Тепловые процессы при сварке

метки: Процесс, Сварка, Теплов, Источник, Температура, Температурный, Teplovyie, Середина

Теплофизические свойства материала

Материал	Температура плавления Т, К	Коэффициент теплопроводности l, Вт/(м·К)	Объемная теплоемкость сr, Дж(м3∙К)	Коэффициент температуропроводности α, м2 /с
Сплав ХН78Т	1750	25	5∙106	5∙10-6

Параметры режима сварки

Способ сварки	Толщина детали d, мм	Режим сварки			Коэффициент j, Вт/(м2∙К)
		I, A	U, B	υ, м/с
Ручная дуговая	3	125	26	0,001	0

Рассчитать температурное поле ЭВМ.

По полученным данным на масштабно-координатной бумаге формата А4 построить графики зависимости температурного поля:

• Т1(x, y, z)=f1(x) для y·10-3: 0, 10, 20, 30, 50 мм;

• Т2(x, y, z)=f2(±y) для x·10-3: 0, -10, -20, -50, -100 мм.

Определить температуру в начале, середине и конце сварного шва, длина которого 200 мм, через 12 с после окончания сварки.

Определить изотермы Т=1560 К, Т=1200 К, Т=800, Т=500 К на поверхности тела.

Результаты расчета изотерм привести в виде табличных данных и графиков 4-х изотерм на масштабно-координатной бумаге формата А4.

Сделать вывод

КРАТКИЕ ТЕОРИТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Температурное поле есть распределение температур в теле в конкретный момент времени. Температура в общем случае может являться не только функцией координат х, у,z отдельных точек, но и функцией времени T=T(x,y,z,t).В последнем случае температурное поле является объемным. Оно может быть также плоским T=T(x,y,t) или линейный T=T(x,t).

В расчетах тепловых процессов при сварке широко используют зависимости, полученные путем схематизации и упрощения действительных процессов распространения теплоты.

• Формы тела упрощают.
• Теплофизические коэффициенты l, а, сr, a принимают не зависящими от температуры.

Это допущение хотя и искажает действительный процесс распространения теплоты в теле, но значительно упрощает математические выражения.

Указанные допущения позволяют получить стройную теорию распределения температуры в телах при нагреве их различными движущимися источниками теплоты. Эта теория хорошо отражает качественную картину, а в ряде случаев дает также и достаточную для технических расчетов точность описания сварочных процессов. Наибольшие погрешности в описании полей температур наблюдаются в зонах вблизи действия источников теплоты. В отдельных точках, где находятся сосредоточенные источники, расчетная температура достигает бесконечно больших значений. Определение температур в этих зонах в целях установления их значений по изложенным здесь методикам производить не следует. Математический аппарат теории, дополненный экспериментальными данными, а также описанием существа физических явлений, является удобным инструментом для выражения процессов распространения теплоты при сварке.

В случае применения подвижного сосредоточенного источника тепла (электрическая дуга, электронный луч) изменение температурного поля в свариваемом изделии в начальный момент времени определяет меньшие области повышенных температур. По мере увеличения времени действия источника размеры этих областей возрастают до определенных значений и остаются неизменными при нормальных параметрах режима до завершения сварки. После прекращения действия подвижного источника охлаждение металла происходит интенсивнее, так как ввод тепла прекращен, а введенное тепло только распространяется в теле и отдается в окружающую среду конвективным путем или посредством радиации.

В связи с этим различают три стадии изменения температурного поля:

• теплонасыщение, когда его размеры в подвижной системе координат, связанной с источником, увеличиваются;

• предельное, или установившееся состояние, когда температурное поле, оставаясь одинаковым, перемещается вместе с источником тепла (квазистационарное температурное поле);

• выравнивание температуры, когда источник тепла перестает действовать.

Случай 1. Сварка выполняется за один проход с полным проплавлением изделия, что обеспечивает равномерное тепловыделение и установление одинаковых температур по толщине элемента. Такое распределение теплоты в изделии наблюдается при выполнении стыковых и угловых швов на тонколистовых конструкциях, а также при однопроходной сварке встык листов средней и большой толщины интенсивными источниками.

В этом случае сварочную дугу (электронный луч, газовое пламя) можно представить как подвижный линейный источник теплоты, действующий в пластине, температурное поле которого определяется выражением:

. (1)

Предельное значение температуры, характерное для сварки большей части длины достаточно протяженных швов, определяется по формуле:

. (2)

Случай 2. Сварка или наплавка выполняется на массивном элементе (значительная толщина изделия).

