Аналіз електродугового наплавлення масивного виробу

Вступ

В даній роботі приводиться аналіз електродугового наплавлення масивного виробу з такими параметрами режиму:

Зварювальний матеріал: Сталь50ХМ По довіднику знаходимо хімічний склад сталі

Також за допомогою довідника знаходимо:

— температура плавлення;

[Вт/(м*К)]- коефіцієнт теплопровідності;

[Дж/(*К)]- об'ємна теплоємність;

[/с]- коефіцієнт температуропроводності.

Вибір схеми розрахунку

Вибір типу схематизації рухомого чи потужного швидкодіючого джерела тепла, залежить від співвідношення швидкості руху джерела і швидкості розповсюдження теплоти в тілі. При значеннях швидкості зварювання менших за 10…12 м/год застосовуються розрахункові схеми рухомих джерел тепла; при швидкостях зварювання більших за 15…17 м/год — схеми потужних швидкодіючих джерел тепла.

Вибір типу схематизації конфігурації тіла: пластина чи масивне тіло, залежить від величини виробу, його маси та співвідношення глибини проплавлення і товщини виробу, який зварюється. При цьому прийнято вважати справедливими такі критерії: при співвідношенні глибини провару і товщини виробу ?0.1 — застосовуються схеми точкових джерел на поверхні масивних тіл; при співвідношенні - застосовуються схеми лінійних джерел в пластинах. Враховуючи вище сказане, обрано схему ПШТД (потужне швидкодіюче точкове джерело).

Потужне швидкодіюче джерело тепла

Параметри режиму зварювання:

;; м/год =м/с.

Температурне поле усталеного стану в рухомій системі координат, початок якої суміщено з точкою знаходження джерела тепла, описує така залежність:

— коефіцієнт теплопровідності [Вт/м· К];

— швидкість зварювання [м/с];

— коефіцієнт температуропроводності [м2/с];

— ефективна теплова потужність джерела тепла [Вт]:

де:

— ефективний коефіцієнт корисної дії дуги (0,8);

— зварювальний струм [А];

— напруга дуги [В];

— радіус вектор точки, для якої знаходиться приріст температури [м]:

де:

 — координати точки в рухомій системі координат [м];

— час, який обліковується з моменту, коли дуга проходить перетин, де знаходиться точка, для якої визначається температура [c].

Ізохрони вздовж осі руху джерела тепла будуються відповідно до завдання на поверхні тіла (=0) при деяких фіксованих значеннях координати .

Результати обчислень наведено в таблицях нижче:

мм

мм

мм

мм

мм

мм

Термічні цикли в схемах розрахунків, які використовують потужні швидкодіючі джерела тепла легко будуються, оскільки рівняння температурного поля дає явну залежність температури від часу.

Ізохрони в площині на різних відстанях від осі шва, будуються користуючись тим же рівнянням температурного поля ПШТД, тільки вісь відновлюється штучно із залежності .

Ізотерми в схемі ПШТД описуються аналітично слідуючи рівнянню:

— задана температура;

— початкова температура тіла.

У наведеному рівнянні можливо два випадки (якщо, то саме вони визначають крайні точки ізотерми по осі):

1) якщо (це початок координат);

2) якщо, звідси — це крайня точка ізотерми по осі, вона означає найбільшу довжину ізотерми в поздовжньому напрямі.

Результати обчислень наведено в таблицях нижче:

мм

74.82 мм

мм

120.54 мм

мм

150 мм

мм

309.95 мм

Ізотермічними поверхнями є еліпсоїди обертання, утворені обертанням відповідних ізотерм навколо осі. Якщо температурі надати значення температури плавлення матеріалу тіла, тоді обриси ізотермічної поверхні дадуть розміри та параметри зварювальної ванни.

Параметри зварювальної ванни

Простота та наочність рівняння температурного поля за схемою ПШТД дає змогу вираження багатьох параметрів аналітичне, що значно спрощує задачу їх знаходження:

Довжина зварювальної ванни:

м ширина зварювальної ванни:

м час існування:

с

Обчислення температур в період неусталеного теплового режиму

Наведена схема розрахунку виведена з передумови, що температурне поле досягло граничного стану, тобто встановилась теплова рівновага між кількістю теплоти яка потрапляє від джерела в виріб і кількістю теплоти, яка розповсюджується в ньому. Такий стан досягається через деякий досить тривалий час. Період часу на протязі якого досягається температурне поле граничного стану називається періодом теплонасичення. Для розрахунку температур в таких специфічних умовах користуються особливим прийомом. Прийом ґрунтується на тому, що приріст температури в період теплонасичення в будь-якій точці тіла, яка охоплюється координатною системою, пов’язаною з джерелом тепла, збільшується від початкового нульового значення до значення приросту температур граничного стану, яке наступає теоретично при необмежене довгій дії джерела тепла: .

