Расчет тепловых процессов при механизированной сварке в среде углекислого газа пластин толщиной 3мм

ЗАПИСКА.docx

Расчет тепловых процессов при механизированной сварке в среде защитного газа CO25
1. Выбор способа сварки и параметров сварки5
2. Построение изохорн6
3. Построение изотерм температурного поля предельного состояния7
4. Расчет термического цикла11
5. Определение площадей наплавки и проплавления основного металла11
6. Определение длины ширины сварочной ванны глубины проплавления основного металла13
Расчет температуры нагрева электродной проволоки проходящим током и сварочной дугой15
1. Нагрев электродной проволоки проходящим током 15
2. Нагрев электродной проволоки теплом электрической дуги 17
Диссоциация углекислого газа при сварке 18
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 22
Расчет тепловых процессов при механизированной сварки в среде защитного газа CO2
1. Выбор способа сварки и параметров сварки
Листы из низкоуглеродистой стали 16ГС толщиной 3 мм сваривают проволокой Св–12ГС за один проход автоматической сваркой в защитном газе (CO2 с пониженным содержанием влаги).
Состав и механические свойства конструкционной стали 16ГС приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Состав и механические свойства конструкционной стали 16ГС
Содержание основных элементов %
Состав легированной сварочной проволоки Св–12ГС приведен в таблице 2.
Таблица 2 – Состав легированной сварочной проволоки Св–12ГС %
Состав углекислоты для сварки приведен в таблице 3.
Таблица 3 – Состав углекислоты для сварки
Объемная доля углекислого газа % не менее
Содержание водяных паров гм3 не более
Доля воды % не более
Углекислоты высшего сорта
Сила тока = 220 А – постоянный ток обратной полярности.
Напряжение дуги = 22 В.
Скорость сварки = 42 мч = 0011 мс.
Скорость подачи проволоки = 400 мч = 0111 мс.
Диаметр сварочной проволоки = 12 мм = 00012 м.
Вылет электродной проволоки = 12 мм = 0012 м.
2 Построение изохрон
Для расчета распределения температуры поперек шва в зависимости от расстояния в разные моменты времени используем схему мощного быстродвижущегося линейного источника тепла в пластине с теплоотдачей:
где – эффективная тепловая мощность источника нагрева Джс;
– скорость сварки мс;
– толщина пластины м;
a – коэффициент температуропроводности (α= для низкоуглеродистой стали);
– объёмная теплоемкость К (=К);
– время пошедшее с момента пересечения плоскости в которой находится рассматриваемая точка с;
– расстояние точки от оси шва м;
b – коэффициент учитывающий интенсивность понижения температуры при теплоотдаче в окружающую среду с двух сторон пластины ;
где – сварочный ток А;
– напряжение дуги В;
– эффективный коэффициент полезного действия нагрева изделия дугой (для дуговой механизированной сварки CO2 = 080 084);
=220 24082=3872 Джс.
где α – коэффициент полной поверхностной теплоотдачи с К) (для низкоуглеродистой стали α = 335 с К).
Аналогичные расчеты проводим для других значений и .
Результаты расчета сводим в таблицу 4.
Таблица 4 – Распределение температуры в зависимости от и
Максимальные температуры в точках пластины при действии быстродвижущего источника определяем по формуле (4):
Аналогично рассчитываем для других значений и результаты расчетов сводим в таблицу 5.
Таблица 5 – Максимальные температуры в зависимости от
3 Построение изотерм температурного поля предельного состояния
Изотермы температурного поля предельного состояния строим для t=1600 1300 1100 900 и 700. Это построение выполняем графическим способом используя изохроны (см. рис. 1).
На оси ординат отмечаем температуры 1100 900 700 500 и 300. Из точек соответствующих этим температурам проводим прямые параллельные оси абсцисс. Эти прямые пересекают изохроны в нескольких точках. Чем меньше температура тем больше будет точек пересечения с изохронами. Эти точки проецируем на ось и определяем отрезки от начала
Рисунок 1 – Распределение температуры в зависимости от и
координат до проекции каждой точки. Затем устанавливаем значение времени на каждой кривой-изохроне соответствующее спроектированному значению .
