Министерство  образования и  науки Российской Федерации

Государственное образовательное  учреждение высшего  профессионального  образования 
 
 
 
 
 

Кафедра Теория сварочных процессов 
 

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ 

                                                                                                                        Выполнил: 

                                                                                                                       Проверил: 
 
 
 
 
 
 
 

Красноярск 2009    
Содержание 
 
 
 
 
 
 
 

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: λ, a, α, cρ принимаются независимо от температуры.

     Принимаются следующие схемы нагреваемого тела:

а) бесконечное тело. Бесконечное тело ― тело,                                                                                                                                                                           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=σ. При использовании этой схемы всегда предполагают, что температура по толщине листа равномерна, а теплота может распространяться только в плоскости с координатными осями x и y;

д) полубесконечная пластина. Полубесконечная пластина - тело, ограниченное двумя параллельными

плоскостями z=0 и z=σ и плоскостью y. Остальные условия те же, что и у бесконечной пластины; 

е) стержень.  Стержень- тело с прямолинейной осью,

      размеры которого по оси настолько значительны, что        концевые поверхности не влияют на распределение тепла. Температура в любой точке произвольного поперечного сечения постоянна. Тепловой поток в стержне линейный и распространяется вдоль оси.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 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 [3,с.178] 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: точечный подвижный источник тепла в полубесконечном теле. Все расчеты в работе производятся согласно этой схемы.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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

Расчет температур ведем по формуле:

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; 

Найдем эффективную  тепловую мощность по следующей формуле:

где I_св - сила тока, А;

- напряжение источника, В;

- КПД источника.

Рассчитаем температуру  точек вдоль оси шва для  y=0; y=±1; y=±2; y=±3; y=±4, а результаты занесем в таблицу 1.

Таблица 1. Распределение температур вдоль оси шва

            По данным таблицы 1 строим кривые распределения температур вдоль оси шва (приложение 1).

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

     Считаем, что в пластине достигнуто предельное установившееся тепловое состояние, для которого температурное поле, перемещающееся вместе с дугой, постоянно.

     Производим  расчеты при  значениях x=1; x=0; x = -1; x = -2; x = -3; x = -4 по формулам (1) и (2).

На примере  произведем расчет при x=-1. Возьмем y=0(см):

;

      Аналогично  определяем остальные значения температур при различных координатах y и при x=1; x=0; x = -1; x = -2; x = -3; x = -4; x = -5; x = -6.

      Полученные  результаты температур точек при  различных координатах y при x=1; x=0; x = -1; x = -2; x = -3; x = -4; x = -5; x = -6 занесем в таблицу 2.

Таблица 2. Распределение температур перпендикулярно оси шва

     Полученные  результаты расчета представляются графически в виде кривых распределения  температур на  поверхности изделия  по прямым, перпендикулярным оси шва (приложение 2).

Глава 4. Построение изотерм на поверхности изделия

     Графически, по кривым распределения шва, можно получить координаты x любой температуры при координатах y=0;1;2;3;4, а по кривым распределения температур перпендикулярно оси шва – координаты y любой температуры при координатах x=1;0;-1;-2;-3;-4;-5;-6.

     Получим изотермы 1500°С, 900°С, 600°С, 400°С. Для решения данного задания проводили прямые, соответствующие данным температурам на приложениях        1 и 2. Отрезки, полученные при пересечении кривой распределения температур с прямой, соответствующей данной температуре, откладываем в масштабе по оси X и Y. Строим изотермы температурного поля предельного состояния для вышеуказанных температур (приложение 3).

     По  полученным изотермам можно сделать  следующие выводы:

     1) температура точек при приближенном источнике теплоты резко возрастает, достигает максимума, а затем убывает;

     2) снижение температуры происходит с меньшей скоростью, чем ее подъем;

     3) максимум температуры в точках, находящихся не на оси OX, достигается после прохождения источником теплоты плоскости, параллельной YOZ, в которой находится рассматриваемая точка;

     4) в более удаленных от оси OX точках максимальная температура достигается позже и имеет меньшее численное значение по сравнению с точками, расположенными ближе к оси OX. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 5. Расчет и построение термического цикла  для     данной точки

      По  изотерме 1500°С в соответствии с выбранной схемой рассчитаем термический цикл данной точки, находящейся на расстоянии x₀=1 (см) от оси шва.

      По  изотерме температурного поля предельного  состояния 1500°С определяем y_max=1.1(см).

   Рисунок 1.

