ОСНОВЫ СВАРКИ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ РАСЧЕТОВ ПРИ СВАРКЕ

Расчеты температурных полей и ТЦ при электродуговой сварке не являются самоцелью, а позволяют находить в конкретных случаях ра­циональные технологические решения изготовления различных свар­ных конструкций. Эти расчеты обычно преследуют следующие цели.

1. Иметь полную информацию о температурном поле или ТЦ ис­следуемых точек. Например, при исследовании термодеформа­ционных процессов необходимо проследить всю историю тепло­вого нагружения вплоть до полного охлаждения. Полученные решения позволяют оперативно получить эту информацию.

2. Оценить максимальные температуры Т, до которых в процессе

сварки нагревались исследуемые точки. Например, оперативно определить ширину околошовнон зоны с изменившимися в про­цессе сварочного нагрева и охлаждения структурой и свойства­ми, оценить величину разупрочненнон зоны при сварке термо­упрочненных металлов, определить параметры зоны, требующей защиты от контакта с окружающей средой при сварке активных металлов, и многое другое,

3, Установить мгновенную скорость охлаждения исследуемых то­чек W(T') при некоторой температуре Г', Например, при сварке металлов, склонных к закалке, величина скорости охлаждения металла при температуре начала распада аустенита определяет вероятность появления неравновесных структур (мартенсита).

4. Определить время выдержки tv исследуемых точек при темпера­туре выше критической температуры Т", Например, величина зер­на в зоне, прилегающей непосредственно к шву, зависит от време­ни нахождения ее в области температур выше температуры перегрева (для сталей Т" > 1200 °С).

На рис. 13,11 приведена схема простого ТЦ точки, где Г„ - начальная температура тела или температура предварительного подогрева.

:т

Расчет максимальных температур

Ііаиболее просто выражения для оценки максимальных температур можно получить для расчетной схемы мощного быстродвижущегося источника.

1. Подвижный точечный источник на поверхности полубесконеч­ного тела.

Воспользуемся решением (13.38). Возьмем частную производную по времени

dT(r, t) T(r, t)( г2

t. 14аг

Приравнивая полученное выражение нулю, находим время на­ступления максимальных температур. Случаи, когда T(r, t ) - 0 или 71ыч -> х, интереса не представляют: они отвечают конечным состояни­ям процесса, когда температура равна Т() или полностью выравнилась. Остается только случай

г2 г2

1 = 0 или £„..,.(/■) = —.

Aat ,nV 4а

Подставляя значение t в исходное уравнение (13.38), после пре­образований получаем

0,368д

Л 2

2Гфг

где 0,368 = ехр[-1] - численный коэффициент.

2. Подвижный линейный источник в пластине.

Воспользуемся решением (13.39). Частная производная но времени

!'Syj4nXcpt

Приравнивая полученное выражение нулю, находим время наступ­ления максимальных температур. Случаи, когда Т(у, t ) = 0 или

-* сс, интереса не представляют. Также положим, что btms «-^ (такое предположение оправдано для точек, близких к оси перемеще­ния источника, максимальные температуры которых теплоотдача не ус­певает существенно понизить):

1

Подставляя значение в исходное уравнение (13.39), после пре­образований получаем

7, . v 0,484(у

L#=- 7Г

Z'SC. ply

где 0.484 = J— - численный коэффициент;

I пе

(13.41) два первых члена бы-

стросходяшегося ряда функции ехр

Расчет мгновенных скоростей охлаждения

Выкладки, ввиду полной однотипности рассуждений, приведем па­раллельно. как для подвижного точечного источника на поверхности

полубесконечного тела, так н для подвижного линейного источника в пластине. Воспользуемся решениями (13.38) и (13.39), в которых учтем начальную температуру тела Г„, отличную от нулевой (предваритель­ный подогрев тела):

Заметим, что оценка скоростей охлаждения целесообразна только для узкой области (шов и околошовные зоны), нагреваемой в процессе сварки выше температуры А, (для малоуглеродистой стали А, > 850 °С). Температура же начала распада аустенита заведомо ниже температуры А, (Л, ~ 720 °С). Поэтому ТЦ точек из этой высоконагреваемоп области по ветвям охлаждения практически совпадают, т. е. охлаждаются с оди­наковой скоростью. На этом основании можно положить, что скорости охлаждения точек из этой области равны скоростям охлаждения, рас­считанным для точек, лежащих на оси шва. Также можно пренебречь эффектом теплообмена с окружающей средой для пластины, так как время нахождения металла в области высоких температур незначитель­но, Положив г = 0, у = 0, b = 0, исходные формулы приведем к виду

(13.42)

Взяв производную по времени, получим зависимость мгновенных скоростей охлаждения от времени

(1.3.43)

Определим время г из уравнений (13.42)

1 _ 2nXr(T-T{)) 1 _ vSy]4n/u'p(T-Т{))

I Ч Т Ч

Подставив значення - u —p в уравнения (13.43) и проведя соогвет - I, ji '

ствующие преобразования, получим формулы для оценки скоростей

охлаждения — = 11 (Г)[°С/с).

сIt

Для полубесконечного тела

щт)£z$t.

V

Для пластины

W(T) = -2пХср(Г~Щ.

( п'

Знак минус в формулах указывает, что происходит охлаждение.

Анализируя полученные решения, видим, что величина мгновенной скорости охлаждения при определенной температуре Г зависит от:

Ч

• погонной энергии сварки —;

г

• температуры начального подогрева 7’,.

При этом следует отметить, что начальный подогрев является дей­ственным фактором значительных изменении (уменьшений) скорости охлаждения металла шва и околошовных зон.

Оценка длительности нагрева

выше определенной температуры

Длительность нагрева выше определенной температуры наиболее просто определить непосредственно из кривых ТЦ исследуемых точек.

Рассмотрим несколько примеров.

Пример 1. Два листа низкоуглеродистой стали толщиной 10 мм свариваются встык односторонним однопроходным швом (на флю­совой подушке). Сварка автоматическая под флюсом па режиме /= 800 А. V = 38 В, v = 30 м/ч. Следует построить кривые макси­мальных температур в околошовных зонах и оценить ширину зоны, нагреваемую в процессе сварки выше 500 °С, т. е. определить шири­ну участка металла с изменившимися в результате сварочного нагрева структурой и свойствами.

Исходя из условии задачи назначаем расчетную схему: подвижный линейный источник в пластине. Воспользуемся решением (13.11), по­ложив b = 0 (для листов толщиной более 6,0 мм эффект теплоотдачи незначителен):

, , 0,484г/ тш Лу)=—г-

zscpZy

Эффективную тепловую мощность сварочной дуги определяем по выражению (13.2) и рекомендуемому значению г) (г)и=0,8 для автома­тической сварки под флюсом):

q = rJU = 0,8-800-38 = 24320 Вт.

Значения коэффициентов теплофизических свойств принимаем со­гласно табл. 13.2. Учитывая, что г = 30 м/ч = 0,83 см/с и принимая ср = =4,3 Дж/см' '°С, определим значения максимальных температур для то­чек, лежащих от оси шва с шагом 1 см:

Тт 1Х(1) = Гт 1Ч(-1)= --•4^-4--24-32- = 1650 ‘С: ..«И і пиИ I о,83-1-4,3-2-1 Гш.,ч(2)-Г11ПЧ(-2) = -() /4.84-213-20. = 825 °С;

m,,Ni ; н,„хv / о,83-Ь4,3-2-2

TOC o "1-5" h z Гпт (3) = Тт, ч (-3) = -°’484 24320 = 550 °С;

пич( / / о,83-1-4,3-2-3

Тт ,х (4) = Тпт (-4) - :.24-320- = 412 °С;

т..х( 1 m, xl ) 0,83-1-4,3-2-4

Тпг, к (5) = Ттл (-5) = -0,484 24820 = 330 °С;

m„xi ; т, х( j 0 83 t 4 3 2.5

Тт, х (6) = Тт, ч (-6) = -°'484 24320 = 275 °С.

m,xV і ’ 0,83-1-4,3-2-6

Из графика (рис. 13.12) ширина зоны (зона заштрихована) с изме­нившимися свойствами равна 6,9.„7,1 см.

0.484с/ _ 0,484-24320

rsvpTaux 0,83-1-4,3-500

Пример 2. Требуется нанести на поверхность плиты из малоуглеро­дистой стали толщи ной 50 мм облицовку с требуемыми рабочими свой­ствами, например с повышенной износостойкостью. Облицовка осуще­ствляется одиночными длинными валиками автоматической наплавкой под флюсом на режиме / = 420 A, U = 36 В, г= 18 м/ч. Сварочные мате­риалы (соответствующая марка низколегированной проволоки и флюс) подобраны так, что наплавленный металл (смесь наплавляемого и рас­плавляемого основного металлов) обеспечивает служебные свойства при условии, что при охлаждении его при температуре Т= 400 °С обес­печивается мгновенная скорость охлаждения в пределах (8...10) "С/с. Проверить п. если потребуется, внесли коррективы в технологию на­плавки.

Исходя из условий задачи назначим расчетную схему: подвиж­ный точечный источник на поверхности полубесконечного тела. Вос­

пользуемся решением (13.44) для оценки мгновенных скоростей ох­лаждения

Y(T) = -2nJT ^

Ч

v

Но выражению (13.2) и рекомендуемому значению р i (р,,” 0,8) оп­ределим эффективную тепловую мощность дуги, значения теплофизи­ческих констант возьмем из табл. 13.2 (X - 0,4 Дж/см'с °С) и учтем с = =18 м/ч = 0,5 см/с.

q = 0,8-420-36= 12100 Вт.

Определим W(T), осуществляя наплавку в цехе, приняв Г() = 15 °С:

TOC o "1-5" h z W(400) = -2-3,14 -0,4= -15,4 °С/с. v ’ 12100

Полученная величина скорости охлаждения больше требуемой, по­этому вносим изменения в технологию наплавки: предварительно на­греем плиту до 50 °С (7/ = 50 °С), тогда

W(400) = -2 • 3,14 • 0,4 ^-(-)0 ' •)()I= -12,7 °С/с. v ’ 12100

Скорость охлаждения уменьшилась, но все же выше требуемой, уве­личим температуру начального подогрева (Г0 = 100 °С);

114(400) = -2-3,14 0,4 И?°~100) °°5 ^-9,34 °С/с.

V ’ 12100

Температура начального подогрева достаточна, чтобы скорость ох­лаждения была в пределах требуемой.

Обобщая полученные результаты, следует сказать; в технологию на­плавки следует внести коррективы - требуется предварительный по­догрев плиты до температур (100...110) °С. Перед наплавкой очередно­го валика строго следить, чтобы начальная температура плнгы была в этих пределах, если потребуется - дополнительно ее подогреть или ох­ладить.

Пример 3. Качественно оценить параметры сварочной ванны при наплавке валика на толстым лист при увеличении скорости наплавки, эффективная тепловая мощность при этом не меняется.

По условию. задачи назначаем расчетную схему: подвижный точеч­ный источник на поверхности полубесконечного тела. Для рассужде­нии, так как величина скоростей не оговаривается, следует взять реше­ние (13.35)

Оценим изменение длины сварочной ванны позади источника, т. е. примем у = 0, г - 0, х - отрицательная координата.

Позади источника по отрицательной оси ОХ решение примет вид

Видно, что распределение температуры позади источника по осп его движения не зависит от скорости движения, т. е. длина ванны жидкого металла позади источника /.в(-д) = |л|, ограниченной изотермической поверхностью (Т ~ Г ), остается постоянной и равной

Видно, что при увеличении скорости движения источника длина участка сварочной ванны станет меньше, так как впереди источника температура убывает более быстро при увеличении скорости (функция ехр в более отрицательной степени).

Оценим изменение ширины сварочной ванны, для простоты рассуж­дений возьмем сечение. г = 0, тогда

Видно, что при увеличении скорости движения источника темпера­тура в направлениях от оси движения источника (г = ^у~ +г~) убывает быстрее, то же имеет место и при любом. г, т. е. ширина и глубина ванны жидкого металла будут меньше. Результаты рассуждении представле­ны на рис. 13.13.