Полученные значения и для каждой температуры заносим в таблицу 6.
Таблица 6 – Значения и при разных температурах
Расстояние пройденное источником нагрева за время определяем по формуле:
Подставляя в формулу (5) выбранную скорость сварки и разные значения времени из таблицы 6 получаем несколько значений .
имеет отрицательные значения т.к. измеряемые точки находятся сзади источника нагрева.
Аналогичные расчеты проводим для других значений . Результаты расчета сводим в таблицу 7.
Таблица 7 – Значения при разных
Уравнение геометрического места точек с максимальными температурами в координатах и находим из уравнения по которому рассчитывается время наступления максимальной температуры.
Подставляя в формулу (6) = (значения берем 1 2 3 4 6 9 16 25 36 с) находим.
Результаты расчета сводим в таблицу 8.
Таблица 8 – Значения в зависимости от
Изотермы температурного поля предельного состояния представлены на рисунок 2.
Рисунок 2 – Изотермы температурного поля предельного состояния
4. Расчет термического цикла
Подставляя в формулу (1) заданные значения и получим искомые температуры. Результаты расчета представлены в таблице 9 а графики на рисунке 3.
Таблица 9 – Температура в точках в зависимости от и
Время наступления максимальных температур рассчитываем по формуле (6) и его значения сводим в таблицу 10.
Таблица 9 – Максимальное время в зависимости от
Максимальные температуры показаны на рисунке 3 пунктирной линий.
5. Определение площадей наплавки и проплавления основного металла
Исходя из того что пластина толщиной 3 мм свариваемая за один проход в среде защитного газа CO2 плавящемся электродом выбираем по ГОСТ 14771-76 сварное стыковое соединение С17.
Конструктивные элементы сварного стыкового соединения С17 представлены на рисунках 4 и 5.
Рисунок 3 – Изменение температуры в различных точках пластины в зависимости от времени (термические циклы) Максимальные температуры соединены пунктирной линией
Рисунок 4 – Общий вид подготовительных кромок сварочного соединения С17 по ГОСТ 14771-76
Рисунок 5 – Общий вид сварного шва свариваемых деталей соединения С17 по ГОСТ 14771-76
Размеры конструктивных элементов подготовительных кромок и шва свариваемых деталей соединения С17 по ГОСТ 14771-76 представлены в таблице 10.
Таблица 10 – Размеры конструктивных элементов по ГОСТ 14771-76
Площадь наплавленного металла определяется по формуле:
где =(4..6) кгАс – коэффициент расплавления для механизированной сварки в среде
= 0045 02 – коэффициент потерь на угар разбрызгивание и испарение присадочного материала для механизированной сварки в среде
ρ = 78 кг – плотность материала для углеродистых сталей
Площадь проплавления основного металла сварочной дугой определяем по формуле:
где = 1340 Джкг – теплосодержание расплавленного металла
= 0484 – термический КПД расплавления для пластины.
6. Определение длины ширины сварочной ванны глубины проплавления основного металла
Длина сварочной ванны при дуговой сварке пластин определяем по формуле:
где = 1450 – температура плавления свариваемого металла (для низкоуглеродистой стали).
Ширину сварочной ванны при сварке пластин определяем по формуле:
Длинна и ширина сварочной ванны показана на рисунке 8.
Рисунок – 8 длинна и ширина сварочной ванны
Определение глубины проплавления производим по формуле:
Усиление шва определяем по формуле:
где =067075 – коэффициент полноты валика (значение для правильного сформированных швов).
Общий вид расчетного стыкового соединения С17 по ГОСТ 14771-76 представлен на рисунке 6.
