Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Оборудование и технология сварочного производства»

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАСЧЕТ

ТЕРМИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ

ПРИ ДУГОВОЙ НАПЛАВКЕ НА ТОНКИЙ ЛИСТ

Методические указания к лабораторной работе 2

по курсам «Физико-математические основы сварочных процессов»,

«Теория сварочных процессов»

для студентов специальностей 120500, 120900, 171300

всех форм обучения

Нижний Новгород

2005

Составитель Б.П. Конищев

УДК 621.791

Исследование и расчет термических циклов при дуговой наплавке на тонкий лист: Метод. указания к лаб. работе 2 по курсам «Физико-математические основы сварочных процессов», «Теория сварочных процессов» для студентов специальностей 120500, 120900, 171300 всех форм обучения / НГТУ; Сост.: Б.П. Конищев. Н. Новгород, 2005.-11 с.

Приводится методика экспериментального и теоретического расчета термических циклов при высокоскоростной дуговой наплавке на тонкий лист с полным проплавлением.

Научный редактор Б.П. Конищев

Редактор Э.Б. Абросимова

Подписано в печать

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

Уч.-изд.л. Тираж экз. Заказ .

Нижегородский государственный технический университет.

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

©Нижегородский государственный

технический университет, 2005

1. Цель работы – освоение методики экспериментального определения термических циклов основного металла при автоматической дуговой наплавке на тонкий лист. Проведение эксперимента и получение экспериментальных данных о параметрах термических циклов по схеме мощного быстродвижущегося источника теплоты в пластине. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

При дуговой наплавке валика на тонкий лист (пластину) с полным проплавлением можно принять, что температура распределяется равномерно по толщине в любом сечении пластины плоскостями XOZилиYOZ. Сварочная дуга в этом случае принимается линейным распределенным по толщине источником теплоты. Температура пластины не зависит от координатыZи определяется значениямиХ, Y, а также временемt.

Если наплавка валика ведется на большой скорости, например автоматической дуговой сваркой под флюсом, то теплота практически не распространяется по оси Хвпереди дуги. В этом случае теплота отводится только в направлении, перпендикулярном осиХ. Температура пластины зависит только от ординатыYи времениt.

Для выбора расчетной схемы при наплавке (сварке) тонколистовых конструкций предлагается использовать критерии ₁,₂[6, 7].

,,

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

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

- толщина листа, см;

с-объемная теплоемкость металла пластины, Дж/(см³К);

 - коэффициент теплопроводности, Вт/(см К);

Т_л- температура ликвидус (температура полного расплавления металла),^оС;

При сварке тонколистовых конструкций можно принять схему бесконечной пластины, если ₁2, или

.

Для выбора источника теплоты по скорости движения используется критерий ₂. Схема движущегося линейного источника в бесконечной пластине (ДЛ-БП) применяется при условии₂< 40 илиq_и< 40  Т_л.

Схема быстродвижущегося линейного источника в бесконечной пластине (БЛ-БП) принимается при другом условии: ₂40 илиq_и40  Т_л.

Процесс распространения теплоты в случае наплавки валика на тонкий лист (пластину) рассчитывается по схеме мощного быстродвижущегося линейного источника теплоты в бесконечной пластине (БЛ-БП):

(1)

где а– температуропроводность металла пластины, см²/с;

b_п– температуроотдача пластины, 1/с;

y– ордината точки, см;

t – время, с.

Эффективная тепловая мощность и температуроотдача пластины находится по уравнениям

q_и =_иI_свU_д ;,

где _и- эффективный КПД нагрева пластины сварочной дугой;

I_св- сварочный ток, А;

U_д– напряжение на дуге, В;

- коэффициент полной теплоотдачи, Вт/(см²К).

По уравнению (1) можно рассчитать и построить температурное поле предельного состояния и термические циклы любых точек пластины.

Температурное поле Т(Х,Y) представляет собой совокупность значений температур различных точек пластины в данный момент времени, а графически выражается совокупностью изотерм.

Термический циклТ(t)данной точки выражается изменением температур этой точки по времени. Термические циклы точек, различно удаленных от оси перемещения источника теплоты (осиХ), представлены на рис. 1. Чем дальше расположены точки от оси перемещения источника теплоты, тем позже начинает заметно повышаться температура, тем медленнее она возрастает, тем ниже максимальная температураТ_ми тем позже она наступает. В процессе охлаждения температуры различно удаленных точек стремятся выравняться.

Рис. 1 Кривые максимальных температур Т_м и термических циклов

точек с координатами Y₀, Y₁< Y₂<Y₃<Y₄<Y₅

В точке Т_мпроизводная от температуры по времени равняется нулю (условие максимума в математике). Если найти производную по времени от уравнения (1) и приравнять ее к нулю, то получим выражение:

, (2)

где y_м– ордината точки с максимальной температурой Т_м;

t_м– время наступления максимальной температуры Т_мв этой точке.

После преобразования получим квадратное уравнение (относительно t_м)

4аb_пt_м²+2аt_м –у_м²= 0. (3)

Решая это квадратное уравнение, получим:

. (4)

По уравнению (4) можно рассчитать время наступления максимальной температуры в зависимости от у_м(расстояния точки от оси перемещения источника), коэффициентоваиb_п.

Подставив полученное значение t_мв уравнение (1), найдем значение максимальной температурыТ_мдля данной точки с ординатойу_м. Подставляя другие значенияtв уравнение (1), получим соответствующие значенияТи построим кривую термического цикла.

Для точек, близких к оси перемещения источника теплоты, максимальную температуру которых теплоотдача не успевает существенно понизить, когда b_пt_м<<1/2, можно получить упрощенное уравнение максимальных температур.

В этом случае, пренебрегая b_пt_м, из выражения (2) получим

или. (5)

Подставляя значение t_м(5) в уравнение (1), получим

.

Найдем численное значение.

Для b_пt_м<<1/2 можно принять.

Тогда максимальная температура выразится:

. (6)

Двучлен в круглой скобке учитывает интенсивность теплоотдачи: чем больше коэффициент b_п, тем ниже максимальная температура на данном расстоянии от осиХ.

Максимальная температура при нагреве пластины линейным быстродвижущимся источником теплоты пропорциональна погонной энергии и в первом приближении (при малом влиянии теплоотдачи) обратно пропорциональна расстоянию данной точки от плоскости перемещения источника теплоты.

Экспериментально температуры в различных точках пластины можно измерить с помощью термопар. Термопары представляют собой два тонких проводника (диаметром 0,1-0,4 мм) из различных металлов, соединенных между собой на концах сваркой. Один спай помещают в точку измерения температуры, другой – находится при известной постоянной температуре. Чем больше разность температур между спаями, тем больше ТЭДС. Диапазон измеряемых температур широк: от температуры, близкой к абсолютному нулю, до температур плавления наиболее тугоплавких металлов.

Наибольшее применение находят термопары хромель (+) – алюмель (-). Хромель-сплав 90% NiиCr, алюмель-сплав 97%Niи 3%Alили 94%Ni, 2%Al, 3%Mn, 1%Si.

Термопара обладает очень большой ТЭСД с хорошей линейностью от температуры, довольно устойчива к окислению, дешева. Рабочая температура от 50 до 1000 ^оС, кратковременно до 1300^оС.

Термопара хромель-копель обладает большой величиной ТЭДС, с хорошей линейностью зависимости ТЭСД от температуры, дешева. Копель-сплав 56% Cu и 44% Ni. Рабочая температура до 600 ^оС, кратковременно до 800 ^оС.

Термопара платина-платинародий имеет малую величину ТЭДС и не линейна, но обладает высокой стабильностью свойств, рабочая температура от 20 до 1600 ^оС, не окисляется. Платинородий-сплав 90%Ptи 10%Rh. Термопара дорогая, используется обычно в качестве эталонной термопары.

Термопара вольфрамрений (5% рения) - вольфрамрений (20% рения) дорогая, рабочая температура до 1800 ^оС, кратковременно до 2500^оС.

Измерение ТЭДС производится с помощью чувствительных стрелочных милливольтметров, обычно магнито-электрической системы. Для уменьшения погрешности милливольтметры специально градуируются на определенный тип термопар. При этом на шкале прибора делается отметка, например, ТХА - термопара хромоль-алюмелевая, ТХК – термопара хромель-копелевая и др.

3. необходимые материалы, оборудование, приборы

Пластины (1080200 мм) из низкоуглеродистой стали.

Сварочная проволока Св-08 диаметром 3 или 4 мм.

Сварочный флюс ОСЦ-45 или АН-348А.

Сварочный автомат АДС-1000.

Сварочный трансформатор ТСД-1000.

Амперметр и вольтметр. Секундомеры.

Термопара хромель-алюмелевые ТХА. Милливольтметры.

Точечная конденсаторная машина ТКМ-7 для приварки термопар.

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Получить задание, установить на сварочном автомате указанные режимы сварки (I_св,U_д,V_св) и произвести пробную наплавку на пластину, при необходимости корректируя режим сварки, чтобы обеспечить стабильность процесса сварки и проплавление пластины.

Разметить пластину: нанести чертилкой линию Хи две точки 1 и 2, в которых должны быть приварены термопары (рис. 2).

2

Рис. 2. Схема выполнения эксперимента

Приварить на конденсаторной точечной машине термопары в отмеченных точках. Подключить термопары к милливольтметрам, соблюдая полярность. Убедиться в надежности приварки и правильности подключения термопар, нагревая места приварки термопар пламенем спички и фиксируя отклонение стрелок милливольтметров. Осторожно, чтобы не разрушить крепления термопар, установить пластину с термопарами к сварочному автомату на слой флюса (термопарами вниз). На холостом ходу проверить правильность движения автомата (конца сварочной проволоки) по оси Х. Прочно закрепить пластину винтовыми прижимами, обеспечивающими электрический контакт со сварочным столом.

Установить автомат в исходное положение. Опустить электродную проволоку до короткого замыкания с технологической пластиной. Засыпать зону сварки слоем флюса. Включить источник питания и нажать кнопку «пуск» на пульте управления. Одновременно включить секундомер для замера времени сварки t_св. В процессе сварки по приборам (амперметру и вольтметру) на пульте управления определить среднее значение сварочного тока I_св и напряжение на дуге U_д.

В момент перехода сварочной дуги с технологической пластины на образец (экспериментальную пластину) включить второй секундомер для отсчета времени. Отсчет времени по второму секундомеру проводить через каждые 5 с, записывая показания милливольтметров (значения температур).

Сварка прекращается (нажатием кнопки «стоп») после перехода сварочной дуги с образца на вторую технологическую пластину. Одновременно выключается секундомер первый, который фиксирует время сварки, и отключается источник питания. Второй секундомер не выключается и отсчет продолжается до тех пор, пока пластина достаточно не охладится, т.е. температуры двух точек практически сравняются.

После прекращения отсчета и замеров температур отсоединить термопары от пластины. Охладить пластину в воде и удалить шлак.

Измерить длину шва L_ш и действительные расстояния точек 1 и 2 до оси перемещения источника (у₁ и у₂). Записать в отчет значения I_св, U_д, , V_св=L_ш/t_св, у₁ и у_2.

Полученные значения температур для различных моментов времени в виде таблицы представить в отчете. По результатам эксперимента построить график термических циклов двух точек. Для этих же точек рассчитать и построить на том же графике теоретические кривые термических циклов. Сопоставить теоретические и экспериментальные кривые термических циклов. Сравнить и объяснить их расхождение для ближней и дальней точки.

5. РАСЧЕТ ТЕРМИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ

Расчет термических циклов при наплавке на тонкую пластину с полным проплавлением следует проводить по схеме мощного быстродвижущегося линейного источника теплоты в бесконечной пластине с теплоотдачей (1):

.

Время наступления t_ммаксимальной температурыТ_мв данной точке с координатойyможно определить из уравнения (4)

, где, С=4а.

Уравнение процесса распространения теплоты преобразуем следующим образом:

, где.

Пример расчета выполнен в программе Excel.

Задаются следующие исходные данные: эффективная тепловая мощность q_и (Вт); температуропроводность а (см²/с); коэффициент полной теплоотдачи  (Вт/см²К); объемная теплоемкость с (Дж/см³К); скорость сварки V (см/с); толщина свариваемой пластины  (см). Вычисляются значения А, В, С. Рассчитывается время наступления максимальной температуры t_м для различных значений y (у₀=0; у₁ – расстояние точки 1 до оси перемещения источника теплоты; у₂ - расстояние точки 2 до оси перемещения источника теплоты).

Значения времени задаются в пределах 0 < t_м<t_n, гдеt_n– такое значение времени, при котором дляу₀температураТ300^оС.

По таблице полученных данных строим график зависимости Т(t).