Теория процессов сварки

Міністерство  освіти і науки України

Донбаська державна машинобудівна академія

 

 

КАФЕДРА «ОБЛАДНАННЯ І ТЕХНОЛОГІЇ

ЗВАРЮВАЛЬНОГО ВИРОБНИЦТВА»

 

 

КУРСОВА РОБОТА

 

З дисципліни «ТЕОРІЯ ПРОЦЕСІВ ЗВАРЮВАННЯ»

 

Розділ: Теплові процеси при зварюванні

             Металургійні процеси зварки

             Джерела зварного нагріву

 

ВАРІАНТ 2.13

 

Виконав ст. групи ЗВ06-1______________Грицай.С.С. 

 

 

Керівник                                 ______________Жаріков С.В.

     

 

 

 

Краматорськ 2009

Зміст

Вступ...............................................................................................................4

1. Розрахунок температурного поля граничного перебування на

вісі переміщення  джерела нагрівання. Побудова поверхневих

ізотерм…..…………………………………………………………….....6

2. Розподіл температуратури в поперечному перерізі шва

при постійному температурному полі……………………………….10

3. Розрахунок термічного циклу точки, нагрітої до температури

  1350°С…………..………………………………………………….......12

4. Розрахунок розподілу максимальних температур.

 Визначення  протяжності ділянок

ЗТВ……………………………………………………………………...15

5. Визначення структури металу, що зварюється, по точці, що нагрівається до температури 1350°С…………………………………………..19

Висновки......................................................................................................22

Перелік посилань.........................................................................................24

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                    

Реферат

Розрахунково  – пояснювальна записка містить 24 листів, 6 рис., 4 таблиці, 3 джерела.

Об'єкт дослідження. Наплавлення валика на напівнескінчене тіло швидкорухомим потужним точковим джерелом (далі в записці ШПТД).

Мета роботи. Придбання практичних навиків застосування основ курсу «Теорія процесів зварювання» для вирішення питань зварювального виробництва.

У курсовій роботі вибрана схема розподілу температурного поля, розрахований розподіл температур уздовж осі шва. Проведена побудова наступних графіків:

*побудовані  криві температур на одному графіку для розрахункових точок;

*побудовані  ізотерми температур 200...1500⁰ С на поверхні виробу;

*розрахований  і побудований термічний цикл точки;

*розрахований і побудований  графік розподілу температур  в поперечному перетині шва при граничному температурному полі і на двох різних стадіях періоду теплонасичення;

*розраховано  і по розрахунках побудований  графік розподілу максимальних температур в поперечному перетині зони термічного впливу (далі в записці ЗТВ) зварного з'єднання, на підставі чого визначена протяжність окремих ділянок ЗТВ в даних умовах ділянки неповного розплавлення, визначена кінцева структура точки ЗТВ, яка нагрівається до 1350⁰ С.  

У даній роботі всі розрахунки виконанні в програмному пакеті Microsoft Office Excel 2003.

ТЕМПЕРАТУРНЕ  ПОЛЕ, ІЗОТЕРМИ, ТЕРМІЧНИЙ ЦИКЛ ТОЧКИ, ШВИДКОРУХОМЕ ПОТУЖНЄ ТОЧКОВЕ ДЖЕРЕЛО, МАКСИМАЛЬНА ТЕМПЕРАТУРА, ШВИДКІСТЬ ОХОЛОДЖЕННЯ.

 

 

Вступ

Застосовуємо  схему швидкорухомого потужного джерела,яке рухається по поверхні напівнескінченного тіла.

Неправильний  режим нагріву і охолоджування виробу в процесі зварювання плавленням може стати причиною появи доволі серйозних дефектів таких як: тріщини, непровари, підрізи і так далі. Тепловий стан метала, шлаку і інших компонентів тих, що взаємодіють в процесі утворення зварного з'єднання, значною мірою обумовлюють характер, напрям і швидкість протікання всіх фізико-хімічних і металургійних процесів. Величина і характер деформацій, а також напруги, яка виникає в зварних конструкціях при зварюванні, залежать головним чином від циклу нагріву і охолодження виробу від характеру температурних полів. Особливостями розподілу тепла, швидкості відведення тепла і охолодження місця зварювання визначається структурою металу шва і ЗТВ. З тепловими процесами безпосередньо пов'язані такі найважливіші характеристики зварювання, як швидкість нагріву метала, швидкість розплавлення, продуктивність зварювання і її техніко-економічна ефективність.