      Определяем  координаты точки А в подвижной  системе координат, начало которой совпадает с источником тепла, через каждые 10 секунд по формуле:

                           x=x₀–

где t-время сварки, с.

      Дальнейший  расчет ведем по формуле (1). Полученные расчеты сведем в таблицу 3.

Таблица 3. Изменение координаты и температуры точки с течением времени

      По  результатам таблицы 3 строим термический цикл данной точки (приложение 4).

Глава 6. Расчет температур данной точки  подвижного температурного поля в процессе теплонасыщения и в стадии выравнивания температуры

      Рассчитать  температуру точки начала шва  в момент удаления от нее дуги на расстояние 25 мм (стадия теплонасыщения) и спустя 3 секунды после окончания сварки.

6.1 Расчет температуры  в периоде теплонасыщения  в момент окончания сварки

Рисунок 2. Период выравнивания температуры

при нагреве  движущимся источником теплоты. 

      Мгновенные  координаты точки О₀ в момент, когда источник теплоты находится в точке О_к (конечная), будет x= –2.5см, y=0, R=2.5см.

      Время действия источника теплоты

     Безразмерные  критерии расстояния и времени, от которых  зависит коэффициент теплонасыщения ψ3, находятся по формулам[3,с.160]:

Определяем безразмерные критерии:

По номограмме [1,с.176] в зависимости от и определим ψ₃ =0.5.

       Приращение температуры предельного  состояния точки О₀, когда источник теплоты находится в точке О_к, определяется по формуле (1):

Приращение температуры  точки О₀ в момент окончания сварки:

6.2 Расчет температуры в периоде выравнивания

      Предполагается, что после окончания сварки действует  одновременно фиктивный источник и фиктивный сток теплоты]:

где - приращение температуры от фиктивного источника теплоты,°С;

     - приращение температуры от фиктивного стока теплоты,°С.

 O_кО=

 О_кО=0.3∙3=0.9(см).

      Мгновенные  координаты точки О относительно точки О_к:

x= -1.5(см); y=0; R=1.5 (см).

      Длительность  действия источника теплоты действительного и фиктивного состояния:

      Безразмерные  критерии времени и расстояния источника  теплоты определяем по формулам (8) и (9):

По номограмме [3,с.161] в зависимости от и определим ψ_3u =0.75.

      Длительность  действия фиктивного стока теплоты t_ф=3(сек).

Безразмерные  критерии времени и расстояния для  стока теплоты находим по формулам (8) и (9):

По номограмме [3,с.161]: ψ_3с =0.3.

Предельное приращение температуры точки О_к определяем по формуле (1):

       Приращение температуры точки  О₀ спустя 3 (сек):

      Т.к. начальная температура не задана, то температура точки О₀ начала шва в момент удаления от нее дуги на расстояние 25мм Т=2038.217°C и спустя 3(сек) после окончания сварки Т=2377.92^°С.

      Вывод: точка О₀ за 3(сек) после окончания сварки остыла примерно до 2377.92^°С.

Глава 7. Расчет распределения максимальных температур в поперечном сечении ЗТВ сварного соединения

      Принимаем для упрощения источник нагрева  быстродвижущимся, соответственно точечным или линейным. Требуется рассчитать распределение максимальных температур в поперечном сечении ЗТВ сварного соединения.

      Для определения максимальных температур в процессе распространения тепла при наплавке валика на тело, расчет ведется по следующей зависимости:

 где 0.368 - эмпирический коэффициент;

 R_x - расстояние от оси шва.

      По  данной зависимости производим расчет максимальных температур при различных  координатах R_x и сведем их в таблицу.

Таблица 4. Распределение максимальных температур в поперечном сечении

      По  полученным табличным данным строится график распределения максимальных температур в поперечном сечении (приложение 5). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 8. Определение протяженности  участков ЗТВ в  данных условиях

      Используя информацию о распределении максимальных температур в ЗТВ, диаграмму Fe-C и  химический состав свариваемого металла, определить протяженность отдельных участков ЗТВ в данных условиях:

 1- участок  неполного расплавления,

 2- участок  перегрева,

 3- участок  нормализации,

 4- участок  неполной перекристаллизации,

 5- участок  рекристаллизации,

 6- участок  синеломкости, или старения.

      Для приближенной оценки протяженности отдельных участков ЗТВ на миллиметровой бумаге над сечением соединения строим кривую распределения максимальных температур.

      Используя информацию о химическом состоянии  материала, определим эквивалентный углерод в данной стали [3,с.227]: