Розрахунок нагрівання та структурних перетворень під час зварювання

Міністерство освіти і  науки, молоді та спорту України

Національний університет  «львівська політехніка»

                                                                                                                                        Кафедра ЗВДВ

 

 

 

Курсовий проект

з курсу «Теорія зварювальних процесів»

Тема: «Розрахунок нагрівання та структурних перетворень під час зварювання»

Варіант 13

 

 

 

 

 

 

 

Виконав:

Студент гр. ЗВ-31

Прудніков Віталій

Прийняв:

Хомич І. Б.

 

Львів – 2013

Зміст

Вступ.

1. Мета роботи 2

2. Короткі теоретичні  відомості 2

3. Основні завдання курсової  роботи 3

4. Методика виконання  курсової роботи 3

4.1. Вибір розрахункової  схеми та рівняння граничного  стану 3

4.2. Розрахунок розподілу  температур в напрямку осі  Х 4

4.3. Побудова ізотерми  в площині ХОУ 5

4.4. Побудова термічних  циклів 5

4.5. Визначення лінійних  розмірів ЗТВ 6

4.6. Визначення швидкості  охолодження 6

4.7. Оцінка технологічної  міцності зварних з’єднань 8

Висновок.

Список використаної літератури.

 

Вступ

Загальні положення.

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.

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

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

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

1.4. 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 пів нескінченні тіла, плаский  шар, нескінченні та пів нескінченні  тонкі пластини, нескінченні та пів  нескінченні стрижні.

Джерела нагрівання схематизують так: за характером розподіленості в об'ємі – зосереджені (точкові, лінійні, плоскі) та розподілені за певним законом введення теплоти у тіло; за часом дії - миттєві та безперервно діючі; за характером руху відносно заданої точки - 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 ( ПЛШД).

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:

дT/дt = а • ( д²Т/дх² + д²Т/ду² + d²T/dz²)                             (1)

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.

3. Основні завдання курсової роботи

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

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

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

3.4. Визначити лінійні розміри ЗТВ та проаналізувати структурні перетворення в ній.

3.5. Визначити кінцеву мікроструктуру в ділянці, що нагрівалась до температур 1600- 1650 К.

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

Таблиця 1. Завдання до курсової роботи

Марка	Тіло	Спосіб зварювання	Режим зварювання
			Ізв, А	Uзв, В	Vзв, м/год
18Х2ВФ	Масивна деталь	Автоматичне під шаром  флюсу	300	30	45
			450	42	36

 

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.

4.1. Вибір розрахункової  формули

Розрахунок виконуємо для потужного  точкового джерела, що швидко рухається  на поверхні півнескінченного тіла з адіабатичною границею. Рівняння граничного стану поширення теплоти має вигляд:

                                                                                                                                                    (2)                                                                 

ΔT - зростання температури точки твердого тіла, град;

t - час, с;

г - плаский радіус-вектор, віддаль точки від джерела, г² = х² + у², м;

Q - ефективна теплова потужність, q = η · I · U, Вт;

η - ефективний ККД нагріву деталі зварювальною дугою;

І - сила зварювального струму, А;

U - напруга зварювальної дуги, В;

V - швидкість зварювання, м/с; n

C_γ - об'ємна теплоємність металу, Дж/(м³ • град);

λ - коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м • град);

а = λ / C_γ - коефіцієнт температуропровідності, м² /с;

b = 2 • α/(δ • C_γ) - коефіцієнт температуропровідності пластини, с^-1;

α - коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м² • град);

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

4.2. Розрахунок розподілу  температур у напрямку осі  X

Під час дії потужних джерел, що швидко рухаються (ПТШД, ПЛШД), для розрахунку температур у напрямку осі Х у  формулу (2), в яких відсутня координата Х, потрібно увести заміну

                                                                            t= - x/v )

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

Таблиця 2. Усереднені для 850 К значення теплофізичних величин

Матеріал	λ	Сγ	а	α
	Вт/(м • град)	Bt/(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

