Оптимизация режимов электродуговой сварки
150202
Оборудование и технология сварочного производства
Курсовая
работа
Оптимизация
режимов электродуговой сварки
Содержание
Введение
.
Обоснование выбора расчетной схемы температурного поля
.
Расчет распределения температур вдоль оси шва и на некотором удалении от нее
.
Расчёт термического цикла для точки с координатой X, Y
.
Расчёт распределения температур в период теплонасыщения для пластины
.
Расчет распределения максимальных температур в поперечном сечении ЗТВ сварного
соединения
.
Расчет мгновенной скорости охлаждения металла шва при заданной температуре
.
Расчет размеров сварочной ванны
Заключение
Список
литературы
электродуговой сварка температура
металл
Введение
В расчетах тепловых процессов при сварке широко
используют зависимости, полученные путем схематизации и упрощения
действительных процессов распространения теплоты.
Эти упрощения в основном сводятся к следующему:
) источники теплоты считают либо
сосредоточенными, либо распределенными по соответствующему закону, который позволяет
относительно просто описать процесс распространения теплоты;
) упрощают форму тела;
) теплофизические коэффициенты 
принимают
не зависящими от температуры. Это допущение значительно упрощает математические
выражения.
Указанные допущения позволяют получить стройную
теорию распределения температуры в телах при нагреве их различными движущимися
источниками теплоты.
1. Обоснование выбора расчетной схемы
температурного поля
Заданно полное проплавление за один проход, тело
прогревается равномерно по всей толщине и температура по оси Z между
ограничивающими поверхностями одинакова. Наличие двух параллельных
поверхностей, ограничивающих распространение теплового потока, с постоянной
температурой между ними является признаком "пластины", толщина
которой δ
= 0,6 см.
Следовательно, расчетной схемой нагреваемого тела будет "пластина".
При полном проплавлении, тепло равномерно выделяется из условной линии 0ґ и
свободно распространяется в теле по осям xґ и yґ. Это значит, что источник
тепла "линейный". Скорость сварки, т.е. скорость движения источника
тепла составляет 0,1 см/сек. Поэтому по характеру перемещения источник тепла
является движущимся с постоянной скоростью.
Рис. 1 Расчетная схема процесса однопроходной
сварки пластин встык: (m, n - свариваемые образцы; δ
- толщина образцов; XOY - неподвижная система координат неподвижных точек;
X’O’Y’ - подвижная система координат источника тепла; l
= δ
- линия выделения тепла (источника тепла), толщина свариваемых деталей)
Полная формулировка условий расчетной схемы
имеет вид: " ПЛИ - линейный источник постоянной мощности, движущейся
прямолинейно с постоянной скоростью в пластине".
2. Расчет распределения температур вдоль оси шва
и на некотором удалении от нее
Уравнение предельного состояния процесса
распространения тепла, отнесенное к подвижной системе координат, имеет вид:
где qэф - эффективная тепловая мощность дуги,
Дж/сек;
λ - коэффициент
теплопроводности, Дж/см С∙°С;
δ - толщина
свариваемых листов, см;св - скорость сварки, см/сек;- координата исследуемой
точки, см;
а - коэффициент
температуропроводности, см2/сек;
- функция Бесселя.
где 
-
коэффициент полезного действия.
эф = 220·22·0,7 = 3080 Дж/сек
Введём обозначение:
Где
- расстояние до
рассматриваемой точки, см;
- коэффициент
температуроотдачи, 1/cек.
Если U < 10, то значение функции Бесселя
можно взять из таблицы, если U > 10, то значение функции Бесселя можно
приближённо вычислить по формуле:
(4)
Для удобства вычислений распределения
температуры вдоль оси ОХ используем табличную форму записи (табл. 1, 2, 3).