Таким чином, без  урахування теплового стану метала не можна достатньо глибоко пояснити більшість явищ, які спостерігаються при зварюванні. Щоб вивчити зварювальні процеси і навчитися управляти ними потрібно мати  поверхневі уявлення про закони нагріву тіла і розповсюдження тепла. Наука про теплові основи зварювання розглядає процеси розподілу тепла при нагріві метала, вплив їх на процеси плавлення метала, а також на термічний цикл і виникнення в шві і основному металі структурних і об'ємних змін. 

 

 

 

Основні умовні позначення

Т - температура  твердого тіла, °С;

t - час, с;

Х,У,Z - прямокутні координати рухомої системи, м;

R - просторовий радіус-вектор, відстань точки від початку рухомої системи координат, R²=Х²+У²+Z², м;

 r - плоский радіус- вектор елемента рухомого поля (для пластини) від

початку координат, r²=Х² +У², м;

r_x - перпендикуляр з аналізованої точки на вісь переміщення джерела

нагрівання, r_x² =У²+Z², м;

q_и=η_uI_звU_д - ефективна теплова потужність джерела, Вт;

η_u - ефективний ККД нагрівання металу, що зварюється;

Ізв- сила зварювального  струму, А;

U_д - значення напрути на дузі при зварюванні, В;

Vзв - швидкість зварювання, м/г;

δ - товщина зварюваної пластини, м;

Т_m - максимальна температура точки, °С;

t_m - час настання максимальної температури, с;

Тс - температура навколишнього середовища, початкова температура тіла, температура попереднього підігріву, °С;

W_КР - швидкість (критична) охолодження, град/с;

Ко(U) - функція Бесселя від уявного аргументу другого роду нульового

порядку, табличний  розмір;

сγ - об'ємна теплоємність металу, Дж/м³*град;

λ - коефіцієнт теплопровідності, Вт/м*град;

а=λ/сγ - коефіцієнт температуропровідності, м²/с;

β=2α/сγδ - коефіцієнт температуровіддачі пластини, с^-1;

α - коефіцієнт тепловіддачі, Вт/м²*град;

ψ₂(ρ₂τ), ψ₃(ρ₃τ) - коефіцієнт теплонасичення для пластини і напівнескінченного тіла.

1 Розрахунок температурного поля граничного стану по вісі переміщення джерела нагрівання. Побудова поверхневих ізотерм

 

ШПТД - потужне  точкове джерело постійної потужності, що швидко рухається, прямолінійно з  постійною швидкістю на поверхні напівнескінченного тіла. Схема ШПТД застосовується для дослідження температурних полів при автоматичному дуговому зварюванні масивних виробів. Рівняння граничного стану процесу поширення тепла має вид:

                

),                                             (1)

де t - час із моменту перетинання джерелом тепла площини У₀0Z₀ з аналізованою точкою;

Уо і Z₀ - нерухомі точки, пов'язані з виробом, вони не відрізняються від рухливих точок У і Z .

Тому для  розрахунку можна використовувати  формулу (1) у виді

                          

                                                 (2)

В останньому рівнянні зроблена заміна V_зв* t = X.

Схема ШПТД розроблена для  специфічного температурного поля, що наступає при q_в→∞ і U_ЗВ→∞.  Джерелом поширення тепла можна зневажити, зпереду, внаслідок високої швидкості переміщення, тепло не поширюється. Ізотерми втягнуті й у більшій своїй частині рівнобіжні одна одній. Це показує, що для схеми ШПТД характерний тепловідвід перпендикулярно до осі зварювання. У самому джерелі ізотерми зливаються, за джерелом - сильно витягнуті й вузькі. На практиці навіть при дуже великих швидкостях тепло поширюється перпендикулярно тільки поблизу шва, тому більш точні розрахунки температур - поруч із швом.

Відзначимо деякі особливості  розрахунку в порівнянні зі схемою РТД. Розподіл температур і термічні цикли точок розраховують безпосередньо за рівняннями (1) і (2). Максимальні температури в точках, заданих координатами У і Z визначають за формулою (3).

                                             

                                             (3)

При розрахунку температур у поперечному перетині шва для двох моментів періоду теплонасичення знаходять два розподіли температур і для граничного температурного поля.

 

Таблиця 1 - Розрахунок значень температур в подовжньому і поперечному перетині

 

	Y, м
X,м		0	0,005	0,01	0,015	0,02	0,025
	0	0	0	0	0	0	0
	0,05	6303,449	4858,2594	2224,2732	604,9236	97,72774	9,378647
	0,1	3151,724	2766,9382	1872,204	976,3586	392,4353	121,5708
	0,15	2101,15	1926,4502	1484,7737	961,9764	523,9263	239,8709
	0,2	1575,862	1476,5353	1214,5648	877,0994	556,0683	309,4986
	0,25	1260,69	1196,7094	1023,5998	788,9195	547,8935	342,863
	0,3	1050,575	1005,9523	883,1381	710,8544	524,6064	354,9664
	0,35	900,4927	867,60768	775,98446	644,2717	496,5598	355,2716
	0,4	787,9311	762,69525	691,73455	587,8324	468,051	349,1873
	0,45	700,3832	680,40785	623,83558	539,8066	440,8323	339,7629
	0,5	630,3449	614,14153	567,98806	498,6438	415,5489	328,7263
	0,55	573,0408	559,6338	521,26571	463,0749	392,3558	317,0631
	0,6	525,2874	514,01072	481,61255	432,0896	371,1934	305,3354
	0,65	484,8807	475,26415	447,54389	404,8896	351,9151	293,8594
	0,7	450,2463	441,94863	417,96181	380,8418	334,3458	282,8071
	0,75	420,2299	412,99722	392,03751	359,4417	318,3095	272,2645
	0,8	393,9655	387,60524	369,13383	340,2835	303,6412	262,2668
	0,85	370,7911	365,15437	348,75313	323,0384	290,1914	252,8188
	0,9	350,1916	345,16163	330,50112	307,4376	277,8271	243,9079
	0,95	331,7605	327,24432	314,06144	293,2595	266,4309	235,5115
	1	315,1724	311,09523	299,17735	280,3202	255,9	227,6021
	1,05	300,1642	296,46493	285,63836	268,4655	246,1441	220,1502
	1,1	286,5204	283,14881	273,27025	257,5659	237,0843	213,1256
	1,15	274,063	270,97742	261,92759	247,5112	228,6514	206,4992
	1,2	262,6437	259,80923	251,48807	238,2075	220,7845	200,2429

 

2 Розподіл температуратури в поперечному перерізі шва

при постійному температурному полі

Розподіл температур в поперечному перерізі шва при  встановленому температурному полі одержують з рівняння (2), задавшись значеннями Х і Y.

Побудуємо розподіл температур для Х =0,05; 0,1; 0,15; 0,2; 0,25; 0,3; 0,35; 0,5; 0,7; 1; 1,2м.

Результати розрахунків наведені у таблиці 1 і на графіку рис.3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

 

3 Розрахунок термічного циклу точки нагрітої до температури 1350°С

Ізотерми на поверхні пластини є овальними кривими, які згущені попереду джерела і розсунені позаду нього. Розподіл температури в даному тілі при швидкорухомому потужньому точковому джерелі характеризується витягнутими ізотермами. Загальний характер впливу теплофізичних властивостей  металу, який нагрівається при постійних значеннях потужності, швидкості переміщення джерела тепла, зображений на рисунку 2 . Ізотерми поверхні як би утворені обертанням ізотерм осі ОХ. Значну роль при розподілі температур у сталі має теплопровідність, вона впливає на швидкість розподілу температури в даному тілі.

Термічним циклом даної точки називається зміна її температури в часі. Зростання або зниження температури точки можуть бути викликані, наприклад, тимчасовою дією нерухомого джерела або проходженням поблизу точки рухомого джерела тепла. У тому і іншому випадку спостерігається період нагрівання точки тіла, а потім — період охолодження.

По ізотермі 1350°С графічно визначаємо координати точки зварного з'єднання, що нагрівається до Т=1350°с.

Y =0.01275 (м).

 

де Vзв*t=X

g_и – ефективна теплова потужність джерела, Вт;

  Вт;

t – час, с;

λ – коефіціент теплопровідності, Вт/м·град;

y - прямокутні координати рухомої системи, м;

V_зв- швидкість зварювання, м/г;

а – коефіцієнт температуропровідності, м²/с;

Результати  значень заносимо в таблицю 2.

