Министерство образования и науки Украины

Приазовский государственный университет

Сварочный факультет

Кафедра «Автоматизация и механизация сварочного производства»

Лабораторная работа

“Расчет и по­строение термического цикла основного

металла при дуговой сварке”

Студента гр. И 15 ТиУЗ

Беленец Ю.А.

Проверил преподователь

Белик А.Г.

Мариуполь 2016г.

Лабораторная работа

“Расчет и по­строение термического цикла основного

металла при дуговой сварке”

Экспериментально определяется изменение температуры исследуемых точек околошовной зоны при электродуговой сварке с полным проплавлением пластин встык и производится сравнение полученных данных с результатами расчета температур по теории Н.Н. Ры­калина.

Цель работы: Цель работы – экспериментальное исследование термического цикла околошовной зоны при электродуговой сварке пластин встык и сравнение полученных данных с результатами расчета температур по теории Н.Н. Рыкалина.

1 Теоретическая часть

Совокупность значений температуры всех точек тела в данный мо­мент времени называется температурным полем. Однако, каждая из точек имеет свои особенности нагрева и охлаждения, определяемые режимом нагрева, расположением точки в теле и теплофизическими свойствами материала тела. Изменение температуры данной точки тела во времени называется термическим циклом этой точки.

Умение определять термический цикл отдельных участков основного металла при сварке, и управлять им необходимо, так как он оказывает существенное влияние на фазовые и структурные превращения в металле, а значит и на физико-механические свойства этого металла. Осо­бое значение при этом имеют максимальные температуры и скорости охлаждения зон, прилегающих ко шву.

Термический цикл каждой из исследуемых точек тела может быть определен как экспериментально, так и расчетным путем, согласно теории распространения тепла при сварке.

Одним из наиболее методически простых примеров является ручная дуговая однопроходная с полным проплавлением сварка тонких стальных листов встык, так как в этом случае температуру по толщине листов можно считать постоянной, особен­но в области, удаленной от шва, и температурное поле оказывается не столь сложным – плоским, Т = f (х, у,τ).

5

Для расчета температур точек тела наиболее приемлемой условной схемой является: «Подвижный, непрерывно действующий, линейный источник тепла в бесконечной пластине».

Источник тепла

– ”Линейный” потому, что тепло выделяется из условной линии, перпендикулярной плоскости свариваемых листов;

”Подвижный” – потому что при ручной дуговой сварке тепло успевает распространиться перед дугой (для стали Ст. 3 это условие справедливо при скорости сварки менее 20 м/час);

– ”Непрерывно действующий” потому, что тепловой расчет мы будем производить в процессе действия источника тепла;

Тело

– ”Бесконечная пластина”, так как температура по его толщине одинакова, тепло распространяется как вдоль шва по оси Х, так и в обе стороны от него по оси Y и торцевые границы тела не оказывают влияния на характер распространения тепла. (Рис 1.1)

m, n - cвариваемые пластины;

0’ - 0“ – линия источника тепла (выделения тепла);

x’,y’,z’ – подвижная система координат источника тепла;

x, y, z – неподвижная система координат;

1 ,2, 3 – расчетные точки;

 - толщина пластины.

Рис 1.1 – Условная расчетная схема процесса однопроходной сварки встык с полным проплавлением двух пластин.

Расчет температур исследуемых точек тела при данной условной расчетной схеме производится по следующей зависимости [2]:

(1.1)

где: T – искомая температура, ºС;

r – плоский радиус-вектор подвижного поля, связывающий

исследуемую точку с источником тепла, см;

(см. Рис. 1.1);

x – расстояние от проекции исследуемой точки на ось сварки

до источника тепла в подвижной системе координат, см.

(на Рис. 1.1 x = O – O');

q_и – эффективная тепловая мощность дуги, q_и = IUη_и, Вт;

λ – коэффициент теплопроводности, для Ст. 3 λ = 0,4 Вт/смºК;

δ – толщина листов, см;

v – скорость сварки, см/с;

а – коэффициент температуропроводности, для Ст. 3 a = 0,08 cм²/с;

y – ордината исследуемой точки, то есть расстояние от нее до оси сварки, см;

U – напряжение на дуге, В;

I – сварочный ток, А;

η_и – эффективный коэффициент полезного действия,

для ручной дуговой сварки η_и = 0,75;

К₀(U) –Бесселева функция от мнимого аргумента второго рода нулевого порядка, выбирается по табличным данным на основании вычисленного значения аргумента U

;

– коэффициент температуроотдачи, [¹/_с];

α – коэффициент поверхностной теплоотдачи,

α = 33∙10^{–4 Вт}/_см²_∙ºК

сγ – объемная теплоемкость, для Ст. 3 сγ = 4,0 ^Дж/_см³_∙ºК;

– устанавливается по данным показательных функций.

Таким образом, с помощью формулы 1.1 мы можем рассчитать изменение температуры исследуемой точки в зависимости от положения источника тепла на оси сварки, что фактически является ее термическим циклом; x в данном случае служит показателем времени в цикле.