Температури точок обчислюються як звичайно, за тими ж розрахунковими схемами які розглядались раніше: вони дають граничні значення температур, а прирости температур в періоді теплонасичення представляють добутком температури тієї ж точки в граничному стані та деякого коефіцієнта теплонасичення для цієї ж точки:

електродуговий наплавлення сталь термічний

Для просторового процесу розповсюдження тепла на поверхні напівобмеженого тіла, коефіцієнт теплонасичення представлений в залежності від безрозмірних критеріїв відстані та часу:

,

— радіус вектор точки, для якої обчислюється температура:

— час теплонасичення (від початку дії джерела, до моменту, для якого знаходиться температура);

— швидкість руху джерела тепла;

— коефіцієнт температуропроводності зварювального матеріалу.

Розраховуємо для знаходження коефіцієнта за монограмою.

;

Результати обчислень наведено в таблицях нижче:

2 мм

8 мм

Визначення розмірів ділянок зони термічного впливу

Температури при яких відбуваються структурні перетворення в сталі визначаються її хімічним складом: здебільшого вмістом вуглецю. Характер цих процесів відображає діаграма стану «залізо-вуглець». При зварюванні метал в зоні термічного впливу проходить повний цикл нагрівання до деякої максимальної температури і наступного охолодження до температури навколишнього середовища. При цьому, в залежності від досягнутої максимальної температури в металі відбуваються ті чи інші структурні перетворення відповідно до діаграми «залізо-вуглець» .

На малюнку в лівій частині побудовано розподіл максимальних температур, в правій низьковуглецевий кут діаграми «залізо-вуглець». Для заданої сталі на діаграмі стану проведено вертикальну пряму згідно з вмістом вуглецю. Точки перетину цієї прямої з лініями, обмежуючими структурні зони покажуть температури структурних перетворень. Ці ж точки, будучи перенесені на криву розподілу максимальних температур і спроектовані потім вниз, на шкалу поперечних відстаней покажуть величини ділянок зони структурних перетворень.

Кінцева структура ЗТВ залежить не тільки від хімічного складу сталі і розподілу максимальних температур, але й в значний мірі від швидкості охолодження. Значні швидкості охолодження, які мають місце при зварюванні, можуть призводити до утворення гартівних структур в сталі. Ці перетворення визначають за діаграмами ізотермічного розпаду аустеніту.

Для визначення кінцевої структури металу навколо шовної зони належить нанести на діаграму гілку охолодження термічного циклу зварювання, побудованої для заданої максимальної температури. Область в яку потрапляє на діаграмі крива охолодження і визначить кінцеву структуру металу.

1 ділянка: рідина 0<<8.2 мм

2 ділянка: при зниженні температури до 1480 °C рідкий метал починає кристалізуватись в зерна аустеніту. Присутня як рідка, так і тверда фаза 8.2<<8.4 мм

3 ділянка: коли температура досягає позначки 1430 °C вся рідина переходить в твердий стан. Структура Аустенітна 18.4<<11.8 мм

4 ділянка: при охолодженні металу до 800 °C зерна Аустеніту починають перетворюватися на Феріт 11.8<<12.3 мм

5 ділянка: при температурі нижчий за 730 °C зерна Аустеніту перетворюються на перліт. Структура Феріто-Перлітна 12.3< мм Феріттвердий розчин вуглецю взалізі. Аустеніттвердий розчин вуглецю взалізі. Перлітевтектоїдна суміш Феріту і Цементіту. Цементітхімічне з'єднання вуглецю та заліза.

Термічний цикл точки

Термічний цикл точки, яка нагрівається до температури 1350 розраховується та будується аналогічно ізохроні вздовж осі руху джерела тепла.

Результати обчислень наведено в таблиці нижче:

мм

Розраховуємо швидкість охолодження:

[]

Визначення еквівалентного вуглецю і попереднього підігрівання Показник еквівалентного вуглецю застосовується як спроба комплексної характеристики стійкості до утворення холодних тріщин при зварюванні вуглецевих та низьколегованих сталей. Еквівалентний вуглець обчислюється як сума вмісту вуглецю в сталі та вмісту інших легуючих компонентів і домішок, помножених на деякі емпіричні коефіцієнти, які враховують ступінь впливу кожного компоненту на тріщина утворення.

Найбільш доцільною вважається схема розрахунку Д. Сеферіана. Схема розрахунку зводиться до наступного ланцюга визначень, у яких емпіричні чисельні значення коефіцієнтів базуються на узагальненнях великого числа експериментальних результатів по ряду різних марок сталей:

Знаходимо розрахункову температуру мартенситного перетворення:

де:

— температура мартенситного перетворення [];

— еквівалентний вуглець у сталі [%];

Прийнято вважати: якщо розрахункова температура <460, то попереднє підігрівання потрібне.

Еквівалентний вуглець визначається з залежності:

Розраховуємо попередній підігрів за формулою:

Висновок

Після проведених розрахунків та побудови графіків можна зробити висновок, що даний режим зварювання підходить до нашої деталі але необхідний попередній підігрів.

Список використаної літератури

1. В. М. Коперсак «Теорія процесів зварювання»: Текст лекцій: У 2ч.-4-те виданняК.:НТУУ «КПІ», 2006р.

2. в. М. Коперсак, В. Т. Котик, Л. А. Жданов, А. М. Слівінський «Методичні вказівки до виконання курсової роботи з дисципліни для студентів напряму 0923 «Зварювання"" — К.:ІВЦ «Видавництво «Політехнік»», 2005.