Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Оборудование и технология сварочного производства»

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАСЧЕТ

ПРОПЛАВЛЕНИЯ ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА ПРИ

ДУГОВОЙ НАПЛАВКЕ НА ТОЛСТЫЙ ЛИСТ

Методические указания к лабораторной работе 4

по курсам «Физико-математические основы сварочных процессов»,

«Теория сварочных процессов»

для студентов специальностей 150202.65 (120500),

150401.65 (120900), 170102.65 (171300)

всех форм обучения

Нижний Новгород

2006

Составители: Б.П. Конищев, и.н. Кормушкина

УДК 621.791

Исследование и расчет проплавления основного металла при дуговой наплавке на толстый лист: метод. указания к лаб. работе 4 по курсам «Физико-математические основы сварочных процессов», «Теория сварочных процессов» для студентов специальностей 150202.65 (120500), 150401.65 (120900), 170102.65 (171300) всех форм обучения / НГТУ; сост.: Б.П. Конищев, И.Н. Кормушкина. Н. Новгород, 2006.-23 с.

Приводится методика экспериментального исследования и теоретического расчета параметров проплавления основного металла при дуговой наплавке на толстый лист.

Редактор Э.Б. Абросимова

Подписано в печать

Формат 60х84 1/16. Бумага газетная. Печать офсетная. Усл. печ.л.

Уч.-изд.л. Тираж 150 экз. Заказ .

Нижегородский государственный технический университет.

Типография НГТУ. 603600, Н.Новгород, ул. Минина, 24.

©Нижегородский государственный

технический университет, 2006

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ – экспериментальное и расчетное определение основных размеров зоны проплавления (длины сварочной ванны, ширины, глубины и площади проплавления основного металла), а также термического КПД в зависимости от сварочного тока и скорости дуговой наплавки на толстый лист.

2. Теоретическая часть

2.1. Расчет нагрева основного металла

При дуговой наплавке на толстый лист (массивное изделие) расчетная схема нагреваемого тела выбирается по критерию ₁[14, 15]:

,

где q_и - эффективная тепловая мощность сварочной дуги, Вт или Дж/с;

V - скорость сварки (перемещения дуги), см/с;

 - толщина, см;

c - объемная теплоемкость, Дж/cм³ К

Т_л– температура ликвидус, К.

При ₁0,25 принимается расчетная схема – полубесконечное тело.

Для выбора расчетной схемы источника теплоты используется критерий ₃[14, 15]:

,

где а - температуропроводность, см²/c;

 - теплопроводность, Вт/см К.

При ₃< 400 принимается движущийся точечный источник теплоты.

При дуговой наплавке на толстый лист (массивное изделие) используется расчетная схема движущегося точечного источника теплоты на поверхности полубесконечного тела (ДТ-ПТ). Уравнение предельного состояния для этой схемы имеет следующий вид:

, (1)

где Х – абсцисса точки в подвижной системе координат, см;

R – пространственный радиус-вектор точки, см.

Для низкоуглеродистой стали  = 0,4 Вт/(см К); а = 0,08 см²/с.

Эффективная тепловая мощность и радиус-вектор находятся по уравнениям: q_и=_иI_свU_д,,

где _и-эффективный КПД нагрева металла сварочной дугой;

I_св - сварочный ток, А;

U_д-напряжение на дуге, В;

У - ордината точки, см;

Z – аппликата точки, см.

Для дуговой сварки (наплавки) под флюсом _и=0,8-0,95.

По уравнения (1) можно рассчитать и построить температурное поле предельного состояния и термические циклы любых точек толстого листа (полубесконечного тела).

Температурное поле Т(R) или Т(Х, У, Z) представляет собой совокупность значений температур различных точек полубесконечного тела в данный момент времени и графически представляется совокупностью изотерм.

Температурное поле предельного состояния,рассчитанное по уравнению (1) при q_и= 4000 Вт,V= 0,1 см/с,=0,4 Вт/(см К) иа= 0,1 см²/с, представлено в виде совокупности изотерм 50, 100, 200, 300, 400, 600, 800, 1000 и 1500^оС в плоскостиХОУна рис. 1,аи в плоскостиУОZна рис. 1,б.

Температурное поле предельного состояния симметрично относительно оси ОХ. Изотермы на поверхности ХОУ представляют собой овальные кривые, которые сгущены впереди источника теплоты и раздвинуты позади него (рис. 1, а). Изотермические поверхности как бы образованы вращением изотерм относительно оси ОХ. В плоскости УОZ изотермы представляют собой полуокружности (рис. 1, б). Смещенность изотерм относительно друг друга и их вытянутость по оси ОХ зависят от параметра VR/2а (критерия Пекле). В области малых значений VR/2а изотермы близки к окружностям, при больших значениях VR/2а они вытянуты вдоль оси ОХ.

На рис. 1, в представлено распределение температур по оси ОХ для Z=0 и У=0, 1, 2 и 3 см, а на рис. 1, г - по оси ОУ для X = 0 и Z = 0, 1, 2 и 3 см. Температура точек при приближении источника теплоты резко возрастает, достигает максимума, а затем убывает. Снижение температуры происходит с меньшей скоростью, чем её подъём. Максимум температуры в точках, находящихся не на оси ОХ, достигается после прохождения источником теплоты плоскости, параллельной УОZ , в которой находится рассматриваемая точка. В более удаленных от оси ОХ точках максимальная температура достигается позже и имеет меньшее численное значение по сравнению с точками, расположенными ближе к оси ОХ. Пунктирной линией на рис.1,а соединены точки с максимальной температурой на плоскости ХОУ. Поверхность раздела областей нагрева и остывания получается путем вращения пунктирной кривой относительно оси ОХ. Область впереди пунктирной кривой нагревается, позади пунктирной кривой - остывает.

Если в уравнении (1) V =0, то получается уравнение стационарного температурного поля в полубесконечном теле;

. (2)

Для точек, расположенных на поверхности полубесконечного тела (Z=0) на оси X (У=0) позади источника (X<0), уравнение (1) принимает такой же вид, как для неподвижного источника (2), так как R+ X = 0 и .

Рис. 1. Температурное поле предельного состояния движущегося точечного

источника теплоты на поверхности полубесконечного тела

Следовательно, распределение температуры на поверхности массивного изделия по оси ОХ позади источника теплоты не зависит от скорости его движения.

Для точек, расположенных на поверхности ХОУ(Z=0) на осиХ(У=0) впереди источника (Х>0)R +Х =2R =2Х, уравнение (1) принимает следующий вид:

.

Поэтому, чем больше скорость сварки V, тем быстрее убывает температура впереди.

Чем быстрее движется источник, тем меньше теплоты распространяется вперед от источника. Если источник будет двигаться чрезвычайно быстро (V), то практически вся теплота будет распространяться только позади него.

По мере возрастания скорости Vи пропорциональном увеличении мощностиq_идлина изотерм растет пропорционально мощности, а ширина увеличивается мало, стремясь к определенному пределу.

На больших скоростях сварки изотермы все больше приближаются к прямым, параллельным оси ОХ. Это означает, что распределение теплоты идет в направлении, почти перпендикулярном к осиОХ, т.е. по осямОУиОZ.

Температура в этом случае рассчитывается по схеме мощного быстродвижущегося точечного источника теплоты на поверхности полубесконечного тела (БТ-ПТ):

, (3)

где t– время, отсчитываемое от момента, когда источник пересек плоскостьУОZ, в которой расположена рассматриваемая точка, с;

- плоский радиус-вектор, см.

Уравнение (3) решается только для t> 0 илиХ< 0,Х= -Vt.