Физико математические основы сварочных процессов

Обновлено: 18.05.2024

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.

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

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

c - объемная теплоемкость, Дж/cм 3 К

Тл– 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, см 2 /c;

 - теплопроводность, Вт/см К.

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 см 2 /с.


Эффективная тепловая мощность и радиус-вектор находятся по уравнениям: qи=иIсвUд,,

где и-эффективный КПД нагрева металла сварочной дугой;

Iсв - сварочный ток, А;

Uд-напряжение на дуге, В;

У - ордината точки, см;

Z – аппликата точки, см.

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 qи= 4000 Вт,V= 0,1 см/с,=0,4 Вт/(см К) иа= 0,1 см 2 /с, представлено в виде совокупности изотерм 50, 100, 200, 300, 400, 600, 800, 1000 и 1500 о С 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 (X0), уравнение (1) принимает такой же вид, как для неподвижного источника (2), так как R+ X = 0 и .

Конищев Б.П. Теория сварочных процессов

Конищев Б.П. Теория сварочных процессов

Методические указания к лабораторным работам 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, 2006.

Перечень методических работ:
ЛР5: Теоретическая и экспериментальная оценка характера взаимодействия газовой фазы с металлом при сварке.
Приводится методика теоретической и экспериментальной оценки характера взаимодействия газовой фазы с металлом при сварке. 12 стр.

ЛР6: Определение изменения состава металла при дуговой сварке покрытыми электродами.
Приводится методика экспериментального определения и расчета изменения концентрации марганца, кремния и др. элементов в результате взаимодействия электродных покрытий с металлом при дуговой сварке. 12 стр.

ЛР7: Анализ окислительно-восстановительных процессов при дуговой сварке под флюсом.
Приводится методика исследования взаимодействия металла и шлака при дуговой сварке под флюсом, экспериментального определения и расчета концентрации марганца, кремния и др. элементов. 11 стр.

ЛР8: Изучение влияния состава сварочных флюсов на образование пор, вызываемых ржавчиной.
Приводится методика исследования влияния состава сварочных флюсов на образование пор, вызываемых ржавчиной. 12 стр.

ЛР 9: Изучение влияния состава сварочных флюсов на образование горячих трещин.
Приводится методика исследования влияния состава сварочных флюсов на образование горячих трещин при дуговой сварке конструкционных сталей. 9 стр.

Азаров Н.А. Конструирование и расчет сварочных приспособлений

  • формат pdf
  • размер 409.4 КБ
  • добавлен 08 августа 2011 г.

Учебно-методическое пособие по курсовому проектированию. – Томск, ТПУ, 2009. – 48 с. В пособии приведены геометрические погрешности, расчеты размерных цепей; показаны особенности сборочных и сварочных размерных цепей при разработке заготовительных и сборочно-сварочных операций; представлены расчеты размеров заготовок с учетом допусков на сборку, величину зазоров и сварочных деформаций; рассмотрены вопросы разметки, резки, гибки и другие заготови.

Владимирский Т.А., и др. Справочник по сварке Том 1

  • формат djvu
  • размер 16.51 МБ
  • добавлен 03 октября 2009 г.

Справочник содержит сведения по всем основным видам сварки и резки, представляющие общий интерес для различных отраслей народного хозяйства. В книге освещаются вопросы теории сварки, оборудования, сварочных материалов, технологии сварки и др. В первом томе изложены теоретические основы сварочных процессов, приведены данные по оборудованию н инструменту для сварки и резки. Книга предназначена для инженеров н техников, работающих в области сварочно.

Лебедев В.К., Черныш В.П. (ред.) Автоматизация сварочных процессов

  • формат djvu
  • размер 32.75 МБ
  • добавлен 22 июля 2011 г.

К.: Вища шк., Головное изд-во, 1986.— 296 с. Табл. 7. Ил. 227. Прил. 22. Библиогр.: 57 назв. В учебном пособии дан анализ технологических процессов сварки как объектов автоматического управления и рассмотрены способы их описания. Основное внимание уделено структуре и работе локальных регуляторов, применяемых при автоматизации типовых сварочных процессов. Рассмотрены принципы построения систем управления на основе микропроцессорной техники и прим.

