Техника наплавки алюминия бронзы на сталь

Расчёт оптимальных температурных условий наплавки короткого тонкостенного цилиндра

Обычно при наплавке полых цилиндров при большой погонной энергии дуги возможен перегрев в зоне конца наплавки, в следствие чего ухудшается формирование наплавляемого металла. Экспериментально установлено, что если температура нагрева детали смежными валиками не превышает 500 °С [76], то процесс наплавки не вызывает перегрева. Для обеспечения такого температурного режима необходимо выбрать соответствующую мощность дуги.

Качество наплавки по винтовой траектории в значительной мере зависит от параметров режима. Для определения оптимальных режимов наплавки, в частности температуры нагрева изделия, используют расчетные зависимости [77-79], но они содержат большое количество независимых переменных. Для инженерных расчётов используют упрощённые аналитические зависимости.

В работе [80] предложена методика получения упрощенных аналитических зависимостей для расчета нагрева полых цилиндров. Наиболее удобно для этой цели использовать расчетную зависимость, построенную с учетом упрощающих допущений по схеме мощного быстродвижущегося источника тепла.

Температурное поле в подвижной системе координат, определяется зависимостью [77]:

W-Q) і + в*

л / пая

где 9 £nni = — относительная температура нагрева изделия

смежными валиками;

- размерная температура нагрева изделия;

qn - погонная энергия сварочной дуги;

R - радиус изделия;

с у - объемная теплоёмкость материала;

Ф;(Я, г() - функция, учитывающая распространения тепла по радиусу цилиндра;

Х) = - безразмерный критерий времени;

а - коэффициент температуропроводности;

tj - время действия источника тепла с момента начала наплавки;

г. = безразмерное время одного оборота источника;

R

t.- время одного оборота источника;

— О

0*= относительная ордината, характеризующее положение

2п

источника;

_ Я

В = относительный шаг наплавки;

R

Н - размерный шаг наплавки; і - количество наплавленных витков;

и -количество витков от начала координат до исследуемой точки.

Для ограниченного по длине полого цилиндра относительные температуры согласно работе [80] соответственно вычисляют:

= & * £«* Р> (3-2.)

где Э' £яш - относительная температура нагрева полого цилиндра смежными валиками;

р - коэффициент, учитывающий влияние ограниченности цилиндра по длине, всегда больше единицы

Вводим безразмерный критерий скорости осевого перемещения источника тепла: '

и— Н/-Jlat,.

Приведенная толщина полого цилиндра:

к[2]-'*

2R

После соответствующих преобразований уравнения (З.1.), принимая в’= и и=О, получим расчётную зависимость для определения температуры нагрева полых цилиндрических деталей смежными валиками:

_ А ехр(-іЛ)

(3.3.)

I

/=0

относительная температура нагрева

*

полого цилиндра смежными валиками.

При выполнении расчетов преобразуем уравнение (3.3.), заменив согласно работе [76] суммирование кольцевых источников интегрированием. Произведём замену переменных:

А

и2х = и, du = vdx/2-Jx.

Изменяем пределы интегрирования:

при Xi= ц/л/2—► и= ц/л/2 ,

при х2= N+1 /2—»u= uf2N + 1.

Тогда

Полученное выражение позволяет рассчитать относительные температуры не прибегая к суммированию. Значение функции erf (х)

табулированы и легко определяются в зависимости от аргумента х.

Для определения относительных температур предельного состояния можно использовать уравнение (3.3.), заменив erf (х) =1.

Тогда

= ^[1-«/(иЛ/2)]. (3.5.)

Из уравнений видно, что значения 9^^ являются функцией только

одной переменной V.

Исходные данные для расчёта температуры нагрева смежными валиками в процессе наплавки алюминиевой бронзы Бр Амц 9-2 на СтЗ [81]:

R= 10,85 cM - наружный радиус цилиндра, гИ0,45 см - внутренний радиус цилиндра,

Ь= 6см - ширина наплавляемого цилиндра,

а=0,08 см2/°С - коэффициент температуропроводности СтЗ,

с у =4,9 Дж/см3*°С- объемная теплоёмкость СтЗ.

Задаём размерный шаг наплавки Н=0,4 см, с учётом перекрытия наплавляемых валиков. Время одного оборота источника t,=120 сек выбирается по рекомендациям таб.1 [78] в зависимости от диаметра присадочной проволоки.

Находим значения безразмерных коэффициентов: и= Н/-feati =0,06455,

р2 2

8пр = -—^=0,39. пр 2 R

По выражению (3.3.) рассчитываем относительную температуру нагрева полого цилиндра 9 * в зависимости от коэффициента и и количества

наплавляемых валиков і. В данном случае і=13 при средней ширине наплавляемого валика В=0,63см й шаге Н=0,4см. На рис.3.1, представлена зависимость относительной температуры нагрева полого цилиндра смежными

валиками.

4 1 3 -

2 -

1 -

О 4

1

Расчетную зависимость для определения коэффициента /? получаем из выражения (65) работы [80] после соответствующего преобразования. Тогда для точек, расположенных по оси наплавляемого валика, коэффициент/? определяется зависимостью:

u2(2V+i)2

(3.6.)

i=1 "Ji

где v= Н/2^[аГ, - количество витков от начала координат до исследуемой точки;

і. 1

1 = — - относительное расстояние по оси от основного источника до торца цилиндра.

Если нагрев ведётся от торца, то принимают Г< 0 и наоборот Г>0. При выполнении наплавки на поверхность полого цилиндра, шириной 60 мм, необходимо учитывать влияние краёв.

Зависимость суммарного коэффициента J8, вычисленная по выражению (3.6.) с учётом краевых условий для предлагаемого режима наплавки представлена на рис.3.2.

Рис.3.2. Зависимость суммарного коэффициента/?, с учётом краевых условий, от количества наплавленных валиков

Подставив значения выражения (3.3.) и (3.6.) в уравнение (3.2.) определим относительную суммарную температуру нагрева ограниченного полого цилиндра изделия &£1)гр смежными валиками (рис.3.3.).

Для перехода к размерным величинам при выполнении аналитического

Яп

расчета термических циклов точное определение значения отношение

представляется возможным. Это обусловлено тем, что теплофизические коэффициенты являются функциями температуры и коэффициента полезного действия для данного способа сварки, определяемого типом сварочной головки.

Для изменения температуры в точке расположенной на оси наплавляемого валика производилась запись термических циклов.

После перехода к размерным величинам, температура нагрева изделия

смежными валиками определяется зависимостью:

Т = <3 ’ пЯп

2> Z- 2SwcrfiT.’

где п - поправочный коэффициент, определяемый экспериментально. I огр

В качестве датчиков температуры применяли хромель-алюмелевые термопары из проволоки диаметром 0,2 мм. Приварка спаев термопар производилась, в середине толщины оболочки. Исследовались изменения температуры в трёх точках расположенных по оси наплавляемого валика, расстояние между которыми 30 мм. Это необходимо для получения большей достоверности результатов. Схема приварки термопар показана на рис.3.4.

Для записи термических циклов точек, лежащих на оси шва и в околошовной зоне использовался специализированный измерительный комплекс рис.3.5. Основу комплекса составили персональный компьютер ПК ’’Электроника 60” (укомплектованный жестким диском) и аналогово-цифровой
преобразователь АЦП, позволяющий преобразовывать аналоговые сигналы от термопар.

Рис.3.5. Блок-схема измерительного комплекса

Выбор ПК ’’Электроника 60” объясняется исключительной надежностью машин данного класса при работе в условиях сварочной лаборатории. Комплекс производит одновременную запись сигналов по 10-ти каналам (мгновенные значения тока и напряжения дуги и восемь сигналов от термопар). Повторная запись по каждому каналу производится с частотой 40 Гц. Общее время записи температурного поля составляет 22,5 сек., что позволяет обращаться к каждому датчику 850 раз.

После проведения измерений данные из винчестера ПК ’’Электроника 60” преобразовывались в память' ПК типа Пентиум и обрабатывались с помощью электронных таблиц EXCEL.

Для устранения случайных погрешностей термограммы подвергали тщательному визуальному и численному анализу: учитывая наличие обрывов, провалов и отклонений кривых от плавного очертания; взаимное расположение максимумов температуры на кривых температуры для различных точек. Если отклонения не находили удовлетворительного объяснения, то соответствующие кривые исключали из дальнейшей обработки.

На рис.3.6, представлены экспериментальный и аналитически рассчитанные термические циклы.

Т, С

1600

1400

200

Сравнение экспериментальных и аналитически полученных термических циклов свидетельствует о хорошей сходимости результатов.

Для данных параметров режима наплавки определяем температуру

нагрева смежными валиками рис.3.7.