2018-02-14
946Федеральное агентство по образованию Российской Федерации
Филиал «СЕВМАШВТУЗ» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования
«Санкт-Петербургский государственный морской
Технический университет» в г. Северодвинске
Евдомащенко Е.А.
РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛОВОГО ПОЛЯ ПРИ ДУГОВОЙ СВАРКЕ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ
Методические указания
К выполнению курсовой работы по дисциплине
ТЕОРИЯ СВАРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ
Северодвинск
2008
УДК 621.791
Расчет характеристик теплового поля при дуговой сварке металлоконструкций: Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Теория сварочных прцессов» / Сост.Евдомащенко Е.А, – Северодвинск, Севмашвтуз, 2008, с.
Ответственный редактор зав. кафедрой «Оборудование и технология сварочного производства» к.т.н., доцент Ю.Ю. Щусь.
Рецензенты: ст. преподаватель Севмашвтуза С. В. Емченко;
Доцент Севмаш предприятия В.В. Мансуров
Методические указания соответствуют дисциплине «Теория сварочных процессов» и предназначены для студентов специальности 150202 «Оборудование и технология сварочного производства» факультета «Кораблестроение и океанотехника».
Методические указания содержат описание тепловых процессов при воздействии на металл источников теплоты и цель курсовой работы дает усвоить распространение тепла при сварке практическими расчетами.
Печатается по решению редакционно-издательского совета Севмашвтуза.
© Севмашвтуз, 2008г.
УДК 621.791
«Расчет тепловых процессов при дуговой сварке»
Курсовой работе по дисциплине
«Теория сварочных процессов» Составил
Е.А. Евдомащенко – Северодвинск: РИО Севмашвтуза, 2008г.-23с.
Ответственный редактор зав. кафедрой №5, к.т.н., доцент Ю.Ю. Щусь.
Рецензенты: Начальник НИЛ ОГСв Селяков М.И,
Ведущий инженер НИЛ ОГСв Мансуров В.В.
ст. преподаватель каф№5 Емченко С.В.
Методические указания предназначены для студентов специальности 150202 (120500) «Оборудование и технология сварочного производства» при выполнении курсовой работы по курсу «Теория сварочных процессов». Целью пособия является углубленное получение знаний по изучаемой дисциплине.
Печатается по решению редакционно-издательского совета Севмашвтуза.
© Севмашвтуз, 2008г.
Содержание
| 1 | Условные обозначения | 3 |
| 2 | Общие сведения | |
| 3 | Содержание работы | |
| 4 | Методика выполнения работы | |
| 5 | Требования к оформлению | |
| 5 | Список литературы | |
| 6 | Приложения | |
Условные обозначения.
Т-температура, 
;
t-время, С;
x,y,z- прямоугольные координаты подвижной системы, см;
R - пространственный радиус – вектор, расстояние точки от начала подвижной системы координат, 
r - плоский радиус- вектор элемента подвижного поля (для пластины) от начала координат, 
;
- перпендикуляр из рассматриваемой точки на ось перемещения источника нагрева, 
;
- эффективная тепловая мощность источника, Дж/с;
- эффективный кпд дуги;
I- сила сварочного тока, А;
-значение напряжения на дуге при сварке, В;
Vсв- скорость сварки, м/ч, см/с;
d- толщина пластины, см;
Tm- максимальная температура точки, ;
То- температура окружающей среды, начальная температура тела, температура предварительного подогрева,
W(Wкр)- скорость (критическая) охлаждения, /с;
Ко(U)- функция Бесселя от мнимого аргумента второго рода нулевого порядка, табличная величина;
- объемная теплоёмкость металла, Дж/ 
* ;
- коэффициент теплопроводности, Дж(см* *с);
- коэффициент температуропроводности, 
/с;
- коэффициент температуроотдачи пластины, 
;
- коэффициент теплоотдачи, Дж/ * *с;(=0,001)
1. Общие положения
Курсовая работа по дисциплине “Теория сварочных процессов” выполняется студентами специальности 12.05-“Оборудование и технология сварочного производства”. Её цель – закрепить теоретические положения лекций курса и научить студентов использовать основные зависимости при анализе технологических параметров сварки.
Проблемы, обусловленные тепловыми процессами при сварке,- важнейшие в современном сварочном производстве, т.к. качество сварных конструкций связано с тепловым нагревом и охлаждением свариваемого материала.
В процессе выполнения курсовой работы студенты определяют: значение максимальной температуры в заданных точках, строят изотермы температурного поля, определяют протяженность отдельных зон, влияющих на работоспособность сварного соединения, рассчитывают параметры проплавления основного металла.
2. Задание на курсовое проектирование
2.1 Варианты заданий охватывают четыре расчетные схемы теплового поля: подвижный точечный источник, действующий на поверхности полубесконечного тела (ПТИ); подвижный линейный источник в пластине (ПЛИ); мощный быстродвижущийся точечный источник, действующий на поверхности полубесконечного тела (МБТИ); мощный быстродвижущийся линейный источник в пластине (МБЛИ).
2.2 Каждому студенту выдается индивидуальное задание, где указывается марка материала и его толщина, способ и режимы сварки.
Значения теплофизических констант приведены в приложении 1.
3. Содержание работы.
3.1 Обосновать выбор расчетной схемы температурного поля.
3.2 Рассчитать распределение температур вдоль оси шва и на некотором удалении от неё. Построить кривые распределения температур в координатах Т, ; χ для рассчитанных точек (на одном рисунке).
3.3 По кривым распределения температур вдоль оси шва графическим построением получить изотермы температур (по заданию) на поверхности свариваемого тела.
3.4 Рассчитать и построить кривую термического цикла для точки с координатой X,Y.
3.5Изучить особенности расчета температур свариваемого тела в период теплонасыщения. Рассчитать и построить графики распределения температур в поперечном сечении тела при предельном состоянии температурного поля и для двух заданных значений времени периода теплонасыщения. Сравнить и проанализировать полученные результаты.
3.6 Принимая схему быстродвижущегося источника тепла (соответственно точечного или линейного), рассчитать распределение максимальных температур в поперечном сечении зоны термического влияния (ЗТВ) сварного соединения. Определить структуру металла на данных участках.
3.7 Рассчитать мгновенную скорость охлаждения металла шва при заданной температуре, сравнить её с допустимой для данной стали.
3.8 Провести теоретический расчет размеров сварочной ванны: длины, ширины, объема ванны, площади проплавления, принимая источник быстродвижущимся.
4. Методика выполнения работы.
4.1 В расчетах тепловых процессов формы тел сводятся к простейшим: полубесконечное тело (массивное изделие), пластина, стержень(1, стр. 377-378).
Схемы источников теплоты известны следующие:
- сосредоточенные неподвижные мгновеннодействующие: точечный, линейный, плоский;
- непрерывно действующие, перемещающиеся с постоянной скоростью: точечный, линейный, плоский;
- быстродвижущийся: точечный, линейный.
Выбор схемы источника зависит от соотношения между толщиной свариваемого изделия и глубиной проплавления.
В расчетах следует различать две системы координат: неподвижную, связанную с изделием, и подвижную систему координат, связанную с самим источником (см. рис 1).
4.2 ПТИ – точечный источник постоянной мощности, движущийся прямолинейно с постоянной скоростью по поверхности полубесконечного (массивного) тела. Схема ПТИ применяется для исследования температурных полей при ручной дуговой сварке, при наплавке массивных изделий источником теплоты ограниченной мощности (авт. под флюсом), перемещающимся с небольшой скоростью (при сварке и наплавке сталей на средних режимах – менее 20-25 м/ч) Уравнение предельного состояния процесса распространения тепла, отнесенное к подвижной системе координат (ее начало совмещено с источником нагрева) имеет вид:
+ T0 (1)
При расчете распределения температур на поверхности изделия вдоль оси ОХ, т.е. зависимости T=f(x), задают значения «у» от 0 до 3, (т.е. студент должен сосчитать 4-ре таблицы при у =0 см, при у =1см, при у =2 см и при у =3см)
Для точек, расположенных впереди источника, координата «х» положительна; позади источника - отрицательна. Результаты расчета сводятся в таблицу 1
Расчетные значения температур при у = Таблица 1
| Х, см | R, см | (X+R), см | (- 
| 
| 
| T
| Т+T0
|
| -16 | |||||||
| -10 | |||||||
| -6 | |||||||
| -4 | |||||||
| -3 | |||||||
| -2 | |||||||
| -1 | |||||||
| 0 | |||||||
| 0,5 | |||||||
| 1 | |||||||
| 2 |
По данным расчетам построить графики T=f(x).
T
-х 
+ х
После построения графика T=f(x)., строим поверхностные изотермы.
Поверхностные изотермы (температурное поле в плане) получается графическим перестроением предыдущего графика в координатах Х; У. Для этого проводится прямая, параллельная оси ОХ через ось температур, (например, прямая Т= 
). Точки пересечения этой прямой с кривыми дадут координаты У (они имеют значения 0,1,2,3,) и соответствующие им координаты Х. Таким образом построить три изотермы Т = 
, 
, 
(по индивидуальному заданию). По мере приближения к источнику теплоты расчетная температура точек полубесконечного тела быстро растет и при R→0; Т(R х) → ∞, внутри сварочной ванны нельзя определять температуру по формуле (1)
4.3. ПЛИ – линейный источник постоянной мощности, движущейся прямолинейно с постоянной скоростью в пластине. Схема ПЛИ применяется для исследования температурных полей при ручной дуговой и п/а сварке пластин встык с полным проваром за один проход. Уравнение предельного состояния процесса распространения тепла, отнесенное к подвижной системе координат, имеет вид:
(2)
Введём обозначение:
Значение функции Бесселя можно приближённо вычислить по формуле:
(3) ,
Если значение функции Бесселя больше 10 или по таблице, если меньше 10
Для удобства вычислений распределения температуры вдоль оси ОХ следует использовать табличную форму записи (табл. 2).
Расчётные значения температур заданных точек при у =
Таблица 2
| x | r | 
| 
| u | 
| T°C | Т+T0
|
| -16 | |||||||
| -10 | |||||||
| -6 | |||||||
| -4 | |||||||
| -3 | |||||||
| -2 | |||||||
| -1 | |||||||
| 0 | |||||||
| 0,5 | |||||||
| 1 | |||||||
| 2 |
По данным расчёта построить график 
Поверхностные изотермы строятся методом, описанным в п. 4.2.
4.4. МБТИ – мощный быстродвижущийся точечный источник постоянной мощности, движущийся прямолинейно с постоянной скоростью на поверхности полубесконечного тела. Схема МБТИ применяется для исследования температурных полей при автоматической дуговой сварке массивных изделий. Уравнение предельного состояния процесса имеет вид:
(4)
где 
– время с момента пересечения источником тепла плоскости
с рассматриваемой точкой;
и 
– неподвижные координаты точки, связанные с изделием.
Для расчёта распределения температур по поверхности изделия целесообразно использовать формулу (4), приведённую к виду:
(5)
4.5. МБЛИ – мощный быстродвижущийся линейный источник постоянной мощности, движущийся прямолинейно с постоянной скоростью в пластине.
Схема МБЛИ применяется для исследования температурных полей при автоматической дуговой сварке пластины встык за один проход. Используется при скорости сварки, превышающей 0,8см/с (30 м/ч) – для алюминиевых сплавов; 0,6см/с (20м/ч) –для углеродистых и низколегированных сталях; 0,4 см/с (15 м/ч) – для высоколегированных сталях, никелевых и титановых сплавов. Уравнение предельного состояния процесса распределения тепла имеет вид:
(6)
Для приближенных расчётов можно принять коэффициент теплоотдачи 
.
Термический цикл рассчитывают по формуле (6). Распределение температур вдоль оси Х получают при замене в формуле (6).
4.6 Расчёт термического цикла в заданной точке производится по формуле (4). Расчёт распределения температур в периоде теплонасыщения ведётся как в п. 4.2.
Термический цикл заданной точки в этом случае можно рассчитать, принимая источник тепла быстродвижущимся и Z=0 по формуле (4). Расчет вести в табличной форме (см. табл.3)
Расчетный термический цикл точки с координатами
Таблица 3
0, 
=(1;2;3;)-из табл.№1(берете одно значение самостоятельно)
| t, сек | 5 | 10 | 20 | 30 | 60 | 90 | 120 | 180 |
| одно | зна | че | ние | ||||
| ||||||||
| одно | зна | че | ние | ||||
| B/t | ||||||||
| ||||||||
| T=A/t*
|
Построить график термического цикла Т=f(t)
4.7 Расчёт распределения температур в периоде теплонасыщения для пластины производится с учётом коэффициента теплонасыщения 
(рис. 17.11./1/) и Тпр, определённой по формуле (6). Расчёт вести в табличной форме (см. табл. 4).
Определение температуры точки в период теплонасыщения производят по формуле:
(7)
=VR/2a; ι2 = 
(8)
Тпр находится по формуле (6), а коэффициент по графику (1, рис. 17.11б).
По результатам расчёта строятся 
и 
В период теплонасыщения температура 
любой точки тела возрастает от начальной температуры Т = 
до температуры предельного состояния Т = 
. Для п/б тела значение температур связаны коэффициентом теплонасыщения 
для этой же точки:
(9)
где - температура, рассматриваемой точки при установившемся температурном поле, формула (4).
Коэффициент теплонасыщения находится по номограмме (1, рис17.11), где представлен в зависимости от безразмерных критериев расстояния 
и времени ι3:
=VR/2a; ι3 = (10)
Данные расчета занести в таблицу и построить по ним графики =f(y) и =f(y).
Распределение температуры в период теплонасыщения для п/бесконечного тела
при Z = 0 и X =от 1 до -4
Таблица 4
| х, см. | х2 | R | х+R | е -(х+R) | Тпр | t=х/vсв, сек. | ι |  3
| Ψ3 | Тн |
| 1 | ||||||||||
| 0,5 | ||||||||||
| 0 | ||||||||||
| -0,5 | ||||||||||
| -1 | ||||||||||
| -2 | ||||||||||
| -4 |
Построить график Тн=Ғ(x)
Для расчета максимальных температур точек 
для схемы ПТИ нет аналитического выражения. Приближенно можно рассчитать по выражению (9), которое используется для схемы МБТИ.
4.8 Значения максимальных температур приближённо определяют по формуле (9;10).
Максимальные температуры в точках, заданных координатами у, z определяют по формуле:
а) для пластины:
(9)
Максимальные температуры без учёта теплоотдачи определяют по формуле
б) для массивного изделия:
(10)
При у – где(1;2;3;4)
4.9 Известно, что структура и свойства сварного соединения зависят от скорости распада аустенита, что определяется скоростью охлаждения металла. Мгновенную скорость охлаждения (при определённой температуре Т =600÷500С0) рассчитывают по методу Рыкалина Н.Н.
Для массивного изделия:
(11)
Для изделия типа пластилина:
(12)
Найденную скорость охлаждения сравнить с допустимой для данной марки стали (см. приложение 2). При отличии – предложить варианты изменения технологических параметров.
4.10 Движущаяся сварочная дуга на поверхности изделия образует ванну расплавленного металла (сварочную ванну) с параметрами L – длина ванны; B – ширина; H – глубина ванны; Fпр – площадь проплавления; V – объём ванны. Размеры ванны зависят от технологических параметров и теплофизических характеристик металла и могут быть оценены приближённо.
Длина ванны:
(13)
Ширина ванны при наплавке на массивное изделие:
(14)
При сварке изделия типа пластилина:
(15)
Глубина ванны:
(16)
где 
– коэффициент формы провара.
Оптимальное значение
Площадь проплавления
(17)
где 
– теплосодержание металла, Дж/кг (1, рис. 16.2.принимаем =1,1 Дж/кг)
– термический КПД процесса:
для массивного изделия =0,25+0,30
для пластины =0,32+0,4
Объём сварочной ванны
(18)
5. Требования к оформлению.
Курсовая работа состоит из расчётно-пояснительной записки, таблиц и рисунков. Кроме основных разделов в записку входит введение и заключение.
5.1. Пояснительную записку оформляют на стандартных листах формата А4. Страницы записки должны быть пронумерованы (на титульном листе номер не ставится). Сокращение слов в тексте не допускается, кроме общепринятых и соответствующих ГОСТ 7.12-37.
5.2. Разделы должны иметь порядковую нумерацию, кроме введения и заключения. Таблицы и рисунки также должны быть пронумерованы.
5.3. Расчётные формулы нумеруют арабскими цифрами с правой стороны. Под формулой приводят расшифровку её символов. При необходимости в тексте дают на неё ссылку, например «…. в формуле (11).»
5.4. Рисунки выполняют на миллиметровке, размещают по тексту, каждый рисунок должен иметь номер и наименование.
Литература:
1. Теоретические основы сварки. Под ред. В.В. Фролова. М., Высшая школа, 1970.
2. Петров Г.Л., Тумарёв А.С. Теория сварочных процессов. М., Высшая школа, 1977.
Приложение 1
Теплофизические характеристики
| Материал | Т сплав | Коэффициент теплопров. λ Дж/см ·С·°С | Объёмная теплоёмкость сr,Дж/см³·°С | Коэффициент температуропров. а,см²/сек |
| Малоуглеродистые и низколегированные стали | 1450 | 0,38 – 0,42 | 4,9 – 5,2 | 0,075 – 0,09 |
| Нержавеющие аустенитные стали | 1500 | 0,25 – 0,33 | 4,7 – 4,8 | 0,053 – 0,07 |
| Алюминий | 650 | 2,7 | 2,7 | 1,0 |
| Технический титан | 1660 | 0,17 | 2,8 | 0,06 |
Приложение 2
Оптимальная скорость охлаждения ºС/С
| Сталь | Wопт |
| ВСm3 35 09Г 2 10 ХСНД 03 ХГСНД 12 ХГН 12 ХГНМ 40 Х 12 МХ 20 ХГС 25 ХГСА 12 Х4 16 Х2Н4МД Х 5М | Не огранич. 0,12 – 7,0 1,0 – 15 0,8 – 15 6,0 – 50 1,3 – 16 2,0 – 50 4,0 – 14 2 – 100 1,6 – 70 0,07 – 1,3 1,5 – 9,0 = 14,0 0,8 – 8,0 |
|
|