I:= 300 A  U:=30 В V:= м/год η:= 0,9  V:= 0,0125 м/с

а:= 81•10^-3 м²/с λ:= 40 Вт/(м • град)  Сγ:= 49 • 10⁵ Bt/(m³• град) α:= 30 Вт/(м² • град)

q:= IU η  q:= 8.1•10³ Вт

х:= -0,35, -0,35 + 0,0001..0,05

у := (0  0.0046  0.0049  0.0052  0.0056  0.006  0.0064  0.0068  0.0072 0.0076 0.008  0.014)

Погонна енергія  Q:=   Q:= 6.4•10⁶ Вт • с/м

Розрахунок розподілу  температур у напрямку осі X для режиму

зварювання №2

I:= 450 A  U:=42 В V:= м/год η:= 0,9  V:= 0,01 м/с

а:= 81•10^-3 м²/с λ:= 40 Вт/(м • град)  Сγ:= 49 • 10⁵ Bt/(m³• град) α:= 30 Вт/(м² • град)

q:= IU η  q:= 17,01•10³ Вт

х:= -0,35, -0,35 + 0,0001..0,05

у:= (0  0.0075  0.0079  0.0083  0.0087  0.009  0.0094  0.010  0.011  0.012  0.013)

Погонна енергія  Q:=   Q:= 17,01•10⁶ Вт • с/м

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

 

4.3. 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. 3 і рис. 4.

Аналізуючи ці криві, можна відмітити, що ізотерми для першого режиму зварювання більше витягнуті відносно осі X, ніж  ізотерми для другого режиму зварювання, тобто кількість теплоти, що виділяється  при першому режимі зварювання інтенсивніше, більше розповсюджується від джерела  нагрівання, ніж при другому режимі.

Пропорційне збільшення потужності зварювальних дуг та швидкості зварювання змінює температурне поле так, що ізотерми видовжуються в напрямку переміщення джерела, в той час як ширина їх збільшується менш помітно.

При великих швидкостях зварювання ізотерми ще більше наближаються до прямих, паралельних до осі ОХ. Це приводить  до того, що теплота в основному  розповсюджується в напрямку перпендикулярному  до осі шва.

4.4 Побудова термічних  циклів

Термічний цикл заданої точки, тобто  зміну її температури в часі, розраховують відносно просто у випадку потужних джерел, що швидко рухаються.

Для рухомих джерел у розрахункових  формулах час відсутній, тому у цьому  випадку його задають через координату X.

t = x/v

У цій курсовій роботі необхідно  одержати термічний цикл точок тіла, що нагрівались до максимальної температури 1600 - 1650°С. З цією метою спочатку потрібно знайти координату У, що нагрівалась  до цієї температури.

Криві залежності температури  від часу зображені на рис. 5 і  рис. 6.

Аналізуючи графіки, робимо висновок, що температура плавлення  для обох режимів досягається  практично одночасно. А щодо охолодження, то спад температури відбувається швидше при зварюванні на першому режимі. Тому можна сказати, що швидкість  охолодження буде більша при першому  режимі зварювання, що пов'язано з  погонною енергією. Чим більша погонна  енергія, тим менша швидкість  охолодження. Що нам і показують  дані графіки, оскільки погонна енергія  при першому режимі становить Q = 6.4•10⁶ Вт • с/м, а при другому Q = 17,01•10⁶ Вт • с/м.

4.5 Визначення  лінійних розмірів ЗТВ

Для визначення лінійних розмірів ЗТВ потрібно знати розподіл максимальних температур на площині XOY. Знайти їх математично-аналітичним  способом досить важко. Це завдання значно спрощується за наявності необхідної кількості ізохрон у напрямку осі X. У цьому випадку криву розподілу максимальних температур на площині XOY можна одержати шляхом графічного перенесення максимальних значень температур ізохрони на площину XOY. Отже, необхідно одержати криву в інтервалі температур АС1-Тпл.