Патон Б.Е. (ред.) Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением

  • формат djvu
  • размер 8.88 МБ
  • добавлен 10 октября 2009 г.

Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением. Под ред. акад Б. Е. Патона М., «Машиностроение», 1974. 768 с. В книге приведены классификация сварочных процессов и сравнительная характеристика различных способов сварки. Рассмотрены вопросы свариваемости основного металла и причины возникновения дефектов в сварных соединениях. Даны сведения о сварочных материалах, оборудовании и режимах, применяемых при сварке и наплавке разнообраз.

РД 03-615-03

  • формат pdf
  • размер 421.63 КБ
  • добавлен 30 января 2011 г.

Порядок применения сварочных технологий при изготовлении, монтаже, ремонте и реконструкции технических устройств для опасных производственных процессов

Реферат - Сварочные материалы

  • формат doc
  • размер 2.85 МБ
  • добавлен 31 января 2009 г.

Основные виды сварочных материалов, сварочная проволока, стержни и пластины, электроды и др. Их виды, маркеровка, свойства. Очень хорошая информация о всевозможных сварочных матералах. Документ в формате Word.

Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке

  • формат djvu
  • размер 4.94 МБ
  • добавлен 05 августа 2009 г.

Монография содержит систематическое описание процессов расчета тепловыделения при сварочных процессов различного типа.

Сапожков С.Б., Зернин Е.А., Сабиров И.Р. Теория сварочных процессов. Лабораторный практикум

  • формат pdf
  • размер 1.2 МБ
  • добавлен 03 августа 2011 г.

Учебное пособие. - Юрга, ЮТИ ТПУ, 2007. – 96 с. В пособии рассмотрены основные разделы дисциплины «Теория сварочных процессов». Приведены лабораторные работы по: источникам энергии при сварке плавлением, тепловым процессам при сварке, физико-химическим и металлургическим процессам при сварке, термодеформационным процессам и превращениям в металлах при сварке. Данное учебное пособие предназначено для студентов специальности «Оборудование и технол.

Талыпов Г.Б. Сварочные деформации напряжения

  • формат djvu
  • размер 6.65 МБ
  • добавлен 26 января 2011 г.

Л:. «Машиностроение», 1973. 280 с. В монографии дается физико-механическое обоснование приближенной теории сварочных деформаций (напряжений), се применение к конкретным задачам, а также анализ имеющихся опытных и производственных данных по исследованию влияния сварочных напряжений на прочность конструкций. Теория дает возможность приближенного определения сварочных деформаций и напряжений после сварки и остывания в изделиях из металлов, температу.

Фролов В.В. Теория сварочных процессов

  • формат djvu
  • размер 5.47 МБ
  • добавлен 08 апреля 2010 г.

Теория сварочных процессов: Учебник для вузов по специальности Оборудование и технология сварочного производства»/В. Н. Волченко, В. М. Ямпольский, В. А. Винокуров и др.; Под ред. В. В. Фролова. – М.: Высшая школа, 1988. 559с.: ил В учебнике изложен материал по источникам энергии, тепловым, физико-химическим и металлургическим процессам, деформациям и превращениям в металле при сварке. Большое внимание уделяется использованию для сварки лучевой э.

Фролов В.В. Теория сварочных процессов

Теория сварочных процессов: Учебник для вузов по специальности Оборудование и технология сварочного производства»/В. Н. Волченко, В. М. Ямпольский, В. А. Винокуров и др.; Под ред. В. В. Фролова. – М.: Высшая школа, 1988. 559с.: ил
В учебнике изложен материал по источникам энергии, тепловым, физико-химическим и металлургическим процессам, деформациям и превращениям в металле при сварке. Большое внимание уделяется использованию для сварки лучевой энергии и энергии взрыва, расчетам температурных полей при сварке разнородных металлов, деформациям при сварке легированных и термоупрочняемых сталей и сплавов.

