Розрахунок нагрівання та структурних перетворень під час зварювання

Характеристика методики розрахунку та побудови температурних полів, які виникають під час електродугового зварювання та наплавлення деталей. Аналіз способів побудови ізотерми 500 К, 800 К, 1100 К, 1600К у площині переміщення зварювального джерела.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Вступ

температурний електродуговий зварювання ізотерма

Ця курсова робота є заключним етапом вивчення дисципліни "Теорія зварювальних процесів" і виконується студентами, що навчаються за бакалаврською програмою "Зварювання". Вона передбачає застосування знань теоретичних основ курсу для практичного аналізу конкретних умов зварювання чи наплавлення з метою оптимізації їхніх режимів.

У зв'язки з тим, що всі методи і види дугового зварювання чи наплавлення й інші термічні та термомеханічні процеси пов'язані з місцевим нагріванням та подальшим охолодженням деталей, технологічна міцність та експлуатаційні властивості зварних з'єднань і наплавлених шарів вирішальною мірою визначаються тепловими процесами, що відбуваються при цьому.

1. Мета роботи

Освоїти методику розрахунку та побудови температурних полів, які виникають під час електродугового зварювання та наплавлення деталей.

Дослідити вплив режиму зварювання, зокрема його погонної енергії, на характер ізохрони, ізотерм, термічних циклів та швидкість охолодження металу зварного з'єднання.

Проаналізувати вплив параметрів температурного поля на розміри та мікроструктуру зони термічного впливу (ЗТВ) під час зварювання чи наплавлення деталей із конкретної марки сталі.

Дослідити вплив хімічного складу сталі та параметрів режиму зварювального процесу на схильність зварних з'єднань чи наплавлених деталей до утворення гарячих і холодних тріщин.

2.Короткі теоретичні відомості

Процеси поширення теплоти під час зварювання та наплавлення реальних виробів досить складні, а їхні розрахунки надзвичайно трудомісткі. Тому для розрахунку температурних полів, як правило, застосовують спрощені методи з використанням ідеалізованих теоретичних схем. Схематизації підлягають як зварні чи наплавлені тіла, так і джерела нагрівання.

Всю різноманітність тіл, які зварюються чи наплавляються, переважно зводять до таких основних схем: нескінченні та напівнескінченні тіла, плаский шар, нескінченні та напівнескінченні тонкі пластини, нескінченні та напівнескінченні стрижні.

Джерела нагрівання схематизують так: за характером розподіленості в об'ємі Ї зосереджені (точкові, лінійні, плоскі) та розподілені за певним законом введення теплоти у тіло; за часом дії Ї миттєві та безперервно діючі; за характером руху відносно заданої точки Ї нерухомі, рухомі і такі, що швидко рухаються.

Розрахункова схема передбачає одночасний вибір і джерела нагрівання, і тіла, яке воно нагріває. Правильний її вибір максимально наближує розрахунок до реальних умов. У курсовій роботі використовуються такі основні розрахункові схеми: рухоме точкове джерело, що діє на поверхні пів нескінченного тіла (РТД); рухоме джерело у нескінченній пластині (РЛД); потужне точкове джерело, що швидко рухається на поверхні пів нескінченного тіла (ПТШД); потужне лінійне джерело, що швидко рухається в пластині (ПЛТТІД).

Для кожної з наведених схем розрахунку температурних полів існують певні формули, одержані шляхом розв'язання диференційного рівняння теплопровідності, яке у загальному випадку об'ємного поля за відсутності теплообміну з навколишнім середовищем має такий вигляд:

Це рівняння пов'язує швидкість зміни температури з характером її розподілення в тілі.

Температурні поля зручно досліджувати графічним способом за допомогою ізотерм, ізохрони, термічних циклів.

З.Основні завдання курсової роботи

Розрахувати та побудувати розподіли температур у напрямку осі шва чи наплавленого валика для різних віддалей від неї.

Побудувати ізотерми 500 К, 800 К, 1100 К, 1600К у площині переміщення зварювального джерела.

Розрахувати термічний цикл точок тіла, що нагрівались до температур, близьких до плавлення сталі (1600 Ї 1650К).

Визначити лінійні розміри ЗТВ та проаналізувати структурні перетворення в ній.

Визначити кінцеву мікроструктуру в ділянці, що нагрівалась до температур 1600Ї1650 К.

Оцінити стійкість з'єднання до утворення гарячих та холодних тріщин за заданих режимів зварювання та запропонувати шляхи її підвищення.

Таблиця 1. Завдання до курсовох роботи

4. Методика виконання курсової роботи

Спочатку, виходячи із завдання роботи, вибирають розрахункову схему та відповідне її рівняння граничного стану для визначення температурного поля.

Після ретельного аналізу вибраної розрахункової формули розраховують температурне поле.

Вибір розрахункової формули

Для даного завдання вибираємо таку розрахункову схему: рахунок температур при дії потужного точкового джерела, що швидко рухається на поверхні напівнескінченного тіла з адіабатичною границею (ПТШД).

Цю схему використовують у випадку автоматичного наплавлення масивних деталей.

Рівняння граничного стану поширення теплоти, віднесене до рухомої системи координат, має вигляд:



де - час з моменту перетинання джерелом нагрівання площини у якій знаходиться задана точка;

- зростання температури точки твердого тіла, град;

- ефективна теплова потужність, Вт;

- ефективний ККД нагріву деталі зварювальною дугою;

- коефіцієнт температуропровідності, м2/с;

- швидкість зварювання, м/с;

- коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м*град);

- коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м2*град);

- погонна енергія, Вт*с/м.

Після ретельного аналізу вибраної розрахункової формули розраховують температурне поле в послідовності, наведеній нижче.

5.Розрахунок розподілу температур у напрямку осі Х

При дії потужних джерел, що швидко рухаються (ПТШД, ПЛШД), для розрахунку температур у напрямку осі Х у формули (3, 4), в яких відсутня координата Х, потрібно ввести одразу заміну:

t= -x/V

За допомогою програми MathCad проводимо розрахунки для двох режимів. Вводимо всі необхідні дані та значення теплофізичних величин для середньовуглецевої сталі наведені в таблиці 2.

Таблиця 2. Усереднені для 850 К значення теплофізичних величин деяких сталей

Матеріал	л	Сг	а	б
	Вт/(м·град)	Вт/(м3·град)	м2/с	Вт/(м2·град)
Низьковуглецева сталь	40	49·105	81·10-3	30
Середньовуглецева сталь	35	50·105	70·10-3	27
Низьколегована сталь	32	52·105	62·10-3	25

Розрахунок розподілу температур у напрямку осі X для режиму зварювання №1:

Погонна енергія .

Розрахунок розподілу температур у напрямку осі X для режиму зварювання №2:

Погонна енергія .

Відповідні графіки розподілу температур у напрямку осі Х для двох режимів зварювання зображені на рис.1 та рис.2.

Аналізуючи отримані графіки розподілу температур вздовж осі Х можна зробити висновок, що погонна енергія впливає на розподіл ізохрони температурного поля. Це дуже добре видно на графіках, у другому випадку погонна енергія більша і ізохрони ширше розповсюдженні, ніж у першому випадку, де погонна енергія є меншою. При цьому криві ізохрони скупчені між собою.

6.Побудова ізотерм у площині XOY

Одержати ізотерми можна розрахунковим способом. Для цього, користуючись відповідними формулами, необхідними на площині XOY знайти координати X і Y точок, що мають однакову температуру (температуру ізотерми ).

Значно простіше ізотерми одержують графічною перебудовою кривих розподілу температур вздовж осі X. При цьому необхідно, щоб для кожної ізотерми кількість точок була не меншою за 8 - 10. Якщо ж їх одержується менше, то треба доповнити розрахункові дані з розподілу температур вздовж осі X додатковими за інших значень Y.

Криві ізотерми для двох режимів зварювання зображені відповідно на рис. З і рис,4.

Аналізу...