Выбор и обоснование расчетной схемы

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.

 

Выбор и обоснование расчетной схемы

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]:

. Температура плавления - Тр₁, К.

. Коэффициент теплообмена - а, см²/с.

. Коэффициент теплопроводности - л, Вт/см •К.

. Удельная теплоемкость - Сс, Дж/см³ • К.

. Коэффициент теплоотдачи - б, Вт.

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

 

Таблица 2 - таблица теплофизических свойств стали Ст3

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

 

Определение режимов сварки

сварка изотермический ванна

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

 

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.

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

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

, (1.2)

 

где Т_мах - максимальная температура точки с координатами у = 0 и z = д, К; q - эффективная тепловая мощность, Вт; V_св - скорость сварки, см/с; д - толщина листа пластины, см; Сс - 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 = д и температурой плавления [1, 4]:

 

, (1.3)

 

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

Поскольку величина проплавления пластины больше 0,9 от температуры плавления пластины, то в качестве расчетной схемы тела выбирается бесконечная пластина. Так же на данном этапе необходимо определиться и с источником энергии. Так как в данном варианте скорость сварки в два раза больше скорости при ручной дуговой сварки, а в качестве способа сварки предлагается дуговая сварка в среде защитного газа, то в целесообразно использовать быстродвижущийся линейный источник энергии [1, 4].

Заключение

 

В данной курсовой работе производится расчет тепловых полей при однопроходной сварке по заданным условиям (таблица 1). В ходе выполнения работы были определены значения температуры при различных значениях координат х, у и времени t (таблица 4). На основании полученных расчетных данных был построен график изотермических циклов, для точек, лежащих на оси шва при разных значениях координаты у и времени t (рисунок 1). По данному графику можно судить о корректности, предложенных справочной литературой [3], основных режимов сварки, а именно силе сварочного тока, напряжения на дуге и скорости сварки. В данном варианте можно говорить о там, что предложенные режимы сварки были не корректны, потому что они не обеспечили оптимальных условий для процесса сварки, а именно расплавления металла и образования сварочной ванны. Для получения оптимальных условий сварки необходимо изменить один или несколько из основных режимов сварки. Например, увеличение силы сварочного тока, напряжения на дуге и уменьшение скорости сварки приведут к резкому увеличению температуры, до которой разогревается метал, и следовательно к образованию сварочной ванны. Кроме того по графику изотермических циклов (рисунок 1) можно определить ряд параметров сварочной ванны.

Так же в данной работе был построен график изотермических линий (рисунок 2), для чего были определены значения координаты у при различном значении координаты х, и заданных приращениях температуры и времени (таблица 5,6,7). Соответственно по данному графику можно определить ряд таких важных параметров, как ширина сварочного шва или длина сварочной ванны. Так же была определена зависимость характера и вида изотерических линий от величины эффективной тепловой мощности и скорости сварки. Уменьшение эффективной тепловой мощности, при неизменном значении других параметров, привело к уменьшению размера изотермических линий, то есть к уменьшению длины сварочной ванны и ширины сварочного шва, а уменьшение скорости сварки, при неизменном значении других параметров, наоборот, привело к увеличению размеров изотермических линий. На основании этого можно сделать вывод о том, что уменьшение скорости сварки и увеличение эффективной тепловой мощности способствует большему нагреву метала, а следовательно, повышается вероятность образования сварочной ванны.

Помимо построения графиков изотермических линий (рисунок 2) и изотермических циклов (рисунок 1), в курсовой работе были определены параметры сварочной ванны, к которым относятся такие важные характеристики, как ширина сварочного шва, длина сварочной ванны или мгновенная скорость охлаждения, или ширина зоны нагрева, графическим и аналитическим способами. Сопоставление данных полученных аналитическим и графическим методами позволяет судить о правильности расчетов проведенных для построения графиков изотермических линий (рисунок 2) и изотермических циклов (рисунок 1). В данном варианте различие величин параметров сварочной ванны, определенных графическим и аналитическим методами в большинстве случаев не привыкает 10%, что свидетельствует о правильности расчетов. Различие больше чем в 10% можно объяснить наличием ряда допущений, которые полагаются при определении и выборе расчетной схемы, а также в формулах предложенных справочной литературой [4] для определения параметров сварочной ванны аналитическим способом.

 

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.

 

Выбор и обоснование расчетной схемы

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]:

. Температура плавления - Тр₁, К.

. Коэффициент теплообмена - а, см²/с.

. Коэффициент теплопроводности - л, Вт/см •К.

. Удельная теплоемкость - Сс, Дж/см³ • К.

. Коэффициент теплоотдачи - б, Вт.

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

 

Таблица 2 - таблица теплофизических свойств стали Ст3

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

 

Определение режимов сварки

сварка изотермический ванна

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