Источники энергии при сварке.
Физические основы и классификация процессов при сварке.
Физико-химические процессы в дуговом разряде.
Термические недуговые источники энергии.
Прессовые и механические сварочные процессы.
Тепловые процессы при сварке
Основные понятия и законы в расчетах тепловых процессов при сварке.
Тепловые процессы при нагреве.
Нагрев и плавление металла при сварке.
Физико-химические и металлургические процессы при сварке
Термодинамические и кинетические основы металлургических процессов
Металлургические процессы при сварке
Особенности металлургических процессов при различных видах сварки
Термодеформационные процессы и превращения в металлах при сварке.
Термодеформационные процессы при сварке
Образование сварных соединений и формирование первичной структуры металла шва.
Фазовые и структурные преобразования в металлах при сварке

  • формат doc
  • размер 902.67 КБ
  • добавлен 21 апреля 2010 г.

Методические указания к лабораторным работам 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, 2006. Перечень методических работ: ЛР5: Теоретическая и экспериментальная оценка характера взаимодействия газовой фазы с металлом при сварке. Приводится методика теоретической и экспериментальной.

Высшего профессионального образования

Кафедра «Оборудование и технология сварочного производства» исследование и расчет нагрева электрода при дуговой сварке

Методические указания к лабораторной работе 3

по курсам «Физико-математические основы сварочных процессов»,

«Теория сварочных процессов»

для студентов специальностей 120500, 120900, 171300

всех форм обучения

Составитель Б.П. Конищев, и.н. Кормушкина

Исследование и расчет нагрева электрода при дуговой сварке: Метод. указания к лаб. работе 3 по курсам «Физико-математические основы сварочных процессов», «Теория сварочных процессов» для студентов специальностей 120500, 120900, 171300 всех форм обучения / НГТУ; Сост.: Б.П. Конищев, И.Н. Кормушкина. Н. Новгород, 2006.-20 с.

Приводится методика экспериментального исследования и теоретического расчета нагрева электрода при дуговой сварке.

Уч.-изд.л. Тираж экз. Заказ .

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ – освоение методик экспериментального и расчетного определения нагрева электрода при дуговой сварке. Исследование зависимости нагрева электрода и коэффициента неравномерности его плавления от плотности сварочного тока.

2.1. Нагрев электрода при дуговой сварке

Электрод при дуговой сварке нагревается двумя источниками теплоты: проходящим по стержню током и сварочной дугой. При прохождении сварочного тока в соответствии с законом Джоуля-Ленца во всем объеме металлического стержня равномерно выделяется теплота. Поэтому первый источник можно рассматривать как равномерно-распределенный по стержню объемный источник теплоты. Температура нагрева электрода током не зависит от расположения (координаты) точки в стержне, а определяется плотностью тока, временем его протекания, удельным сопротивлением стержня, его сечением и длиной.

Сварочная дуга нагревает электрод неравномерно, так как вводит теплоту через торец электрода. Чем дальше располагается точка от торца электрода, тем меньше температура нагрева дугой. На расстоянии более 1 см от торца электрода нагрев дугой практически отсутствует. Поэтому второй источник можно рассматривать как подвижный плоский источник теплоты в полубесконечном стержне.

Возможны и другие, дополнительные источники теплоты, например контактное сопротивление между электродом и электрододержателем. Однако при исправном оборудовании и нормальной технологии роль этих источников незначительна.

На рис. 1, апоказано распределение температуры по длине электродаХв начальный момент времениt1и более поздний момент времениt2после расплавления части электрода.

l1,l2– длина от торца электрода до электрододержателя в моменты времениt1иt2.

ТТ1и ТТ2– температура нагрева электрода током за времяt1иt2. При этом ТТf(х), ТТ=f(t).

Т- суммарная температура нагрева электрода током и дугой в точкеАприt1и в точкеВприt2: Т= ТТ + ТД.

ТД – температура нагрева электрода дугой; ТД=f(х).

