Методы расчета тепловых полей при однопроходной сварке

Определение параметров сварочной ванны аналитическим и графическим способами. Построение графиков изотермических циклов, линий и максимальных температур. Особенности определения КПД процесса и эффективной тепловой мощности. Определение режимов сварки.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Содержание

Введение

1. Выбор и обоснование расчетной схемы.

1.1 Исходных данных

1.2 Определение режимов сварки

1.3 Определение КПД процесса и эффективной тепловой мощности

1.4 Выбор расчетной схемы

2. Определение интервалов варьирования координат х, у и t с учетом варьирования значения температуры Т.

2.1 Определение максимального значения времени t

2.2 Определение максимальных значений координат х и у

2.3 Определение приращений координат х, у и t, и определение количества точек по каждой из соответствующих координат

3. Построение графика изотермических циклов

4. Построение графика изотермических линий

5. Построение графика максимальных температур

6. Определение параметров сварочной ванны аналитическим и графическим способами.

6.1 Определение максимальной температуры

6.2 Определение мгновенной скорости охлаждения

6.3 Определение длительности пребывания выше температуры

6.4 Определение длины сварочной ванны

6.5 Определение ширины сварочного шва

6.6 Определение ширины зоны нагрева между изотермами

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Тепловые основы сварки - прикладная научная дисциплина, изучающая источники тепла, охлаждение и нагрев металла, и их влияние на протекающие при сварке процессы.

При сварке происходит резкое изменение температуры металла шва от температуры окружающей среды до температуры плавления металла и выше. В этом промежутке температур происходит расплавление и кристаллизация металла, фазовые и структурные превращения: химические реакции в жидкой ванне; объемные изменения основного и наплавленного металла.

Для того чтобы управлять этими процессами, прогнозировать трудности при сварке, и пользуются тепловой теорией, сущность которой состоит в определении температуры в любой точке тела в любой момент времени от действия источника нагрева.

Определение температуры возможно двумя способами: расчетным и экспериментальным. Соответственно экспериментальный метод требует физической постановки задачи и основан на использовании термочувствительных красок и лаков, термопар и пирометров, а расчетный метод основан на теории расчета тепловых полей, в которой определение температуры сводится к решению уравнения через изученные функции от времени, координат и постоянных параметров.

1. Выбор и обоснование расчетной схемы

1.1 Исходные данные

Таблица 1 - таблица исходных данных

№ варианта	Материал	Тип соединения	Толщина пластины, мм	Способ сварки	Диаметр сварочной проволоки, мм
15	Ст3	С	5	ДЗГ	2

В данном варианте предлагается провести расчет тепловых полей при сварке двух металлических пластин, изготовленных из конструкционной углеродистой стали обыкновенного качества с содержанием углерода не более 0,3%, толщиной 5 мм в стык. В качестве способа сварки выбрана дуговая сварка в среде защитного газа, а именно - углекислого (СО₂). В качестве электрода предлагается использовать проволоку диаметром 2 мм.

Для дальнейших расчетов необходимы следующие теплофизические свойства стали Ст3 [1,2]:

1. Температура плавления - Тр₁, К.

2. Коэффициент теплообмена - а, см²/с.

3. Коэффициент теплопроводности - ?, Вт/см *К.

4. Удельная теплоемкость - С?, Дж/см³ * К.

5. Коэффициент теплоотдачи - ?, Вт.

Числовые значения данных теплофизических свойств стали Ст3 приведены в таблице 2.

Таблица 2 - таблица теплофизических свойств стали Ст3

Тр1, К	а, см2/с	?, Вт/см *К	С?, Дж/см3 * К	?, Вт
1808	0,08	0,38	4,8	0,0291
* Тр1 - температура плавления стали Ст3; * а - коэффициент теплообмена; * ? - коэффициент теплопроводности; * С? - удельная теплоемкость; * ? - коэффициент теплоотдачи.

1.2 Определение режимов сварки

Используя исходные данные (таблица 1) необходимо выбрать по справочной литературе соответствующие режимы сварки, а именно: силу сварочного тока, напряжение на дуге и скорость сварки [3].

Сила сварочного тока I = 180 - 200 A.

Напряжение на дуге U = 28 - 30 В.

Скорость сварки V_св = 20 - 22 м/ч.

Поскольку значение всех режимов сварки задано в интервальном значении, то для расчетов необходимо выбрать величину, лежащую в интервале для каждого параметра сварки соответственно. Принятые для расчетов величины всех режимов сварки приведены в таблице 3.

Таблица 3 - значение величин режимов сварки.

Режим сварки	Сила сварочного тока I, A	Напряжение на дуге U, В	Скорость сварки Vсв, см/с
Значение параметра	200	30	0,55

1.3 Определение КПД процесса и эффективной тепловой мощности

После того как были выбраны величины основных режимов сварки для ведения дальнейших расчетов необходимо определить КПД (коэффициент полезного действия) процесса и эффективную тепловую мощность вводимую в тело. При сварке в среде защитных газов КПД изменяется в интервале от 65% до 80%. Для расчетов целесообразно принять максимально возможное значение КПД (80%) [1].

Эффективная тепловая мощность, вводимая в тело, при дуговой сварке стыковых соединений определяется по формуле [1]:

, (1.1)

где q - эффективная тепловая мощность, Вт; ? - коэффициент полезного действия процесса; U - напряжение на дуге, В; I - сила сварочного тока, А.

Вт.

1.4 Выбор расчетной схемы

Выбор расчетной схемы - наиболее ответственный момент в работе над заданием. Неправильный выбор расчетной схемы повлечет за собой значительные искажения картины температур.

В основу схематизации нагреваемых тел положено представление о распределении температур по толщине детали. Выделяют три основных расчетных схемы тела: полубесконечное тело, бесконечная пластина и плоский слой. сварка изотермический тепловой температура

В основе определения той или иной расчетной схемы лежит определение отношения максимальной температуры точки с координатами у = 0 и z = ? (? - толщина пластины) к температуре плавления заданной стали (таблица 1) [1, 4].

Максимальная температура точки с координатами у = 0 и z = ? определяется по формуле [4]:

, (1.2)

где Т_мах - максимальная температура точки с координатами у = 0 и z = ?, К;

q - эффективная тепловая мощность, Вт;

V_св - скорость сварки, см/с;

? - толщина листа пластины, см;

С? - удельная теплоемкость, Дж/см³ * К.

К.

После определения Т_мах необходимо определить величину проплавления пластины, то есть определить соотношение между максимальной температурой точки с координатами у = 0 и z = ? и температурой плавления [1, 4]:

, (1.3)

где S - величина проплавления пластины; Т_мах - максимальная температура точки с координатами у = 0 и z = ?, К; Тр₁ - Температура плавления, К.

Поскольку величина проплавления пластины больше...