонких листов в стык. Уравнение (1.1) может быть использовано при расчете поля температур в массивной детали при наплавке на ее поверхность валика.

Абсолютная величина температуры равна сумме начальной температуры и приращения, полученного за счет нагрева, вычисляемого по формулам (1.1) и (1.2):

,                     (1.3) 

где T₀ – начальная температура (температура подогрева).

Мощность источника теплоты  при дуговой сварке и наплавке может быть определена следующим образом:

q =h I_св U,

                          (1.4) 

где h - эффективный КПД процесса;

I_св – ток дуги;

U - напряжение на дуге.

 

2. Расчетная часть

Исходные данные:

_{I= 220A}

U= 12B

V= 10 м/ч

δ= 8 мм

 

 

 

 

 

 

 

Для сварки низкоуглеродистых сталей в углекислом газе принимаем:

 

 ср= 2,8 J/cm^3*K

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вычисляем мощность источника  тепла:

 

 

 

 

 

Вывод полученного значения погонной энергии:

 

 

Расчет поля температур:

 

 

 

 

 

Вычисляем значения температуры  в точке с координатами (х₀,у₀):

 

 

 

 

 

3. Результаты 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.1 – Распределение  температуры вдоль прямых параллельных продольной оси шва

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.2 – Распределение  температуры в поперечном сечении  пластины спереди от источника тепла

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.3 – Распределение  температуры в поперечном сечении  пластины за источником тепла

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Задача №2 – Изучение влияния параметров режима сварки и наплавки на температурное поле в детали

 

1. Теоретическая часть

 В процессе однопроходной сварки и наплавки источник теплоты перемещается в теле. Температуры точек тела непрерывно изменяются. Вначале температура повышается, достигает максимального значения, а затем снижается. Изменение температуры во времени в данной точке тела называется термическим циклом.

При установившемся температурном поле термические циклы точек, расположенных на одинаковом расстоянии от оси движения источника теплоты, одинаковы, но смещены во времени.

Термические циклы точек, расположенных на различных расстояниях от оси движения источника теплоты, различаются между собой. В более удаленных точках температура повышается медленнее и позже достигает максимального значения.

Восходящая ветвь температурной кривой называется стадией нагрева, нисходящая — стадией остывания.

Основные характеристики термического цикла следующие: максимальная температура, скорость нагрева и  скорость охлаждения при различных  температурах, а также длительность пребывания материала выше заданной температуры. Эти характеристики цикла, определяющие размеры шва, структуру  и свойства наплавленного металла, сами в свою очередь зависят от режима сварки, теплофизических свойств  материала, конфигурации тела, условий  его охлаждения, температуры предварительного подогрева.

 

2. Расчетная часть 

 

Исходные данные: _{I= 220A}

U= 12B

V= 10 м/ч

δ= 8 мм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для сварки низкоуглеродистых сталей в углекислом газе принимаем:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вычисляем мощность источника  тепла:

 

Вывод полученного значения погонной энергии:

 

 

Расчет поля температур:

 

 

 

 

 

 

Диапазон изменения скорости перемещения источника нагрева:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Диапазон изменения мощности источника нагрева:

 

 

 

                          

 

 

       

 

 

Диапазон изменения начальной  температуры:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Влияние изменения скорости перемещения источника тепла  на распределение температуры:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.1 - Влияние изменения  скорости перемещения источника  тепла на распределение температуры

 

Влияние изменения мощности источника тепла на распределение  температуры:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.2 - Влияние изменения  мощности источника тепла на распределение  температуры

 

Влияние совместного изменения  скорости и тепловой мощности на распределение  температуры:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.3 - Влияние совместного  изменения скорости и тепловой мощности на распределение температуры

Построение термических  циклов:

 

 

 

 

 

Моменты времени, в которые  температура достигает соответствующего значения:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.4 – Термические  циклы точек, расположенных на оси  шва в зависимости от температуры  подогрева

 

Значения мгновенных скоростей  охлаждения при данной температуре  на оси шва для различных значений температуры подогрева:

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Результаты

 

После построения изотерм  для случая нагрева бесконечной  пластины линейным источником тепла  определили влияние скорости сварки, мощности источника тепла и постоянства  погонной энергии. С ростом скорости сварки при постоянной эффективной  мощности источника тепла изотермы уменьшаются по длине и ширине примерно пропорционально. С ростом эффективной мощности источника  тепла при постоянной скорости сварки изотермы увеличиваются по длине  и ширине, при этом увеличение длины  изотерм происходит быстрее ширины. Влияние увеличения мощности преобладает  над увеличением скорости. При  совместном увеличении мощности источника  тепла и скорости сварки нагретые зоны возрастают, длина изотерм увеличивается, ширина медленно приближается к своему пределу. 

 

 

3. Задача №3 – Изучение температурного поля на стадии теплонасыщения

 

1. Теоретическая часть

 

 Несмотря на то, что  свариваемые и наплавляемые изделия  имеют ограниченные размеры, в  большинстве случаев для оценки  температурного поля и определения  термических циклов нет необходимости  учитывать влияние границ тела. Однако в ряде случаев такой  учет оказывается необходимым  вследствие значительного влияния  отраженной теплоты на температурное  поле.

Рисунок 3 - Схемы учета отражения теплоты от границ при сварке от края тела.

Весьма распространенный случай - нагрев пластины, когда источник теплоты начинает свое движение от ее края (Рисунок 3). Учесть наличие границы  можно вводом фиктивного источника  тепла.

Если в бесконечной  пластине движутся в противоположном  направлении с одинаковой скоростью  два источника одинаковой мощности то, очевидно, что вдоль всей плоскости I-I тепловые потоки, создаваемые действительным и фиктивным источниками, равны по величине и противоположны по знаку. Следовательно, для температурного поля, представляющего собой суперпозицию реального и фиктивного источников, условие адиабатической границы вдоль всей плоскости I-I удовлетворяется. Распределение температуры с учетом отражения теплоты от границы I-I представляет собой сумму температур от действительного и фиктивного источников теплоты и определяется как суперпозиция начального температурного поля, приращения температуры от реального и мнимого источников:

                                 (3.1)

где ΔT(r₁) – приращение температуры от действительного источника нагрева;

ΔT(r₂) – приращение температуры от фиктивного источника нагрева;

Т₀ – начальный уровень температуры.

Приращения температуры ΔT(r₁) и ΔT(r₂) обычно вычисляются по формуле (1.2) для квазистационарного температурного поля. Однако в период теплонасыщения температурное поле в подвижной системе координат меняется со временем и является функцией не только координат, но и времени нагрева. Температурное поле на стадии теплонасыщения описывается формулой:

,           (3.2)

где l – коэффициент теплопроводности;

t_H – время действия источника тепла;

q – мощность источника тепла;

v – скорость перемещения источника тепла;

a – коэффициент температуропроводности.

Аналитическое решение интеграла  в выражении (3.2)Ошибка! Источник ссылки не найден. можно получить лишь для квазистационарного случая при t_Н→∞. Расчет температурного поля на стадии теплонасыщения связан с численным интегрированием выражения (3.2).

2. Расчетная часть

 

Исходные данные:

_{I= 220A}

U= 12B

V= 10 м/ч

δ= 8 мм

 

 

 

 

 

 

 

Для сварки низкоуглеродистых сталей в углекислом газе принимаем:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вычисляем мощность источника  тепла:

 

Вывод полученного значения погонной энергии:

 

 

Расчет поля температур:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет значений приращения температуры в точке с координатами (х₀,у₀)

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет поля температур на стадии теплонасыщения:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет поля температур при  нагреве тела от края, с учетом ограниченных размеров тела:

 

 

 

Визуализация результатов  расчета путем создания анимационного  ролика:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Результаты 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3.1 – График изменения  подынтегральной функции со временем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Анимационный ролик находится  в приложенном к курсовой работе диске.