Рисунок – 6 Общий вид расчетного стыкового соединения С17 по ГОСТ 14771-76
Расчетное сварное соединение по размерам не соответствует размерам ГОСТ 14771-76 и требует двухпроходную сварку с корректировкой параметров режимов.
Расчет температуры нагрева электродной проволокой проходящим током и сварочной дугой
При механизированной дуговой сварке проволока нагревается проходящим током и теплом электрической дуги. Длина нагревательной части остается постоянной и равной вылету электрода.
1. Нагрев электродной проволоки проходящим током.
Расчет нагрева электродной проволоки проходящим током проводим с использованием номограммы [1].
где ???? – коэффициент 1;
– начальная скорость нагрева с;
– начальный коэффициент температуроотдачи для стержня 1;
– начальная температура электродной проволоки .
Значения величин ???? и приведены в таблице 11.
Таблица 11 – Значения коэффициентов используемых при расчёте температуры нагрева электродной проволоки
Обозначенное на номограмме означает время нагрева любого сечения проволоки:
– скорость подачи электродной проволоки мс.
Расчет нагрева электродной проволоки током проводим в следующей последовательности.
Определяем плотность тока по формуле:
По таблице 11 вычисляем и :
Определяем n по формуле 13 используя значения таблице 11:
Задаемся величиной l в пределах вылета электрода и находим по формуле (14):
Определяем n = 489010 = 0489.
По номограмме на оси ординат находим n = 0489 а на оси абсцисс – значение = 588.
По номограмме рисунок 9 находим .
Рисунок 9 – Номограмма для расчета процесса нагрева стальной низкоуглеродистой проволоки проходящим током
2 Нагрев электродной проволоки теплом сварочной дуги
Нагрев электродной проволоки электрической дугой осуществляется на участке длиной 0001 – 001 м от торца электрода.
Температура нагрева определяется по уравнению:
где – температура подогрева электродной проволоки током ;
– температура капель (
x – расстояние от торца электрода до рассматриваемой точки м (0001-001 м).
Диссоциация углекислого газа при сварке
Диссоциация молекул в газовой среде при высоких температурах оценивается степенью диссоциации α которая равна отношению числа распавшихся молекул к исходному числу молекул до диссоциации:
Для определения степени диссоциации газообразного вещества при высоких температурах необходимо знать величину константы равновесия
реакции диссоциации как функцию температуры.
При нагреве молекул газа до высоких температур происходит частичная диссоциация молекул на атомы по реакции
Пусть в исходном состоянии в газовой среде содержится n молей газа При нагреве до высоких температур молекулярный газ частично диссоциирует. Обозначим степень диссоциации через α. Тогда αn молей молекулярного разлагается с образованием атомарного . Образуется смесь состоящая из (n-αn) молей и 2 α n молей так как одни моль дает два моля
Общее количество молей и в смеси будет:
Молярная доля каждого компонента смеси составит:
Выразим константу равновесия реакции диссоциации вещества через мольные доли компонентов смеси:
Из уравнения (19) определяем α:
Состав газовой фазы при высокой температуре определяется по значениям мольных долей компонентов выраженных через степень диссоциации:
Рассчитаем процентный состав газовой фазы образующейся при диссоциации при T = 7000 К и давлении p = Па.
Согласно реакции диссоциации следует что при разложении двух молей образуется два моля и один моль кислорода
Константа равновесия диссоциации углекислого газа будет
CO = 23327 = 6654 %.
CO = 2 3287 = 6574 %.
CO = 22963 = 5926 %.
Вывод: С изменением парциального давления от Па при температуре 7000 К уменьшается диссоциация . Это приводит к уменьшению содержания кислорода от 3327 до 186 % и к уменьшению СО от 6654 до 372 %.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Лопаев Б.Е. Тепловые процессы при сварке [Текст]: метод. указания к выполнению курсовой работы Б.Е. Лопаев А.С. Лосев. – Омск: Из-во ОмГТУ 2014 – 32 с.

Пред. сост. изотермы.cdw