 

 

 

Таблиця 2 –  Розрахунок термічного циклу точки  нагрітої до 1350°С

t,с	X,м	T,°С
0	0	0
4	0,05	1159,208575
8	0,1	1351,57424
12	0,15	1194,862924
16	0,2	1031,962862
20	0,25	898,5140795
24	0,3	792,2413909
28	0,35	707,0020266
32	0,4	637,6188557
36	0,45	580,2601541
40	0,5	532,1530485
44	0,55	491,2804418
48	0,6	456,1548032
52	0,65	425,6614843
56	0,7	398,9517941
60	0,75	375,3696739
64	0,8	354,4008015
68	0,85	335,63674
72	0,9	318,7493
76	0,95	303,4719
80	1	289,58589
84	1,05	276,91028
88	1,1	265,29405
92	1,15	254,61017
96	1,2	244,75108

 

 

4 Розрахунок розподілу максимальних температур. Визначення протяжності ділянок ЗТВ

У деякий момент часу tm точка матиме максимальну температуру Тмаx. Вміння визначити цю температуру в процесі зварювання дуже важливе для практики. Відомо, наприклад, що при перегріві вище 400—800 °С деякі аустенітні сталі втрачають свою корозійну стійкість. Враховуючи це, можна заздалегідь розрахувати величину зони перегріву і прийняти заходи до її зменшення. Визначення максимальної температури нагріву дозволяє встановити протяжність зони можливого підгартовування при зварюванні сталей, що гартуються (нагріваючи вище Ас1 — 710 °С і т. д.).

Максимальна температура  точок тіла, що досягається в процесі  нагріву і охолоджування при  зварюванні, залежить від параметрів режиму, теплофізичних властивостей металу, а також віддаленості даної точки від шва.

Для розрахунку максимальних температур скористаємося  формулою:

                                                      

                                          (6)

де g_и – ефективна теплова потужність джерела, Вт;

  Вт;

V_зв- швидкість зварювання, м/г;

сj – об’ємна теплоємність металлу, Дж/м³·град;

cj=4.2*10 ⁶(Дж/м3*к);

r_х=y зміна y=0,001;0,002;0,003.0,025.

Результати значень заносимо в таблицю 3.

Сумістимо на одному рисунок T=f(y) і діаграму «залізо-карбід», визначимо протяжність найбільш характерних ділянок навколошовної зони. Розміри зон визначимо по формулі і по кількості вуглецю в сталі, а також еквівалентному вмісту вуглецю.

 

           

                                 (7)

Для сталі 45Г2: C=0.41%; Si=0.17%; Mn=1.4%; Cr=0.30%; Ni=0.30%;

Сu=0.30%.

Де С_екв› 0.45% - сталь схильна до виникнення холодних тріщин , тому можливо застосування попереднього підігріву.

Для визначення протяжності найбільш характерних  ділянок навколошовної зони проводимо розрахунок максимальних температур Т_m(R_х) на ЕОМ, данні заносимо в таблицю 3. На базі цих даних будуємо графік Т_m=f(y) (рис.5).

Таблиця 3 -  Розрахункові значення максимальних температур

y*10-3 м	0	0,005	0,01	0,015	0,02	0,025
Т,  °С	0	8872,18	2218,05	985,798	554,5	354,9

 

На діаграмі залізо - вуглець вертикальною прямою показуємо вміст       вуглецю в сталі 45Г2.На даній прямій помічаємо температурні межі дільниць ЗТВ. Переносимо ці границі на криві максимального розподілу температур та зносимо їх униз на поперечний перетин шва.

Таким чином , встановимо лінійні розміри ЗТВ.ЗТВ складається з слідуючих характерних ділянок (рис.5):

Ділянка 1(1490°C):

По зоні сплавлення отримують загартований метал,який має структуру крупнозернистого мартенситу. За хімічним складом зона сплавлення наближається до основного металу.

Ділянка 1-2(1490°C-1370°C):

Метал має структуру  мартенситу (крупноголчастий) - ця зона характеризується високою твердістю і низькою пластичністю.

Ділянка 2-3(1370°C-1140°C):

Зона часткового загартовування після охолодження. Структура мартенсит + сорбіт. Перші дві зони не залежать від температурної обробки металу,який подається під зварювання. А на ділянці часткового загартовування можемо отримати мартенсит + сорбіт при зварюванні нормалізованої сталі,на цій же ділянці при зварюванні сталі отримуємо мартенсит.

Ділянка3-4(1140°C-720°C):

На цій ділянці  відбувається тільки відпуск,кінцева  структура визначається вихідною структурою. Наприклад,загартований вихідний метал удержує структуру високого відпуску,а не загартований-має вихідну структуру.

Ділянка4-5(720°C-700°C):

Якщо метал  подається у загартованому стані,у  цьому діапазоні відбувається низький відпуск. При цьому може відбуватися перебудова грат мартенситу (тетрогонатні в кубічні) з підвищенням пластичності.

Нище 700°C- не впливає на структуру і властивості металу залежно від вихідного стану металу.

 

 

 

 

 

 

5 Визначення структури металу, що зварюється, по точці, що нагрівається до температури 1350°С

Схильність  сталі до отримання загартованих структур при розпаді аустеніту, може характеризуватись діаграмою ізотермічного розпаду аустеніту. Такі залежності визначають структуру продуктів розпаду аустеніту при різних температурах. Характер структури метала залежить від хімічного складу основного металу і швидкості нагріву і охолодження. Найбільший вплив на характер структури , оказує  швидкість охолодження аустеніту.

                                                  

                                             (8)

де Т₀ – початкова температура, Т₀=25°С, швидкість охолодження в таких умовах не перевищує допустиму (W_{охл .}= 8.2°С/с ).

(°С/с);

Починаємо будувати криву  охолоджування з т.А₃=780°С з цієї температури, будуємо криву охолоджування, при цьому позначаємо час охолоджування (Рис.6).

Таблиця 4 - Залежність температури від швидкості охолодження

 

Розрахунок  Тохол
W=8.2°С/с
t,с	0	1	5	10	20	30	40	50	60	70
∆T	780	771	739	698	616	534	452	370	288	206

 

 

 

При цьому відбувається швидке охолодження і аустеніт розпадається з утворенням загартованої структури – мартенсит + аустеніт залишковий і з твердістю 54HRC. Тоді сталь схильна до утворення холодних тріщин,щоб цього запобігти,зварювання ведуть із супутнім або попереднім підігрівом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Висновки

З графіка залежності Т  = f(x) (рис 1) можна зробити висновок про те, що теплота при зварюванні не розповсюджується попереду джерела нагрівання. Крива розповсюдження температур на поверхні продовж осі шва складається з двох гілок – нагріву та охолодження, причому крива охолодження більш полога, ніж крива нагріву. Ці криві мають фіксовані значення.

Температури точок тіла, які розташовані на різних відстанях  у від джерела нагріву, спочатку збільшуються до максимуму, а потім зменшуються. Чим далі від місця введення теплоти знаходиться точка, тим пізніше досягається максимальна температура і тим нижче її значення. З плинністю часу кількість теплоти розтікається в необмеженому об’ємі напівнескінченного тіла та приріст температур усіх точок прагне до нуля.

З графіка на рисунку 2 слідує, що в поперечному  перетині розподіл температур на поверхні тіла симетрично, внаслідок того що теплота від швидкорухомого джерела розповсюджується рівномірно в усі боки. З віддаленням від осі нагрівання температура зменшується. Причому, чим вище температура, тим менша площа, яка обмежена відповідною ізотермою.

На характер температурного поля робить істотний вплив параметри режиму зварювання, потужність джерела нагріву, погонна енергія, а також теплопровідність матеріалу та його теплоємність. В залежності від дії того чи іншого параметру, ділянки які обмежені ізотермами звужуються чи розширюється.

З графіка на рис.3 слідує що у поперечному перетині шва температура досягає свого максимуму при у=0. При цьому зі зростанням відстані х цей максимум зменшується.

В перший момент спалаху дуги кількість вносимого  тепла перевищує тепловідвід та ділянка розігріву збільшується. Такий процес називається теплонасиченням.

З графіка 4 видно що гілка  охолодження більш полога ніж  гілка нагрівання.

З побудованого графіка (рис.5) слідує, що дана сталь 45Г2 схильна до виникнення холодних тріщин, однак, при швидкості охолодження             W_{охл .}= 8.2°С/с, вона не потребує супутнього, або попереднього підігріву. 

Холодні тріщини  виникають в межах низьких  температур у тих випадках, коли метал шва та навколошовної зони в процесі охолодження зазнає фазові або структурні перетворення, які пов’язані зі зміною його об’єму та значним погіршенням пластичних властивостей. Мартенситне перетворення основної частини аустеніту зазвичай протікають при знижених температурах (300-400°С), метал вже набув значної міцності, а розпад залишкового аустеніту може продовжуватися навіть при температурі 200°С та нижче.

Найбільший  вплив на характер структури, яка  виникла в результаті перетворення аустеніта, надає швидкість охолодження та тривалість перебування аустеніту в зоні температур найменшої стійкості.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Перелік посилань

1. Методичні вказівки до курсової роботи з дисципліни «Теорія зварювальних процесів», для студентів спеціальності «Технологія і устаткування зварювання» усіх форм навчання/ Укл. Богуцький О.А..- Краматорськ: ДДМА, 2001г. 24с.
2. Багрянский К.В., Добротина З.А., Хренов К.К., «Теория сварочных процесов», 2-е издание Киев: Высшая школа, 1966г.- 424с.
3. Гуляев П.Л. Металловедение М.: «Машиностроение» 1982г.