Пример расчета.

1 Обоснование предложенной расчетной схемы

В соответствии с расчетной схемой задания рассмотрим линейный подвижный источник тепла в пластине. Пластиной является тело, имеющее две граничные поверхности, влияющие на распространение тепла (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 – Расчетная схема – бесконечная пластина

Примем следующие краевые условия:

– начальная температура Т₀ всех точек тела одинакова и равна нулю;

– граничные поверхности не пропускают тепло (адиабатическое условие).

Так как температура по толщине пластины распределена равномерно. то в соответствии с законом Фурье тепловой поток в направлении оси Z равен нулю. Данная расчетная схема подвижного линейного источника соответствует ручной дуговой сварке металлов малой толщины со сквозным проплавлением за один проход.

2 Оценка и оптимизация режима и условий сварки

Одним из дефектов металла сварных соединений, который образуется при сварке и приводит к разрушению сварных конструкций, являются холодные трещины, которые возникают в результате образования закалочных структур, характеризующихся низкой пластичностью и образующихся в результате быстрого охлаждения.

Способы оценки склонности к образованию холодных трещин подразделяют на:

1) косвенные и прямые (по характеру процедуры оценки);

2) качественные и количественные (по характеру критерия оценки);

3) сравнительные и абсолютные (по характеру использования критериев оценки).

Косвенные способы позволяют оценивать склонность к трещинообразованию расчетным путем по химическому составу без испытания сварных соединений.

Для каждой стали характерна своя скорость охлаждения, при которой начинает проявляться закалка. эта скорость уменьшается с повышением содержания в стали углерода и большинства легирующих элементов, особенно сильно влияет углерод.

Для каждой стали существуют две критические скорости охлаждения: 1–я и 2–я. При 1–й начинается образование закалочной структуры. По мере увеличения скорости охлаждения объем закалочной структуры увеличивается, а при достижении 2–й скорости она занимает 100 % объема металла.

В сварных соединениях допускается некоторое количество мартенситной составляющей, порядка 25…30 %. такое количество мартенсита образуется при определенных скоростях охлаждения W_д, которые называют допустимыми.

В условиях медленного охлаждения распад аустенита начинается при температуре А_С3 и заканчивается при А_С1. Численное значение этих температур можно определить по диаграмме состояния «железо – углерод».

При сварке металл охлаждается с большой скоростью и критические температуры А_С3 и А_С1 смещаются в область более низких значений. считается, что при сварке распад аустенита наиболее интенсивно происходит в интервале температур 500…600 °С.

Практический интерес для сварщиков представляет мгновенная скорость охлаждения в интервале температур 600…500 °С, называемом интервалом наименьшей устойчивости аустенита. Если скорость охлаждения в этом интервале превышает допустимую, то существует опасность образования холодных (закалочных) трещин.

Для уменьшения количества закалочных структур и доведения их до допустимого уровня необходимо уменьшить скорость охлаждения в этом интервале, что достигается путем предварительного или сопутствующего подогрева металла в зоне сварки. Температуру предварительного подогрева можно определить исходя из выражения для определения скорости охлаждения. задавшись при этом допустимой для данной стали скоростью охлаждения.

Для рассматриваемого в задании линейного подвижного источника тепла в пластине скорость охлаждения рассчитывается по формуле 1.1 без учета теплоотдачи в окружающую среду.

С учетом различных факторов (жесткости изделия и др.) опытным путем для многих сталей установлены допускаемые скорости охлаждения. В соответствии с этим необходимо оценить мгновенную скорость охлаждения при температуре 500 °С в условиях предложенного режима сварки и сравнить ее с допускаемой скоростью охлаждения. Если расчетная скорость окажется больше допускаемой, то необходимо установить температуру предварительного подогрева, т.е. Т_п .

Расчетная формула для определения скорости охлаждения на поверхности пластины имеет вид:

(1.1)

где

W_{500ДЕЙСТ} – скорость охлаждения, °С/c;

λ=0,4 – коэффициент теплопроводности, Вт/см•К;

V =1 – скорость сварки, см/с;

Т_о=20 – начальная температура, °С;

Т=520 – температура наименьшей устойчивости аусте-нита, °С;

=– коэффициент полезного действия (для РДС – 0,65, для АФ – 085);

I_св = 120 – сварочный ток, А;

U _д = 18 – напряжение дуги, В;

сγ = 4,8 – объемная теплоемкость, Вт/см•К;

V=1,5 м/ч – скорость сварки;

δ = 0,4 – толщина пластины, см.

Рассчитаем скорость охлаждения:

Так как W_{500ДЕЙСТ} < W_доп (0,2124 < 8), то при данных условиях для сварного соединения нет опасности образования холодных трещин, поэтому в данном случае предварительный подогрев не требуется и за начальную температуру принимается температура окружающей среды Т_о=20 °С.

б) Если W_{500ДЕЙСТ} > W_доп. необходимо уменьшить погонную энергию сварки, либо назначить подогрев и определить температуру подогрева по формуле (1.2) и в дальнейшем использовать рассчитанную Т_п:

(1.2)