Тепловые процессы при сварке

Курсовая работа

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:

Тепловые процессы при сварке 1 . (1)

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

Тепловые процессы при сварке 2 . (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

Тепловые процессы при сварке 3 , (3)

Тепловые процессы при сварке 4 . (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:

Тепловые процессы при сварке 5 ; (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).

Тепловые процессы при сварке 6

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

Тепловые процессы при сварке 7 (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:

Тепловые процессы при сварке 8 , (5)

где при отсутствии теплоотдачи с поверхностей:

Тепловые процессы при сварке 9 . (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;

Тепловые процессы при сварке 10 — плоский радиус-вектор (расстояние от рассматриваемой точки до источника теплоты), м;

Тепловые процессы при сварке 11 — пространственный радиус-вектор (расстояние от рассматриваемой точки до источника теплоты), м;

Тепловые процессы при сварке 12 — 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:

Тепловые процессы при сварке 13 ; (7)

Тепловые процессы при сварке 14 . (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:

Тепловые процессы при сварке 15 ; (9)

Тепловые процессы при сварке 16 . (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.

Тепловые процессы при сварке 17

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):

Тепловые процессы при сварке 18 . (11)

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

Тепловые процессы при сварке 19 . (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 Тепловые процессы при сварке 20 ;

середины шва Тепловые процессы при сварке 21 ;

конца шва Тепловые процессы при сварке 22 .

времени действия источников:

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

Тепловые процессы при сварке 23 ;

времени стока:

Тепловые процессы при сварке 24 .

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/

Тепловые процессы при сварке 25 ; (13)

для линейного источника

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

Тепловые процессы при сварке 26 . (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):

Тепловые процессы при сварке 27 ; (15)

Тепловые процессы при сварке 28 .

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.