Министерство образования и науки Украины
Приазовский государственный технический университет
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовой работе по курсу «Термодинамика и тепловыепроцессы при сварке»
Тема: Оценка теплового состояния точек основного металла приоднопроходной с полным проплавлением сварки двух листов в стык
Мариуполь, ПГТУ, 2010 г.
Содержание
1. Задание
2. Характеристика основного металла
3. Обоснование и выбор условной расчетной схемы процесса
4. Расчет и построение термических циклов точек основногометалла
5. Расчет максимальных значений температуры
6. Построение изохрон
7. Построение изотерм температурного поля
8. Расчет мгновенной скорости охлаждения при данной температуре
9. Время пребывания точек основного металла притемпературе, выше заданной
Заключение
Список использованной литературы
Приложения
Реферат
Курсовая работа содержит: ____ страниц машинописного текста,9 рисунков, 8 таблиц, 5 приложений, 8 литературных источников.
Овладение методами тепловых расчетов при автоматической сваркепод слоем флюса и построение температурного поля, возникающего вокруг источникатепла в свариваемых изделиях в виде бесконечного тела. Рассчитываются максимальныезначения температуры, изотерм температурного поля, мгновенная скорость охлажденияпри данной температуре, времени пребывания точек основного металла при температуревыше заданной; построение изохрон и изотерм температурного поля.
1. Задание
Оценить тепловое состояние точек основного металла при однопроходнойс полным проплавлением сварке двух листов в стык.
Исходные данные:
1. Ток сварки: I = 220 А;
2. Напряжение на дуге: V = 25 В;
3. Скорость сварки: 20 м/ч ≈ 0,56 см/с;
4. Марка металла свариваемых пластин: Ст5Гпс;
5. Толщина свариваемых пластин: δ = 5 мм = 0,5 см;
6. Вид сварки: автоматическая электродуговая сварка под слоем флюса;
7. Исследуемые точки: у1 = 1 см = 10 мм, у2 = 2 см = 20 мм, у3 = 3 см = 30 мм.
/>
Рис.1.1 — Схема однопроходной сварки встык двух пластин (m, n — свариваемыеобразцы; δ — толщина образцов; XOY — неподвижная система координат неподвижных точек; X’O’Y’ — подвижнаясистема координат источника тепла; l=δ — линия выделения тепла (источникатепла), толщина свариваемых пластин; 1,2,3 — исследуемые точки, термопарыв них устанавливаются с обратной стороны пластины в среднем ее сечении; qx, qy — тепловые потоки от источника тепла)
Требуется:
1. Рассчитать максимальные значения температуры.
2. Рассчитать и построить изотермы температурного поля.
3. Рассчитать и построить изохроны температурного поля.
4. Вычислить мгновенную скорость охлаждения при данной температуре.
5. Расчет времени пребывания точек основного металла при температуре выше заданной.2. Характеристика основного металла
Ст5гпс — сталь конструкционная углеродистая обыкновенного качества.
Химический состав:
Табл.2.1 — Химический состав в % материала Ст5ГпсC Si Mn S P
Fe 0,22 — 0,3 до 0,15 0,8 — 1,2 до 0,05 до 0,04 98,26 — 98,98
Температура плавления: 1500°С;
Объемная (полная) теплоемкость: cγ = 4,74 Дж/ (см3 ∙ К);
Коэффициент температуропроводности: a = 0,085 см2/с;
Коэффициент теплопроводности: λ = 0,4 Вт/(см ∙ К).
Все выше указанные данные взяты из приложения 1.
Повышенное содержание углерода ухудшает свариваемость стали Ст5Гпс,так как оно снижает стойкость металла шва к образованию кристаллизационных трещини делает возможным появление в околошовной зоне малопластичных структур и холодныхтрещин.
Усиление чувствительности швов к кристаллизационным трещинамобъясняет тем, что углерод повышает степень дендритной неоднородности распределениясеры и способствует выделению ее по границам кристаллитов в виде легкоплавких сульфидныхвключений, увеличивающих ТИХ. Чтобы получить качественный шов, следует снизить содержаниеуглерода в нем за счет применения соответствующих сварочных материалов и уменьшениедоли основного металла в наплавленном. Необходимую же равнопрочность шва основномуметаллу получают дополнительным легированием элементами, упрочняющими феррит (марганеци кремний).
Повышенное содержание углерода в облегчает возможность появлениямартенсита в околошовной зоне. Для углеродистого мартенсита характерны высокая твердостьи хрупкость, объясняемые пластинчатой формой его строения. Протекающее же при низкихтемпературах (менее 350°С) мартенситное превращение резко повышает уровень внутреннихнапряжений.
Чтобы предотвратить образование малопластичных и хрупких структурпри сварке, следует замедлять охлаждение металла, регулирую режим сварки, а еслинеобходимо, предварительно подогревать изделие. Для обеспечения высокой деформационнойспособности сварного соединения и его равнопрочности с основным металлом после сваркиназначают термическую обработку (закалку с отпуском, нормализацию).
При нагреве до температур горячей деформации включения эвтектикисообщают стали хрупкость, а при некоторых условиях могут даже плавиться и при деформированииобразовывать надрывы и трещины. Марганец устраняет красноломкость, так как сульфидымарганца не образуют сетки по границам зерен и имеют температуру плавления около1 620°С, что выше температуры горячей деформации. Вместе с тем, сульфиды марганца,как и другие неметаллические включения, также снижают вязкость и пластичность, уменьшаютусталостную прочность стали.
3. Обоснование и выбор условной расчетной схемы процесса
/>
Рис.3.1 — Условная расчетная схема процесса однопроходной сваркивстык с полным проплавлением двух пластин: (m,n — свариваемые образцы; δ — толщинаобразцов; XOY — неподвижная система координат неподвижных точек; X’O’Y’ — подвижнаясистема координат источника тепла; l=δ — линия выделения тепла (источникатепла), толщина свариваемых деталей)
Поскольку заданно полное проплавление, тело прогревается равномернопо всей толщине и температура по оси Z между ограничивающими поверхностями одинакова.Наличие двух параллельных поверхностей, ограничивающих распространение тепловогопотока, с постоянной температурой между ними является признаком «пластины».Следовательно, расчетной схемой нагреваемого тела будет «пластина». Приполном проплавлении, тепло равномерно выделяется из условной линии 0’ и свободно распространяется в теле по осям x’ и y’. Это значит, что источник тепла «линейный».Скорость сварки, т.е. скорость движения источника тепла составляет 20 м/ч. По этомупо характеру перемещения источник тепла является «быстродействующим».
Оценку теплового состояния основного металла будем производитьво время выполнения сварки. Следовательно, по времени действия источник тепла«непрерывно-действующий».
Полная формулировка условий расчетной схемы имеет вид:«линейный, быстродвижущийся, непрерывно-действующий источник тепла в пластине».
В данном случае температура термического цикла рассчитываетсяпо формуле:
/>/> (3.1)
где: qu — эффективнаятепловая мощность дуги, Вт;
λ — коэффициенттеплопроводности, Вт/ (см ∙ К);
d — толщина свариваемыхлистов, см;
v — скорость сварки, см/с;
/> - коэффициент температуропроводности,см2/с;
/> - коэффициент температуроотдачи, 1/c;
сg — общая теплоемкость,Дж/ (см3 ∙ К);
t — время, отсчитываемое от моментапрохождения дугой плоскости, в которой находится исследуемая точка, с;
y — координата исследуемой точки,см.
Все расчеты выполняем на ЭВМ с использованием табличного редактораMicrosoft Excel.Результаты расчета приведены в приложении 5.4. Расчет и построение термических циклов точек основногометалла
Термическим циклом данной точки называется изменение ее температурыво времени.
у1
у2
у3 На основании составленной программы (приложение 5) рассчитаны кривые термическихциклов заданных точек свариваемых пластин, приведенных на рис.4.1.
/>
Рис.4.1 — Термические циклы точек свариваемых пластин, различноудаленных от оси шваь(у1 = 1 см, у2 = 2 см, у3 = 3 см)5. Расчет максимальных значений температуры
Максимальную температуру точек, находящихся на расстоянии отоси шва при действии линейного быстродвижущегося непрерывнодействующего источникатепла в пластине определяется по формуле:
/>
где: qu — эффективнаятепловая мощность дуги, Вт;
d — толщина свариваемыхлистов, см;
v — скорость сварки, см/с;
/> - коэффициент температуропроводности,см2/с;
/> - коэффициент температуроотдачи, 1/c;
сg — общая теплоемкость,Дж/ (см3 ∙ К);
y — координата исследуемой точки,см.
Табл.5.1 — Максимальныезначения температуры точек, различно удаленных от оси шваy (см) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Tmax (°C) 952,6 476,1 317,2 237,7 190,0 158,1 136,1 118,2 104,8 94,1 85,4 78,0 71,8 66,5
На основании полученных данных (табл.5.1), построена кривая максимальныхзначений температуры точек.
/>
Рис.5.1 — Максимальные значения температуры точек, различно удаленныхот оси шва
Из графика видно, что по мере приближения к продольной оси швамаксимальная температура быстро возрастает и становятся выше температур металла.Такие температуры являются фиктивными.
6. Построение изохрон
Изохрона — кривая, показывающая распределение температуры в телепо направлению, в конкретный момент времени.
Табл.6.1 — Значения температуры точек в заданный момент времениτ, с Y (см) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 6 1529,34 936,73 215,25 18,56 0,60 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 20 805,62 695,45 447,37 214,45 76,61 20,39 4,05 0,60 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 30 639,72 579,98 432, 20 264,72 133,27 55,15 18,70 5,30 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 40 538,80 560,00 401,51 277,99 166,15 85,72 38,18 14,68 4,87 1,40 0,35 0,07 0,01 0,00 0,00 50 468,68 441,91 370,42 276,03 182,87 107,7 56,39 26,25 10,8 4,00 1,31 0,38 0,10 0,02 0,00 60 416,10 396, 19 342,01 267,67 189,95 122, 20 71,25 37,67 18,10 7,85 3,09 1,10 0,39 0,11 0,01
Используя данные табл.6.1., строим изохронны температурного поля(приложение 6).
7. Построение изотерм температурного поля
Изотермической линией называется геометрическое место точек тела,имеющих одинаковую температуру.
Используя номограмму для вычисления температурных полей предельногосостояния в бесконечной пластине без теплоотдачи (приложение 3), находим значенияӨ и соответствующие ей значения ρ иr.
Табл.7.1 — Расчет значений ρ и r
T,°
C Ө
°
ρ-r 0° 30° 60° 90° 120° 150° 180° 210° 240° 270° 300° 330° 1500 0,36
ρ1 0,55 0,65 0,75 1,15 1,70 4,25 12,5 4,25 1,70 1,15 0,75 0,65
r1 0,17 0, 20 0,23 0,35 0,52 1,29 3,79 1,29 0,52 0,35 0,23 0, 20 1300 0,31
ρ2 0,70 0,8 0,90 1,25 2,00 5,00 20,0 5,00 2,00 1,25 0,90 0,80
r2 0,21 0,24 0,27 0,38 0,61 1,52 6,07 1,52 0,61 0,38 0,27 0,24 1100 0,26
ρ3 0,80 0,90 1,10 1,50 2,80 6,00 30,0 6,00 2,80 1,50 1,10 0,90
r3 0,24 0,27 0,33 0,46 0,85 1,82 9,11 1,82 0,85 0,46 0,33 0,27
На основании данных полученных в таблице 7.1, строим изотермытемпературного поля в полярных координатах.
/>
Рис.7.1 — Изотермы температурного поля (полярные координаты)
8. Расчет мгновенной скорости охлаждения при даннойтемпературе
Мгновенная скорость охлаждения (w)является первой производной температуры по времени.
/>
где: qu — эффективнаятепловая мощность дуги, Вт;
λ — коэффициенттеплопроводности, Вт/ (см ∙ К);
d — толщина свариваемыхлистов, см;
v — скорость сварки, см/с;
сg — общая теплоемкость,Дж/ (см3 ∙ К);
T — максимальная температура нагреваисследуемой точки в процессе сварки,°С;
T0 — начальная температуратела перед сваркой,°С; T0 = 18°С.
Табл.8.1 — Мгновеннаяскорость охлаждения исследуемой точки при данной температуреT (°C) 500 750 1000 1250 1500
Wохл (°C/с) 3,83 13,41 32,38 63,94 111,30
Зависимость мгновенной скорости охлаждения от температуры показанана рис.8.1.
/>
Рис.8.1 — График зависимости мгновенной скорости охлаждения исследуемойточки от температуры9. Время пребывания точек основного металла при температуре,выше заданной
Длительность нагрева выше данной температуры различных точектермического влияния можно определить по термическим циклам этих точек или рассчитатьпо формуле, используя номограмму распределения коэффициентов при расчете длительностинагрева выше заданной температуры (приложение 4).
При однопроходной сварке листов в стык длительность нагрева τнвыше заданной температуры T определяетсявыражением:
/>
где: qu — эффективнаятепловая мощность дуги, Вт;
λ — коэффициенттеплопроводности, Вт/ (см ∙ К);
d — толщина свариваемыхлистов, см;
v — скорость сварки, см/с;
сg — общая теплоемкость,Дж/ (см3 ∙ К);
T — температура нагрева исследуемойточки в процессе сварки,°С;
Tmax — температураплавления стали,°С;
T0 — начальная температуратела перед сваркой,°С; T0 = 18°С;
f2 — коэффициент, зависящийот безразмерной температуры Ө;
/> - безразмерная температура,изменяющаяся в пределах от 0 до 1.
/>.
Ө = 0,86.
В соответствии с номограммой для распределения коэффициентовпри расчете длительности нагрева выше заданной температуры (приложение 4), определяемf2.
f2= 0,05.
/>
τн = 4,18 (с).
Заключение
В курсовой работе были рассмотрены принципы тепловых расчетовпри сварке пластин. Освоена методика получения расчетных зависимостей на основезакона теплопроводности Фурье и уравнений теплопроводности. Ознакомились с принципамивыбора схем нагреваемого тела и источников тепла. Применительно к заданию было обоснованоприменение схемы пластины и подвижного линейного источника тепла.
Расчеты проводились на персональном компьютере по разработаннойпрограмме в Microsoft Excel. Результаты расчетов иллюстрируются графиками и массивнымиданными.
Выполненная работа позволяет более обосновано назначить режимысварки, так как наглядно иллюстрирует влияние различных параметров на скорости охлаждениязаданных точек тела и время пребывания выше заданной температуры.
С помощью термически циклов увидели, как изменяется температуразаданных точек с течением времени по мере продвижения источника тепла по оси сварки.
На основании изохрон увидели изменение температуры по перпендикулярук оси сварки. На оси сварки температура резко уменьшается; по мере удаления от осисварки температура в начале условно равна 0, но при продвижении теплового потокатемпература увеличивается.
сварка металл стык автоматическая
Список использованной литературы
1. Исаченко В.П., Осипова А. А, Сукомел А.С. Теплопередача: Учебник. — М.: Энергоиздат,1981. — 416 с.
2. Теоретические основы сварки: Учеб. пособие/Под ред.В. В. Фролова. — М.: Высш.шк., 1970. — 592 с.
3. Багрянский К.В., Добротина З.А., Хренов К.К. Теория сварочных процессов:Учебник. — Киев: Высш. шк., 1976. — 423 с.
4. Петров Г.Л., Тумарев А.С. Теория сварочных процессов: Учебник. — М.: Высш.шк., 1977. — 392 с.
5. Справочник по сварке/Под ред. Н.А. Ольшанского. — М., 1978. — Т.1. — 394с.
6. Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. — М.: Машгиз, 1951.- 296 с.
7. Краснощенко Е.А., Сукомел А.С. задачник по теплопередаче: Учеб. пособие.- М.: Энергия, 1980. — 287 с.
8. Махненко В.И., Кравцов Т.Г. Тепловые процессы при механизированной наплавкедеталей типа круговых цилондров. — Киев: Наук. думка, 1976. — 159 с.
Приложения
Приложение 1
Табл.1. — Значение теплофизических свойств различных материаловМатериал
Cγ, Дж/ (см3 ∙ К) λ, Вт/ (см ∙ К)
a, см2/с Малоуглеродистая сталь 4,74 0,4 0,085 Углеродистая сталь 4,74 0,37 — 0,46 0,079 — 0,096 Низколегированная сталь 4,74 0,33 — 0,37 0,070 — 0,079 Хромистая сталь 4,74 0,25 0,053 Хромоникелевая сталь 4,74 0,17 — 0,25 0,035 — 0,053 Алюминий 2,7 2,62 1,00
Алюминиевые сплавы
АМг-5, АМг-6, ВАД-1 2,71 1,33 0,5 — 0,51 Медь красная 3,8 3,75 0,95 Титановые сплавы 9,8 0,141 0,40 Бериллий 4,6 1,87 0,41
Приложение 2
Табл.2. — Значениеэффективного КПД процесса нагрева изделия дугой при различных условиях сваркиВид сварки Эффективного КПД Под флюсом 0,80 — 0,95 Угольным электродом 0,50 — 0,70 Вольфрамовым электродом в среде аргона 0,48 — 0,52 Плавящимся электродом в среде аргона 0,68 — 0,74 Плавящимся толстопокрытым электродом 0,70 — 0,80
Приложение 3
/>
Рис.3. Номограмма для вычисления температурных полей предельногосостояния в бесконечной пластине без теплоотдачи (δ — толщина образцов; λ — коэффициент теплопроводности;a — коэффициент температуропроводности; qu — эффективнаятепловая мощность дуги; v — скорость сварки; T — температуранагрева исследуемой точки в процессе сварки)
Приложение 4
/>
Рис.4. Номограмма для распределения коэффициентов при расчетедлительности нагрева выше заданной температуры
(T — температура нагрева исследуемой точки в процессе сварки;Tmax — температура плавления стали; T — начальная температуратела перед сваркой)