Изучение особенностей протекания теплового процесса при сварке из заданного сплава

• Содержание
• Введение
• 1. Расчет термического цикла при заданных условиях
• 1.1 Конструктивные особенности сварного соединения и условия выполнения сварки
• 1.2 Характеристика свойств изделия и сварочных материалов
• 1.2.1 Основной свариваемый металл
• 1.2.2 Сварочная проволока
• 1.3 Обоснование схемы нагрева
• 1.4 Учет ограниченных размеров обечайки
• 1.4.1 Расчет термического цикла предельного состояния для точки А, отстоящей от источника по оси х и у на 5 мм
• 1.4.2 Расчет термического цикла предельного состояния для точки В, отстоящей от источника по оси х на 50 мм, по у на 5 мм
• 2. Оценка скорости охлаждения методом графического дифференцирования и расчетным методом
• 3. Расчет состав металла шва по смешению и с учетом коэффициентов перехода
• 3.1 Состав металла шва по смешению
• 3.2 Состав металла шва с учетом коэффициентов перехода
• Заключение
• Литература

Типы процессов распространения тепла в металле, нагреваемом сварочной дугой, весьма разнообразны. На эти процессы влияют следующие основные факторы:

а) размеры и форма свариваемых изделий, теплофизические свойства их металла и условия их теплообмена с окружающими предметами;

б) эффективная тепловая мощность сварочной дуги, распределение её теплового потока и характер её перемещения по изделию.

Распределение температур в теле в конкретный момент времени называется температурным полем, а изменение температуры во времени в данной точке тела называется термическим циклом, который необходимо рассчитать для двух точек.

Целью курсового проекта является изучения особенностей протекания теплового процесса и физико-химических свойств основного металла и металла шва при сварке из заданного сплава при указанных условиях.

Для достижения цели нужно решить следующие задачи:

1) изучить учебные источники по теме;

2) построить графики термических циклов и сравнить особенности протекания процессов;

3) оценить особенности основного металла и металла шва и склонность его растрескиванию.

1. Расчет термического цикла при заданных условиях

1.1 Конструктивные особенности сварного соединения и условия выполнения сварки

Обечайки являются базовой деталью всех колонных, теплообменных и других аппаратов. Различают кольцевое и продольное поперечное расположение швов обечайки.

Рисунок 1. Геометрические параметры обечаек.

Обечайки диаметром до 600 мм изготовляются с одним продольным швом.

Так как по заданию известно, что максимальная координата второй точки х = 50 мм.

1.2 Характеристика свойств изделия и сварочных материалов

1.2.1 Основной свариваемый металл

Марка: 25ХГСА

Заменитель: 20ХГСА

Классификация: Сталь конструкционная легированная хромокремнемарганцовая.

Применение: Ответственные сварные и штампованные детали, применяемые в улучшенном состоянии: ходовые винты, оси, валы, червяки, шатуны, коленчатые валы, штоки и другие детали.

Таблица 1. Химический состав в % материала 25ХГСА ГОСТ 4543– — 71

Для указанной марки стали можно выбрать значения следующих теплофизических постоянных при температуре 500 °C из справочной литературы.

л — коэффициент теплопроводности материала, Вт/см •°С. л= 0,34 Вт/см •°С;

г — плотность материала, г/см³. принимаем, что г не зависит от Т°, так как расчет ведется по размерам ненагретого изделия, тогда объемная теплоемкость. г=7,69 г/см³

степлоемкость стали, Дж/(кг· °С). с=584 Дж/(кг•°С) = 0,584 Дж/(г•°С).

сг — объемная теплоемкость металла, Дж/(см³· °С) сг = 0,584 •7,69 =4,49 Дж/(см³· °С) а — коэффициент температуропроводности, см²/с.

(1)

1.2.2 Сварочная проволока

Сварочная проволока Св-18ХГС принадлежит к классу легированных сварочных проволок, имеет в своем составе марганец, хром и кремний и широко используется для сварки и наплавки металла.

Применяется для сварки элементов металлоконструкций, выполненных из легированных и конструкционных сталей.

Таблица 2. Химический состав проволоки

1.3 Обоснование схемы нагрева

Как указывает Рыкалин в таблице «Расчетные схемы процессов распространения тепла при дуговой сварке» [5, с. 63] схема сварки продольного шва обечайки без численной проверки (с помощью расчета безразмерных коэффициентов) укладывается в схему «Линейный подвижный источник в пластине с теплоотдачей», т.к. по заданию:

1) листы свариваются встык за один проход;

2) форма изделия — тонкий лист (4 мм).

Поэтому сразу примем схему без предварительного расчета ЛПИ — БП. В процессе расчета учтем ограничение размеров.

Мысленно развернём обечайку в пластину, учет отражения теплоты от границ воображаемой пластины произведём, приняв, что пластина является бесконечной, а в ней движутся одновременно и с одинаковой скоростью несколько источников одинаковой мощности: реальный (q реал) и фиктивные (qф4) (см схему на рисунке 4).

1.4 Учет ограниченных размеров обечайки

Отражения теплоты от боковых кромок учитываются путем суммирования тепловых потоков от реального и фиктивных источников. Для точки, А (или В соответственно) пластины в самом общем случае выражение будет иметь вид:

(2)

Аналогичное выражение можно записать и для точки B.

Поскольку точно неизвестно насколько велико или мало расстояние от первого, второго, третьего или четвертого фиктивного источника на то, чтобы оказать существенное и малосущественное влияние, расчеты следует делать для всех четырех источников. Если расчетные температуры будут для какого-то источника нулевыми, только тогда можно утверждать, что такой-то фиктивный источник влияния не оказывает.

Для расчета влияния граничных условий возьмем время, за которое совершается сварка продольного шва. Это время вычисляется по формуле

Формула для расчета температур предельного состояния для принятой схемы имеет вид

(3)

где q — эффективная мощность сварочной дуги, Вт (или Дж/с)

(4)

где з — эффективный КПД процесса.

Для сварки в углекислом газе при сварке на медной водоохлаждаемой подкладке можно принять з=0,58…0,7 [6, с. 198].

(5)

л — коэффициент теплопроводности материала, Вт/см •°С;

a — коэффициент температуропроводности, см²/с.

д — толщина пластины, см; д=0.4 см.

К0- функция Бесселя от указанного аргумента нулевого порядка.

R — пространственный радиус-вектор к расчётной точке, см; рассчитывается по формуле:

(6)

где x (t) — абсцисса расчетной точки в подвижной системе координат, см;

(7)

Vскорость сварки, см/с. V= 30 м/час = 0,83 см/с.

x₀ -начальная координата, см;

tтекущее время процесса, с;

bкоэффициент температуроотдачи пластины, учитывающий интенсивность понижения температуры при теплоотдаче в окружающую среду с двух сторон пластины, 1/с

(8)

1.4.1 Расчет термического цикла предельного состояния для точки А, отстоящей от источника по оси х и у на 5 мм

Построим принципиальную схему расположения источников, воздействующих на точки при сварочном процессе. Ось х совпадает с осью шва. И отметим радиус-векторы для любых двух источников к точкам, чтобы не загромождать схему, остальные строятся аналогично.

Рисунок 2. Схема воздействия источников на расчетные точки Мысленно совместим движущуюся систему координат с избранным источником. Пусть реальный источник уже прошел точку А, и отдалился от нее на 5 мм.

В любой момент времени сварки радиус — вектор точки, А относительно источников будет вычислен по выражениям 6 и 7:

1) реальный источник:

2) фиктивный 4:

По расчетам видно, что реальный источник прошел точку, А 0,6 секунд назад, а 1,2 секунды назад начался сам процесс сварки. Подставим, полученные выражения в формулу 2 рассчитаем предельные температуры точки, А от воздействия всех источников.

Рисунок 3. Предельные температуры точки, А Рисунок 5 отражает процессы воздействия на точку, А всех источников. Расчетные температуры приведены в приложении 1, а также в Excel,

Эти температуры, характеризуют предельное состояние. В стадии же теплонасыщения температура будет рассчитываться через коэффициент теплонасыщения ?.

В начальный период действия источника температура рассчитывается по формуле, учитывающей стадию теплонасыщения [4]:

Можно рассчитать его для линейного источника на поверхности пластины ?2 определяется по формуле (21):

(9)

где — безразмерное расстояние, рассчитывается по формуле (15) [4]:

(10)

где — скорость сварки, см/с;

— плоский радиус-вектор к точке, см;

— коэффициент температуропроводности, см²/с;

— коэффициент теплоотдачи пластины.

— безразмерное время, рассчитывается по формуле (41) [4]:

(11)

При этом рассчитанный показатель при достижении некого максимального значения, следует считать в последующие в моменты времени равным максимальному значению. Ниже приведены графики коэффициентов насыщения для источников.

Рисунок 4. Коэффициенты насыщения

Как показывают графики теплонасыщение при воздействии на тоску, А от реального источника не наступает, но при воздействии фиктивного источника номер 4 напротив температуры достигают предельного состояния за 1,5 секунды.

Поскольку сварка идет в один проход, то стадию выравнивания температур, когда металл остывает, можно не учитывать.

1.4.2 Расчет термического цикла предельного состояния для точки В, отстоящей от источника по оси х на 50 мм, по у на 5 мм

Расчет для точки В (50,5) проходит аналогично предыдущему, но с учетом изменившегося радиус-вектора. Сначала производится расчет предельных температур, затем коэффициентов теплонасыщения. Расчетные данные приводятся в приложении 2 и в Excel.

В любой момент времени сварки радиус — вектор точки В относительно источников будет вычислен по выражениям 6 и 7:

1) реальный источник:

2) фиктивный 4:

Рисунок 5 Предельные температуры точки В Рисунок 6. Коэффициенты насыщения Стадия теплонасыщения наступает в точке В позже, но проходит стремительно и до конца и для реального, и для фиктивного источника. С учетом коэффициентов насыщения графики меняют свой вид, если в предельном состоянии они представляют собой абсолютно одинаковые кривые, сдвинутые по оси времени, то из-за особенностей теплонасыщения видна разница протекания тепловых процессов.

Рисунок 7 Термические циклы точек, А и Б

2. Оценка скорости охлаждения методом графического дифференцирования и расчетным методом

По условию Т=500 °С Пусть первоначально Т₀= 0 °C. Значит Д Т примем равным 500 °C.

Построим часть графика для определения мгновенной скорости охлаждения, значения выберем в окрестностях точки при 500 °C. Рассчитаем масштабы отображения с помощью средств САПР «Компас». Построим касательную прямую через точку, температура которой равна 500°.

Ниже графика температур построим оси для мгновенной скорости, влево отложим произвольный отрезок — полюсное расстояние. Через его начало проведем прямую, параллельную построенной касательной. Отрезок, который отсечет на вертикальной оси эта прямая, есть ордината мгновенной скорости. Чтобы рассчитать действительное значение мгновенной скорости, надо длину отрезка умножить на рассчитанный масштаб.

Мгновенная скорость охлаждения расчетным методом с известными допущениями в пластине определяется по формуле [6, с. 250]:

(13)

Результаты имеют среднюю сходимость, но оба демонстрируют, что предварительный подогрев требуется, т.к. для стали 25ХГСА указана оптимальная температура в пределах 0,07…1,3. Расчет же показал, что температура превышает указанные пределы на порядок.

Расчет температуры подогрева проведем по следующей формуле[3, с 353]

(14)

где С_эквп — полный эквивалент углерода.

(15)

где эквиваленты рассчитываются по верхнему пределу элементов следующим образом

(16)

(17)

3. Расчет состав металла шва по смешению и с учетом коэффициентов перехода

3.1 Состав металла шва по смешению Состав металла шва по смешению проводят без учета химических реакций.

(18)

где [Хшв]- содержание элемента в шве, %;

[X_ОМ] - содержание элемента в основном металле, %;

[X_ЭП] - содержание элемента в присадке %;

г — доля основного металла в металле шва. Соответственно доля присадочного металла, в нашем случае металла электронной проволоки равна (1-г).

Рассчитать долю участия основного металла в металле шва можно аналитически, однако учитывая сложную форму разделки, односторонний скос и т. д., можно определить долю с помощью схемы измерительными средствами «Компас».

Рисунок 8. Схема шва по ГОСТ, для определения г

Из схемы определили г=0,44.

Таблица 3 Содержание элементов в основном металле и проволоке

Для примера определим левую и правую границу содержания углерода в металле шва, остальные расчеты такие же, сведем их в таблицу.

Таблица 4 Состав металла шва по смешению

2.2 Состав металла шва с учетом коэффициентов перехода При сварке в среде углекислого газа происходит выгорание легирующих элементов, которое необходимо учитывать при расчете химического состава металла шва. В этом случае состав металла шва определяется по следующему выражению:

(19)

Таблица 5 Коэффициенты перехода элемента из материала в металл шва

Для примера определим левую и правую границу содержания углерода в металле шва, остальные расчеты такие же, сведем их в таблицу.

Таблица 6 Состав металла шва с учетом коэффициентов

Заключение

Таким образом, на металл обечайки воздействует два источника один реальный и фиктивный. При этом температура точки В выше, чем точки А, так как стадия теплонасыщения более стремительна, и коэффициенты достигают 1. Тогда как теплонасыщение точки, А не достигает предела.

Мгновенная скорость охлаждения показывает, что температура не так сильно отличается, от критической скорости охлаждения, но далека от рекомендованных пределов, поэтому требуется дополнительный подогрев.

Металл шва менее склонен к горячим и холодным трещинам, чем основной металл, наилучшим раскислителем при заданных условиях является марганец.

сварка термический металл

1. ГОСТ 14 771– — 76 Сварка в среде защитных газов. Соединения сварные. Основные типы, конструкционные элементы и размеры. Введен: 01.07.77 — М.: ИПК Изд. стандартов, 1977.-39 с ГОСТ 2246–70 Проволока стальная сварочная. Введен: 01.07.73 — М.: ИПК Изд. стандартов, 1977.-39 с

2. ОСТ 24.201.03−90 Сосуды и аппараты стальные высокого давления. Общие технические требования

3. Петров Г. Л., Тумарев А. С. Теория сварочных процессов. М.: Высшая школа. — 1977. -389 с.

4. Расчет основных параметров режима механизированной дуговой сварки плавящимся электродом: методические указания к курсовому и дипломному проектированию/ Сост.: Р. Ф. Катаев. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2009. 37 с.

5. Рыкалин Н. Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. М.: МАШГИЗ, 1951. 296 с.

6. Теория сварочных процессов: Учебник для вузов / под ред. В. М. Неровного. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2007. — 752с

7. Теплоемкость стали — Thermalinfo.ru — справочник теплофизика

Приложение 1

Температуры точки А

Приложение 2

Температуры точки В

Рисунок 12. Термические циклы точек в предельном состоянии Рисунок 13 Термические циклы точек с учетом теплонасыщения