Таблица 1
Расчётные значения температур заданных точек при
у1 = 0 см
|
x
|
r
|
|
|
u
|
|
T°C
|
Т+T0
|
|
-16
|
16
|
-11,4
|
89321,7
|
12
|
0,000002
|
442
|
462
|
|
-10
|
10
|
-7,1
|
1212
|
0,0002402
|
721
|
741
|
|
-6
|
6
|
-4,3
|
73,7
|
4,5
|
0,006400
|
1168
|
1188
|
|
-4
|
4
|
-2,9
|
18,2
|
3,0
|
0,03474
|
1566
|
1586
|
|
-3
|
3
|
-2,1
|
8,2
|
2,3
|
0,07914
|
1607
|
1627
|
|
-2
|
2
|
-1,4
|
4,1
|
1,5
|
0,2433
|
2476
|
2496
|
|
-1
|
1
|
-0,7
|
2,0
|
0,8
|
0,5653
|
2800
|
2820
|
|
0
|
0
|
0
|
1
|
0
|
|
|
|
|
0,5
|
0,5
|
0,4
|
0,7
|
0,4
|
1,1145
|
1932
|
1952
|
|
1
|
1
|
0,7
|
0,5
|
0,8
|
0,5653
|
700
|
720
|
|
2
|
2
|
1,4
|
1,5
|
0,2438
|
121
|
141
|
Таблица 2. Расчётные значения температур
заданных точек при у2 = 2 см
|
x
|
r
|
|
|
u
|
|
T°C
|
Т+T0
|
|
-16
|
16,1
|
-11,4
|
89321,7
|
12,1
|
0,000002
|
442
|
462
|
|
-10
|
10,2
|
-7,1
|
1212
|
7,7
|
0,0002014
|
605
|
625
|
|
-6
|
6,3
|
-4,3
|
73,7
|
4,7
|
0,005132
|
937
|
957
|
|
-4
|
4,5
|
-2,9
|
18,2
|
3,4
|
0,02196
|
990
|
1010
|
|
-3
|
3,6
|
-2,1
|
8,2
|
2,7
|
0,04926
|
1001
|
1021
|
|
-2
|
2,8
|
-1,4
|
4,1
|
2,1
|
0,1008
|
1024
|
1044
|
|
-1
|
2,2
|
-0,7
|
2,0
|
1,7
|
0,1655
|
820
|
840
|
|
0
|
0
|
1
|
1,5
|
0,2138
|
530
|
550
|
|
0,5
|
2,1
|
0,4
|
0,7
|
1,6
|
0,1880
|
326
|
346
|
|
1
|
2,2
|
0,7
|
0,5
|
1,7
|
0,1655
|
205
|
225
|
|
2
|
2,8
|
1,4
|
0,2
|
2,1
|
0,1008
|
50
|
70
|
Таблица 3. Расчётные значения температур
заданных точек при у3 = 3 см
|
x
|
r
|
|
|
u
|
|
T°C
|
Т+T0
|
|
-16
|
16,3
|
-11,4
|
89321,7
|
12,3
|
0,000002
|
442
|
462
|
|
-10
|
10,4
|
-7,1
|
1212
|
7,8
|
0,0001811
|
544
|
564
|
|
-6
|
6,7
|
-4,3
|
73,7
|
5,0
|
0,003691
|
674
|
694
|
|
-4
|
5
|
-2,9
|
18,2
|
3,8
|
0,01397
|
630
|
|
-3
|
4,2
|
-2,1
|
8,2
|
3,2
|
0,02759
|
560
|
580
|
|
-2
|
3,6
|
-1,4
|
4,1
|
2,7
|
0,04926
|
500
|
520
|
|
-1
|
3,2
|
-0,7
|
2,0
|
2,4
|
0,07022
|
348
|
368
|
|
0
|
3,0
|
0
|
1
|
2,3
|
0,07914
|
196
|
216
|
|
0,5
|
3,0
|
0,4
|
0,7
|
2,3
|
0,07914
|
137
|
157
|
|
1
|
3,2
|
0,7
|
0,5
|
2,4
|
0,07022
|
87
|
108
|
|
2
|
3,6
|
1,4
|
0,2
|
2,7
|
0,04926
|
24
|
44
|
3. Расчёт термического цикла для точки с
координатой X, Y
Термический цикл заданной точки можно
рассчитать, принимая источник тепла быстродвижущимся и Z=0. Расчет ведется в
табличной форме (см. табл.4).
Таблица 4. Расчетный термический цикл точки с
координатами 
0, 
=
2
|
t,
сек
|
5
|
10
|
20
|
30
|
60
|
90
|
120
|
180
|
|
|
14862
|
2972,4
|
1486,2
|
743,1
|
495,4
|
247,7
|
165,1
|
123,9
|
82,6
|
|
|
14,3
|
|
B/t
|
2,86
|
1,43
|
0,72
|
0,58
|
0,24
|
0,16
|
0,12
|
0,08
|
|
|
0,06
|
0,24
|
0,49
|
0,62
|
0,79
|
0,85
|
0,89
|
0,92
|
|
T=A/t*
|
178
|
357
|
364
|
307
|
196
|
140
|
110
|
76
|
Рис. 3. График термического цикла Т=f(t)
. Расчёт распределения температур в период
теплонасыщения для пластины
Расчёт распределения температур в периоде
теплонасыщения для пластины производится с учётом коэффициента теплонасыщения 
и
Тпр, определённой по формуле (1). Расчёт ведется в табличной форме (см. табл.
5).
Определение температуры точки в период
теплонасыщения производят по формуле:
, (5)
=Vr/2a, τ2
=
, (6)
Коэффициент находится
по номограмме, где представлен в зависимости от безразмерных критериев
расстояния и времени τ2.
В период теплонасыщения температура 
любой
точки тела возрастает от начальной температуры Т=
до температуры предельного состояния Т=
.
Таблица 5. Распределение температуры в период
теплонасыщения для пластины при Z = 0, X от 1 до -2, Y = 2.
|
х,
см.
|
х2
|
r
|
Тпр
|
t=х/vсв,
сек.
|
τ2
|
 2
|
Ψ2
|
Тн
|
|
1
|
1
|
2,2
|
225
|
10
|
0,36
|
1,57
|
0,15
|
33,75
|
|
0,5
|
0,25
|
2,1
|
346
|
5
|
1,5
|
0,07
|
24,22
|
|
0
|
0
|
2
|
550
|
0
|
0
|
1,43
|
0
|
0
|
|
-1
|
1
|
2,2
|
840
|
10
|
0,36
|
1,57
|
0,15
|
126
|
|
-2
|
4
|
2,8
|
1044
|
20
|
0,71
|
2
|
0,3
|
313,2
|
Рис. 4. График распределения температур в период
теплонасыщения Тн=Ғ(x)
5. Расчет распределения максимальных температур
в поперечном сечении ЗТВ сварного соединения
Максимальные температуры в точках, заданных
координатой Y определяют по формуле:
, (7)
. Расчет мгновенной скорости охлаждения металла
шва при заданной температуре
Известно, что структура и свойства сварного
соединения зависят от скорости распада аустенита, что определяется скоростью
охлаждения металла. Мгновенную скорость охлаждения (при определённой
температуре Т =600ч500С0) рассчитывают по методу Рыкалина Н.Н. по формуле:
(8)
где То - начальная температура окружающей среды,
°С.
. Расчет размеров сварочной ванны
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, см:
(9)
Ширина ванны, см:
(10)
Глубина ванны, см:
(11)
где 
-
коэффициент формы провара.
Площадь проплавления, см2:
(12)
где 
-
теплосодержание металла, Дж/кг (принимаем =1,1 Дж/кг),
- термический КПД
процесса (для пластины =0,32ч0,4).
Объём сварочной ванны, см3:
(13)
Заключение
Проблемы,
обусловленные тепловыми процессами при сварке, важнейшие в современном
сварочном производстве, т.к. качество сварных конструкций связано с тепловым
нагревом и охлаждением свариваемого материала.
Сварочная
металлургия отличается от других металлургических процессов высокими
температурами термического цикла и малым временем существования сварочной ванны
в жидком состоянии, т.е. в состоянии, доступном для металлургической обработки
металла сварного шва. Кроме того, специфичны процессы кристаллизации сварочной
ванны, начинающиеся от границы сплавления, и образования измененного по своим
свойствам металла зоны термического влияния.
В процессе
выполнения курсовой работы мною было усвоено: значение максимальной температуры
в заданных точках, построение изотермы температурного поля, расчет мгновенной
скорости охлаждения при заданной температуре, расчет температур свариваемого
тела в период теплонасыщения, расчет параметров проплавления основного металла.
Список литературы
1.
Петров Г.Л., Тумарёв А.С. Теория сварочных процессов. - М.: Высшая школа, 2007.
.
Расчет характеристик теплового поля при дуговой сварке металлоконструкций:
Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине "Теория
сварочных процессов" / Сост. Евдомащенко Е.А. - Северодвинск, Севмашвтуз,
2009.
.
Теоретические основы сварки. Под ред. В.В. Фролова. - М.: Высшая школа, 2010.