Тепловой поток преимущественно за счет теплопроводности отводится в толщину металла. В этом случае сварочный источник представляется как подвижный точечный, действующий на поверхности полубесконечного тела. Температурное поле определяется уравнением

, (3)

. (4)

Случай 3. Если сварка элементов средней толщины выполняется за один или несколько проходов и при этом по толщине листа температура в точках с одинаковыми координатами «х» и «у» существенно отличается, то сварочный источник представляется как точечный, действующий на поверхности плоского слоя. Принимают, что обе поверхности пластины не пропускают теплоту.

Для учета отражения теплоты источника О от границы I вводят фиктивный точечный источник О1 (рис. 1).

В свою очередь теплота от фиктивного источника О1 будет отражаться от поверхности II. Для учета этого вводят фиктивный источник теплоты О2 на расстоянии 2d от плоскости II. Теплота источника О2 будет отражаться от границы I, что требует введения фиктивного источника О3. Этот процесс может быть продолжен до бесконечности. Суммирование температурных полей от всех точечных источников мощностью q, перемещающихся со скоростью u в предельном состоянии дает уравнение:

; (5)=x2+ y2+(z — 2nd)2; r2=x2+ y2.

где Rn2 — расстояния элемента пластины А(x, y, z) от n — ого источника с координатами (0,0,2nd) (рис. 1).

Упрощая (5) для случая квазистационарного (t®¥)температурного поля получаем расчетное выражение:

(6)

Т.к. расчеты по формуле (6) довольно сложны, то температурное поле вне оси Оz на верхней (z = 0) и нижней (z = δ) плоскостях можно описать формулой:

, (5)

где при отсутствии теплоотдачи с поверхностей:

. (6)

(r, z) — коэффициент, выражающий отношение приращения температуры на поверхности плоского слоя, нагреваемого точечным источником, к приращению температуры пластины, вызываемому линейным источником, определяется по номограмме. Для z=0 m>1, для z=δ m <1.

В приведенных выше выражениях приняты следующие обозначения:

• эффективная мощность источника теплоты, Вт;

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovaya/teplovyie-protsessyi-pri-svarke/

• u — скорость перемещения источника, м/с;

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovaya/teplovyie-protsessyi-pri-svarke/

• λ — коэффициент теплопроводности металла, Вт/(м·К);
• δ — толщина свариваемых листов, м;
• с — удельная теплоемкость металла, Дж/(кг·К);
• ρ — плотность материала, кг/ м3;
• а — коэффициент температуропроводности металла, м2/с;, y, z — координаты рассматриваемой точки в подвижной системе координат, начало которой жестко связано с источником теплоты, м;

— плоский радиус-вектор (расстояние от рассматриваемой точки до источника теплоты), м;

— пространственный радиус-вектор (расстояние от рассматриваемой точки до источника теплоты), м;

— коэффициент температуроотдачи, с-1;

• α — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К);
• ψ2(ρ2, τ2) — коэффициент теплонасыщения для линейного источника в неограниченной пластине. Значение ψ2 на стадии теплонасыщения определяют по номограмме в зависимости от безразмерных критериев расстояния ρ2 и времени τ2:

; (7)

. (8)

ψ3(ρ3, τ3) — коэффициент теплонасыщения для точечного источника в полубесконечном теле. Значение ψ3 определяют по номограмме в зависимости от безразмерных критериев расстояния ρ3 и времени τ3:

; (9)

. (10)

К0 — функция Бесселя 1-го рода нулевого порядка.

ВЫЧИСЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ

сварка температура теплота

Для расчета температурного поля на стадии предельного состояния используется программа, составленная на языке Бейсик. Оценка тепловой обстановки в области действия сварочного источника выполняется на поверхности тела размерами 210´100 мм.

Таблица 1. Результаты вычислений температуры предельного состояния

Х, мм	±Y, мм
	0	5	10	15	20	25	30	35	40	45	50
+15	48	42	30	18	11	6	3	2	1	1	0
+10	196	156	92	49	25	13	7	4	2	1	1
+5	1066	613	257	114	54	27	14	7	4	2	1
0	1757	1757	533	215	98	48	24	12	7	4	2
-5	2893	1665	698	311	147	73	38	20	11	6	3
-10	1448	1151	677	360	188	99	53	28	15	9	5
-15	966	845	594	367	213	121	68	38	21	12	7
-20	724	661	512	351	224	136	81	47	27	16	9
-25	579	541	444	328	224	145	91	56	33	20	12
-30	483	457	389	303	219	150	99	63	39	24	15
-35	414	395	346	280	211	151	104	69	44	28	18
-40	362	348	311	258	202	150	107	73	49	32	20
-45	322	311	282	239	192	147	108	76	53	35	23
-50	290	281	257	223	183	144	108	79	56	38	26
-60	241	236	219	195	166	135	106	81	60	43	30
-70	207	203	191	173	150	126	103	81	62	46	34
-80	181	178	169	155	137	118	98	80	63	49	37
-90	161	158	151	140	126	110	94	78	63	50	39
-100	145	143	137	128	117	103	89	75	62	50	40
-110	132	130	125	118	108	97	85	73	61	50	41
-120	121	119	115	109	101	91	81	70	50	41
-130	111	110	107	102	94	86	77	68	58	49	41
-140	103	102	100	95	89	82	74	65	57	49	41
-150	97	96	93	89	84	77	70	63	55	48	41
-160	91	90	88	84	79	74	67	61	54	47	40
-170	85	85	83	79	75	70	65	58	52	46	40
-180	80	80	78	75	72	67	62	56	51	45	40
-190	76	76	74	72	68	64	60	54	49	44	39
-200	72	72	71	68	65	61	57	53	48	43	38

По полученным данным на масштабно-координатной бумаге формата А4 строятся графики температурного поля:

• Т1(x, y, z)=f1(x) для y·10-3: 0, 10, 20, 30, 50 мм;
• Т2(x, y, z)=f2(±y) для x·10-3: 0, -10, -20, -50, -100 мм.
  

ПЕРИОД ВЫРАВНИВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

После окончания действия источника, введенное тепло продолжает распространяться в теле вследствие теплопроводности. Период процесса распространения тепла, начиная от момента прекращения действия источника, называется периодом выравнивания температуры.

Для оценки температурного поля в этот период времени используем расчетную схему, предложенную Н.Н. Рыкалиным.

Рис. 2. Схема действия фиктивных источника и стока тепла в теле в период выравнивания температур

Предположим, что после прохождения отрезка ОК источник мощностью q, прекративший ввод тепла в тело в момент нахождения его в точке К (рис. 2, а), продолжает действовать и дальше (вплоть до отдаленной точки М) как фиктивный источник той же мощности (рис. 2, б).

Одновременно в момент К введен и фиктивный сток тепла мощностью -q, приложенный к тем же участкам тела, что и фиктивный источник +q, т. е. на участке КМ тело тепла не получает.

Температуру ТВ в момент М в периоде выравнивания можно представить как алгебраическую сумму температуры Т(t) от продолжающего действовать источника +q и температуры -Т(t-tк) от начавшего действовать стока тепла — q (рис. 2, в):

. (11)

Обе температуры можно выразить через температуру предельного состояния ТПР и соответствующие коэффициенты теплонасыщения:

. (12)

Значения коэффициентов определяют по соответствующим номограммам (рис. 25).

В расчетах периода выравнивания полагают, что фиктивный источник и сток движутся так же, как двигался бы действительный источник, перенося с собой и начало подвижной системы координат.

ВЫЧИСЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР

Задание

На поверхности полубесконечного тела из сплава ХН78Т ручной дуговой сваркой наплавляют валик длиной l=150 мм.

Режим наплавки: U=28 B; I=220 A; u = 1×10-3 м/с.

Рассчитать температуру в начале, середине и в конце сварного шва через 10 с (tH) после окончания сварки.

В соответствии с заданным способом сварки принимаем тепловой КПД равным 70%.

Мощность источника теплоты:

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovaya/teplovyie-protsessyi-pri-svarke/

Дж/с.

Теплофизические свойства металла:

Вт/(м·К); м2/с.

При наплавке действительный точечный источник на длине шва 160 мм перемещается со скоростью u = 1 мм/с. Длительность его действия:= l/u = 160/1 = 160 с.

После окончания сварки фиктивный источник и сток, двигаясь с той же скоростью, через 10 с находятся в точке, удаленной от конца шва на расстояние хм

хм = u× tH = 1×10 = 10 мм.

Координаты начала, середины и конца шва относительно фиктивного источника и стока

х0 = — l — хм = -160-10 = -170 мм; у0 = 0; z0 = 0.

хN = — l/2 — хм = -160/2 — 20 = -100 мм; уN = 0; zN = 0.

хк = — хм = -10 мм; ук = 0; zк = 0.

Предельные температуры начала, середины и конца шва определим по рассчитанной ранее таблице.

начала шва Т(-170;0;0) = 138 K

середины шва Т(-100;0;0) = 235 K

конца шва Т(-10;0;0) = 2353 K

Длительность действия действительного и фиктивного источников = 160 + 10 = 170 c. Длительность действия фиктивного стока t — tk = 10 с.

Безразмерные критерии для нахождения коэффициентов теплонасыщения:

расстояния

начала шва ;

середины шва ;

конца шва .

времени действия источников:

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovaya/teplovyie-protsessyi-pri-svarke/

;

времени стока:

.

Соответствующие коэффициенты теплонасыщения по номограмме:

• начала шва ψ3 = 0,63 и ψ3΄ = 0;
• середины шва ψ3 = 0,84 и ψ3΄ = 0;
• конца шва ψ3 = 1 и ψ3΄ = 0,95.

Температуры через 10 с после окончания наплавки:

• начала шва Т0 = 138(0,63 — 0) = 87 K;
• середины шва ТN = 235(0,84 — 0) = 198 K;
• конца шва ТK = 2353(1-0.95) = 118 K.

БЫСТРОДВИЖУЩИЕСЯ ИСТОЧНИКИ ТЕПЛОТЫ

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovaya/teplovyie-protsessyi-pri-svarke/

В сварочной технике все чаще применяются мощные источники теплоты, осуществляющие сварку с весьма большими скоростями. В предельном случае, когда q и v стремятся к бесконечности, в то время как отношение q/u сохраняет некоторое конечное значение (q®¥; u®¥; q/u=const), распространение теплоты приобретает особенности, позволяющие значительно упростить расчетные схемы.

Определение температурного поля выполняют по уравнениям:

для точечного источника

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovaya/teplovyie-protsessyi-pri-svarke/

; (13)

для линейного источника

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovaya/teplovyie-protsessyi-pri-svarke/

. (14)

где t — время, отсчитываемое от момента, когда источник тепла пересек плоскость y00z0, в которой находится рассматриваемая точка; y0, z0 — неподвижные координаты рассматриваемой точки.

Применительно к рассматриваемым схемам можно аналитическим способом выразить связь между координатами точек изотермы определенной температуры. Заменив в формулах (14) и (15) ut на [-x] и направление оси х на обратное, можно получить соответственно следующие уравнения поверхностных изотерм температурного поля быстродвижущихся точечного и линейного источников (без учета отдачи тепла поверхностью):

; (15)

.

Таблица 2. Изотермы поверхности тела

Т=1730 К		Т=1200 К		Т=800 К		Т=500 К
х, мм	у, мм	х, мм	у, мм	х, мм	у, мм	х, мм	у, мм
0	0	0	0	0	0	0	0
1	6.28	1	6.84	1	7.41	2	10.04
2	7.15	2	8.11	2	9.05	4	12.09
3	7.23	3	8.62	3	9.93	6	13.05
4	6.84	4	8.72	4	10.41	8	13.46
5	6.01	5	8.53	5	10.64	10	13.49
6	4.63	6	8.09	6	10.68	12	13.32
7	1.86	7	7.39	7	10.56	14	12.67
		8	6.41	8	10.30	16	11.86
		9	5.01	9	9.9	18	10.76
		10	2.60	10	9.37	20	9.30
				11	8.70	22	7.29
				12	7.85	24	4.04
				13	6.78
				14	5.37
				15	3.19

ВЫВОД

В данной курсовой работе температурное поле можно вычислить как по формулам так и с помощью ЭВМ. Весьма эффективно использование ЭВМ в задачах оптимизации параметров режимов сварки, например по скорости охлаждения в заданном интервале температур. Выразить в явном виде скорость охлаждения при определенном значении Т не удается. Подбор оптимальных q и u для обеспечения заданной скорости охлаждения в конкретном интервале температур, в особенности, если еще ставится задача минимизации длительности пребывания металла выше определенной температуры, без ЭВМ практически невозможен. Особый случай расчета тепловых процессов, который может быть выполнен и использованием только крупных ЭВМ- расчет с учетом зависимости теплофизических характеристик металла от температуры.

В данной курсовой работе можно рассчитать температуру любой точки сварного шва, но следует заметить, что в ряде случаев реальные процессы и явления протекают сложнее, чем это описывается формулами. Часто характер теплового воздействия при сварке, условия распространения теплоты и теплоотдачи от свариваемых деталей настолько сложны или неопределимы, что расчетное распределение температур становится либо затруднительным, либо настолько неточным, что его использование оказывается неоправданным. Экспериментальное определение температур при сварке имеет свои преимущества перед расчетным, хотя и уступает ему в возможности получения анализа общих закономерностей. Правильным следует считать подход, при котором оба метода дополняют друг друга.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovaya/teplovyie-protsessyi-pri-svarke/

1. Теория сварочных процессов/ Под ред. В.В. Фролова. М.: Высшая школа, 1988. 559 с.

2. Теория сварочных процессов/ Г.Д. Петров, А.С. Тумарев. М.: высшая школа, 1977. 392 с.

• Сварка в машиностроении/ Под ред. А.И. Акулова. М.: Машиностроение. 1978. 462 с.