ТК– температура на конце (торце) электрода, принимаемая обычно равной температуре капель (для стали ТК= 2300 – 2500С).

На рис. 1 б представлены термические циклы точекЕиFпри равных плотностях токаj1иj2.

tЕ1иtЕ2– время нагрева точкиF, расположенной на расстоянии ХFот торца электрода (рис. 1, а) при плотности токаj1иj2.

Кафедра «Оборудование и технология сварочного производства» исследование зависимости

ЭФФЕКТИВНОГО КПД СВАРОЧНОЙ

ДУГИ ОТ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА СВАРКИ

Методические указания к лабораторной работе 1

для студентов специальностей 150202, 150401, 170102

Составитель Б.П. Конищев

Исследование зависимости эффективного КПД сварочной дуги от параметров режима сварки: Метод. указания к лаб. работе 1 по курсам «Физико-математические основы сварочных процессов», «Теория сварочных процессов» для студентов специальностей 150202, 150401, 170102 всех форм обучения / НГТУ; Сост.: Б.П. Конищев. Н. Новгород, 2006.- 15с.

Приводится методика экспериментального определения эффективного КПД сварочных источников теплоты калориметрическим способом.

1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ– освоение методики экспериментального определения КПД сварочных источников теплоты калори-метрическим способом. Исследование зависимости эффективного КПД от основных параметров режима дуговой сварки (сварочного тока, напряжения на дуге и скорости сварки).

2 Теоретическая часть

Сварочная дуга является мощным и достаточно концентриро-ванным источником теплоты. Электрическая мощность дуги, определяемая произведением тока дуги на напряжение, при сварке покрытыми электродами и в защитных средах обычно находится в пределах 5-10 кВт, мощность дуги при сварке под флюсом составляет 10-50 кВт. Электрическая энергия, потребляемая дугой, в основном превращается в тепловую энергию, и дугу по праву считают преобразователем электрической энергии в тепловую. Выделение тепловой энергии происходит на активных пятнах дуги (анодном и катодном) и дуговом промежутке (столбе дуги).

Полная тепловая мощность дуги, т.е. количество тепла, выделяемого дугой в единицу времени, определяется выражением


(1)

где I - ток дуги, А;U- напряжение, В;k- корректирующий коэффициент.

В случае переменного тока этот коэффициент учитывает отклонение кривых силы тока и напряжения от синусоидальной формы. В зависимости от состава атмосферы дуги соотношения между холостым ходом источника питания и напряжения дуги значение kизменяется от 0,8 до 0,95.

При сварке на постоянном токе обычно принимают k=1. Однако в действительности вследствие капельного переноса (часто с короткими замыканиями) и колебаний силы тока и напря-жения, вызванных другими причинами,k1.

Определение численного значения kдля каждого конкретного случая вызывает определенные трудности. Поэтому значениеk=1 используют не только для постоянного, но зачастую и для переменного тока, хотя активная мощность дуги может существенно отличаться от кажущейся мощности. В этом случае


(2)

Часть теплоты сварочной дуги бесполезно теряется в окружающей среде (путем конвективной, кондуктивной и радиационной теплоотдачи, светового излучения, звуковых колебаний и т.п.), а большая часть идет на нагрев и плавление основного и электродного металлов, покрытия электродов и флюса и на химические реакции в зоне сварки. Примерная диаграмма баланса энергии представлена на рисунке 1. Мощность qи, затрачиваемая на нагрев и плавление металла изделия (основного металла), называется эффективной тепловой мощностью дуги.

Отношение эффективной тепловой мощности к полной мощности дуги называется эффективным КПД процесса нагрева изделий дугой, или для кратности просто эффективным КПД сварочной дуги:


(3)

Эффективный КПД показывает, какая часть полной мощности сварочной дуги затрачивается на нагрев и плавление основного металла.

Схема ввода теплоты в изделие при сварке открытой и закрытой дугой (под флюсом) представлена на рисунке 2.

Значения эффективного КПД для различных видов дуговой сварки приведены в таблице 1.

Читайте также: