Выбор модели источника теплоты

ВВЕДЕНИЕ

 

Курсовая работа по дисциплине “Теория сварочных процессов” выполняется с целью закрепления теоретических знаний, полученных на лекционном курсе, приобретения навыков выполнения расчетов температурного поля, размеров зон термического влияния с помощью персонального компьютера, исследования зависимости температурного поля от конструкции сварочного соединения, теплофизических характеристик свариваемых материалов и технологических параметров сварки.

Температурное поле является основой для определения термического цикла нагрева и охлаждения, времени пребывания металла при температуре выше определенного значения. С температурным полем связаны сварочные деформации и остаточные напряжения, закалка наплавленного и основного металла.

Расчет температурного поля является сложной и трудоемкой работой связанной с выполнением большого объема расчетов. Поэтому предусмотрено обязательное применение персонального компьютера. В то же время расчет температуры нескольких точек должен быть предварительно выполнен вручную. Это позволяет усвоить расчетные формулы.

В работе делается не только метод аналитического определения температурного поля, но и описание экспериментального метода исследования температурного поля.

 

Организация выполнения курсовой работы

Курсовая работа выполняется в шестом семестре по материалам лекций и рекомендуемой литературы. Курсовая работа состоит из пояснительной записки и одного листа графической работы.

В пояснительной записке приводятся теоретические положения к расче­ту температурного поля, термического цикла, расчетная схема, предварительные расчеты, распечатка решения на персональном компьютере.

Графическая часть включает в себя зависимости приращения температурного поля в схеме, кривые тер­мического цикла.

Предлагается следующий порядок выполнения работы:

· по предложенному способу сварки, схеме сварного соединения выб­рать модель нагреваемого тела и источника теплоты;

· определить теплофизические характеристики свариваемых материалов;

· рассчитать температуру нескольких точек и представить расчет на
проверку преподавателю;

· рассчитать температурное поле с применением персонального компьютера построить изотермы;

· построить кривые термического цикла, определить его параметры;

· построить схему зон термического влияния.

 

2. Темы курсовой работы и выбор вариантов

Задание на курсовую работу выдаётся студенту индивидуально. Вариан­ты задания приведены в приложении 1.

 

Основные теоретические положения к расчету

Температурного, поля

Большинство применяемых способов сварки выполняются с применением концентрированного источника теплоты, подводимого в зону сварки. Введен­ная в зону сварки теплота передается за счет теплопроводности в основ­ной металл или уходит за счет теплоотдачи в окружающую среду. Прилегающая непосредственно к сварному шву зона основного металла(зона термического влияния) нагревается до высокой температуры, в нем протекают фазовые превращения, изменяется структура и механические свойства. При охлаждении со скоростью, превышающей критическую ско­рость, происходит закалка стали, сталь приобретает нежелательную хруп­кость и могут образовываться трещины. С нагревом и охлаждением металла связаны также объемные измене­ния, появление напряжений и деформаций.

 

Схемы нагреваемого тела и источников теплоты

 

При определении температурного поля принимаются расчетные схемы из­делии, учитывающие их формы и размеры, а также модели источни­ков теплоты.

При сварке массивных деталей применяется схема полубесконечного тела, у которого имеется неограниченная протяженность по всем трем направлениям: X, Y, Z.

Полубесконечное тело представляет собой массивное тело с одной ограничивающей плоскостью Z=0. Остальные поверхности находятся на значи­тельном удалении и не влияют на распространение теплоты.

 

Бесконечная пластина представляет собой тело, ограниченное двумя параллельными плоскостями Z=0 и Z=δ. При использовании этой схемы всегда предполагают, что температура по толщине листа равномерна, а теплота может распространяться только в плоскости с координатными ося­ми X и Y.

Полубесконечная пластина представляет собой тело, ограниченное дву­мя параллельными плоскостями Z=0, Z=δ и плоскостью Y=0. Остальные ус­ловия те же, что и у бесконечной пластины.

Плоский слой представляет собой пластину, у которой температура то­чек тела по толщине неравномерна. Эту схему принимают при толщинах больших, чем по модели пластины и меньших, чем по модели полубесконеч­ное тело.

Бесконечный и полубесконечный стержни представляют собой тела с пря­молинейной или криволинейной осью; температура в пределах поперечного сечения стержня равномерна.

 

Учет краевых условий

 

При расчете температурного поля тел, имеющих ограниченные размеры, необходимо принимать во внимание граничные условия, которые учитывают теплообмен между окружающей средой и телом. Различаются следующие кра­евые условия: изотермические, адиабатические и теплообмен с окружающей средой с постоянной температурой. Теплообмен с окружающей средой оце­нивается коэффициентом теплоотдачи.

Расчет температурного поля с краевыми условиями выполняется с при­менением метода наложения, фиктивных источников и стоков теплоты. Ме­тод наложения заключается в суммировании температур в рассматреваемой точке от разных источников теплоты.

В случае сварки стыкового соединения однослойным швом со сквозным проплавлением предполагается, что прогрев разделки кромок осуществля­ется равномерно на всю толщину пластины. Во время сварки нахлесточного соединения дуга прогревает торец верхней пластины на всю толщину, а в тавровом соединении сварка выполняется со сквозным проваром, и нагрев верхней пластины также равномерный на всю толщину.

При расчете температурного поля нахлесточного и таврового соедине­ний нижняя пластина нагревается только с одной стороны, прогрев по толщине листа неравномерный.

 

4. Определение исходных данных к расчету

 

Нагрев свариваемых деталей осуществляется эффективной тепловой мощностью, составляющей часть мощности сварочной дуги. Эффективная тепловая мощность определяется по параметрам сварочной дуги.

(4.1)

где q – эффективная тепловая мощность, Вт;

η – эффективный коэффициент полезного действия (КПД) сварочной дуги (табл. 4.1);

U – напряжение дуги, В;

I – сварочный ток, А.

 

Таблица 4.1 Значения КПД различных способов сварки

 

№	Способ сварки
	Ручная дуговая	0,70 – 0,75
	Автоматическая под флюсом	0,80 – 0,95
	Угольным электродом	0,05 – 0,70
	Вольфрамовым электродом в среде аргона	0,48 – 0,52
	Плавящимся электродом в среде аргона	0,60 – 0,74
	Механизированная с среде СО2	0,65 – 0,72

 

 

Эффективная тепловая мощность распределяется между свариваемыми деталями. Для деталей различных толщин эффективная тепловая мощность определяется по формулам:

- для стыкового соединения

_(4.2)

- для таврового и нахлесточного соединения

_(4.3)

где q₁ – эффективная тепловая мощность распределения по первой пластине толщиной δ₁;

q₂ – эффективная тепловая мощность распределения по второй пластине толщиной δ₂;

Значение теплофизических коэффициентов для расчетных температур представлены в таблице 4.2.

Таблица 4.2 Теплофизические характеристики свариваемых материалов

 

Материал	Тср, К	λ, Вт/(см×К)	сρ, Дж/(см3×К)	а, см2/с
Низкоуглеродистая и малолегированная сталь		0,38	4,8	0,08
Хромоникелевая нержавеющая сталь		0,25	4,7	0,053
Алюминий		2,7	2,7	1,0
Медь		4,0	4,2	0,95

 

где Т_ср – средняя температура, теплофизические характеристики которой приняты для расчета температурного поля;

λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(см×К);

С_ρ – объемная теплоемкость, Дж/(см³×К);

a – коэффициент температуропроводности, см²/с.

 

 

Таблица 4.3 Коэффициент полной поверхностной теплоотдачи.

 

Тср, К	α, Вт/(см2×К)
	2∙10-3
	4∙10-3
	6,6∙10-3
	9,6∙10-3
	15∙10-3
	21,3∙10-3
	29∙10-3

 

По коэффициенту полной поверхностной теплоотдачи α (табл. 4.3) определяем коэффициент температуроотдачи, который вычисляется для пластины и плоского слоя по формуле:

(4.4)

где b – коэффициент температуроотдачи, 1/с;

d – толщина рассчитываемой пластины, плоского слоя, см;

α – коэффициент полной поверхностной теплоотдачи, Вт/(см²×К).

 

Выбор модели источника теплоты

 

Для выбора модели источника теплоты необходимо найти критическую скорость перемещения дуги:

(5.1)

где l – коэффициент теплопроводности, Вт/(см×К);

Т_пл – температура плавления, К;

Т₀ – начальная температура, К;

сρ – коэффициент объемной теплоемкости, Дж/(см³×К);

q₁ – максимальная эффективная тепловая мощность для первой пластины, Вт.

Если скорость сварки больше критической, то принимается модель быстродвижущегося источника, если меньше – движущегося.

Аналогично рассчитывается V_кр для второй пластины с учетом максимальной эффективной тепловой мощности второй пластины – q₂.

Для определения схемы нагреваемого тела необходимо найти максимальную температуру на тыльной стороне пластины:

(5.2)

(5.3)

где q₁ – эффективная тепловая мощность для первой пластины, Вт;

V – скорость сварки, см/с;

С_р – коэффициент объемной теплоемкости, Дж/(см³×К);

d₁ – толщина пластины, см.

Расчеты проводятся для обеих пластин.

Если T₀ + 200 < T_max < T_пл - 200, то принимается расчетная схема точечного источника на поверхности плоского слоя.

Если T_max ≥ T_пл- 200, то принимается схема линейного источника.

Если T_max ≤ T₀ + 200, то принимается схема точечного источника на поверхности полубесконечного тела.

Сделать вывод о принятых расчетных схемах и моделях для обеих пластин.

 

123Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: