124043 (Разработка схемы источника "ПТИ" с использованием стали 45), страница 3

Функцию Улиха вычисляем по формуле:

f(T) = ln( ) + – 1

Найдем численные значения функции Улиха для определенных температур:

f(0) = 0;

f(1000) = 12,8895;

f(2000) = 26,6782;

f(3000) = 35,6941;

f(4000) = 42,3547;

f(5000) = 47,6316;

f(6000) = 51,9999.

Рассчитаем свободную энергию Гиббса ΔG°_т для температур 298 – 6000 К, результаты заносим в таблицу 6.

Таблица 6- Результаты вычислений

По данным таблицы строим график зависимости ΔG°_т(Т) (рисунок 1).

Рисунок 1. График зависимости ΔG°_т(Т)

По графикам можно сказать, что:

а) с повышением температуры термический эффект реакции снижается, поскольку энтальпия возрастает;

б) с увеличением температуры скорость реакции только нарастает.

3. Исследование процессов нагрева, плавления и охлаждения основного металла

3.1 Выбор и обоснование расчётной схемы нагреваемого тела и источника тепла

Исходя из условий сварки применяем подвижный точечный источник теплоты мощностью q, движущийся прямолинейно с постоянной скоростью по поверхности полубесконечного тела. Схема ПТИ применяется для исследования температурных полей при ручной дуговой сварке.

Условия процесса:

- вид сварки: ручная дуговая сварка покрытыми электродами;

- сила тока: I = 330 A;

- напряжение: U = 28 В;

- эффективный КПД: = 0,75;

- скорость сварки: υ_св = 9 м/час.

Формы тел, нагреваемых при сварке разнообразны. Распространение теплоты существенно зависит от формы и размеров тела. Точный учет конфигурации тела может привести к таким усложнениям расчета, что его практическое использование окажется затруднительным. Поэтому во всех тех случаях, когда пренебрежение второстепенными особенностями формы тела не приводит к большим погрешностям расчета, целесообразно упрощать формы рассматриваемых тел, сводя их к простейшим. Но грамотное применение такой схематизации должно основываться на четком понимании физической сущности процесса.

Полубесконечное тело представляет собой массивное тело с одной ограничивающей плоскостью z = 0. Остальные поверхности находятся на значительном удалении и не влияют на распределение теплоты (рисунок 2).

x

z

y

Рисунок 2-Полубесконечное тело

Для термических процессов сварки плавлением источник энергии должен обеспечивать концентрацию тепловой энергии и температуру в зоне сварки, достаточные для плавления металла и провара его на требуемую глубину, но без интенсивного испарения.

3.2 Расчёт температурных полей при нагреве тела подвижными источниками тепла

Рассчитываем распределение температур вдоль оси шва.

Расчет температурных полей производится по уравнению предельного состояния распространения тепла, отнесенное к подвижной системе координат:

T(_R,x) = ( ) · exp + Т_н,

где q_u – погонная энергия (Вт):

q = I · U · ,

q = 330 · 28 · 0,75 = 6930 Вт,

– коэффициент теплопроводности, = 41,9 Вт/м · град;

υ_св – скорость сварки (м/ч);

I – сила тока (А);

U – напряжение (В);

– коэффициент температуропроводности, = 8,7 · 10^-6 м³/c,

r = ,

где х - координата по оси х (см);

у - координата по оси (у) см.

Для расчёта распределения температур вдоль оси шва, рассчитываем Х в диапазоне от -50 см до 76 см. Распределение строим на оси шва (у=0), на расстоянии 1см от оси шва (у=1), 1,5см и 2см. График распределения представлен ниже.

Рисунок 3- Изотермы вдоль оси шва

Распределение температур вдоль оси У рассчитываем по той же формуле, что и распределение температур вдоль оси Х.

Проводим расчёт распределения температур в поперечном сечении шва, т. е. вдоль оси Y, на поверхности металла при х={1; 2; 3; 4} см. Расчёт ведем по формуле,

T(_R,x) = ( ) · exp + Т_н.

Графики представлены ниже.

Рисунок 4- Изотермы в поперечном сечении оси шва

Термический цикл точек сварного соединения.

Термический цикл строим для . По формуле для ширины зоны с температурой выше заданной,

см. Для построения графика используем формулу

.

График представлен ниже.

Рисунок 5 - Термический цикл

3.3 Расчёт скорости охлаждения

Мгновенная скорость охлаждения является первой производной температуры по времени:

Так как в большинстве случаев оказывается достаточным приближённое определение скорости охлаждения, то используют теорию мощных быстродвижущихся источников тепловой энергии без учёта теплоотдачи. Скорости охлаждения обычно определяют для оси шва ввиду незначительного её отличия от скорости охлаждения околошовной зоны.

Для расчета скорости охлаждения используем формулу:

= 2 · · (Т–Т_н)²/[q/V],

где q – эффективная тепловая мощность, Вт,

Т – критическая температура, Т = А_с3 =755 ⁰С,

Тн – начальная температура, Тн = 20 ^оС,

– коэффициент теплопроводности, = 41,9 Вт/м⁰С,

c – объемная теплоемкость, c = 4,8Дж /см³С,

V – скорость сварки, cм/с.

= 2 · 3,14 · 0,419 · (755 - 20)²/(6930 / 0,09) = 18,46 гр/с.

Полученное значение Δω не входит в оптимальный диапазон скоростей охлаждения (2…4). Для сварки стали 45 необходимо применять специальные технологические приемы.

3.4 Определение изотермы на поверхности свариваемого металла

В результате воздействия сварочного источника теплоты свариваемый металл расплавляется. Металл, ограничиваемый изотерической поверхностью Т = Т_пл , образует сварочную ванну.

Сварочная ванна перемещается по свариваемому изделию вместе с источником теплоты. После затвердевания расплавленного металла сварочной ванны образуется шов. Глубина и форма проплавления зависят от сосредоточенности источника теплоты, определяемой способом сварки и силой сварочного тока.

Кристаллизация расплавленного металла состоит из двух элементарных, одновременно протекающих процессов:

1) зарождение зародышей или центров кристаллизации,

2) роста кристаллитов из этих центров.

Кристаллы растут с некоторыми остановками, т.е. слоями. Центрами кристаллизации для каждого последующего слоя являются различные неровности предыдущего.

Скорость кристаллизации определяется числом центров кристаллизации и линейной скоростью роста кристаллов в единицу времени.

Теория непрерывной кристаллизации предполагает спокойное затвердевание жидкости без перемешивания жидкого металла внутренними конвективными токами. Эта теория имеет ограниченное применение.

Условия в которых протекают кристаллизационные процессы в сварочной ванне:

а) наличие в ванне центров кристаллизации в виде зерен основного металла на границе сплавления;

б) одновременный с кристаллизацией ввод теплоты в сварочную ванну движущимся сварочным источником энергии, скорость движения которого определяет скорость перемещения фронта кристаллизации;

в) значительный градиент температур в ванне, большой перегрев металла в центре шва;

г) интенсивное перемешивание металла ванны;

д) малый объем и непродолжительное существование сварочной ванны, большие средние скорости роста кристаллов;

е) воздействие на кристаллизирующийся металл термодеформационного цикла.

При затвердевании расплавленного металла сварочной ванны преобладает гетерогенный процесс кристаллизации и только в центральной части ванны в очень редких случаях возможна гомогенная кристаллизация. Под влиянием конкретных тепловых и кинетических условий кристаллизации металла шва, химического состава сплава, градиента температур, скоростей сварки и кристаллизации в различных зонах шва возможно образование разной первичной структуры—столбчатой, полиэдрической. Столбчатая и полиэдрическая структура могут в свою очередь быть ячеистыми, ячеисто-дендритными, дендритными. Все эти структуры в шве можно не только получить, но и управлять их развитием, изменяя условия роста, как это следует из теории концентрационного переохлаждения. Такие параметры роста кристалла, как скорость кристаллизации Vкр и градиент температур в жидкой фазе grad Т_ф , оказывающий наиболее существенное влияние на образующую структуру, можно рационально подбирать и изменять при сварке .

Температурный градиент в жидкости может быть повышен увеличением тепловой мощности дуги путем повышения напряжения или силы тока или может быть понижен путем предварительного подогрева. Скорость кристаллизации можно регулировать изменением скорости сварки.

При сварке в пределах сварочной ванны одновременно осуществляется два процесса:

а) плавление;

б) кристаллизация.

Сварочная ванна и связанная с ней изотерма кристаллизации перемещаются вдоль оси шва со скоростью сварки.

Под схемой кристаллизации понимают форму осей кристаллитов и значение угла два между касательными к осям. Ось кристаллита - воображаемая линия, определяющая форму и направление границ кристаллитов. Форма, ориентировка и размеры кристаллитов могут изменятся в широких пределах в зависимости от технологии сварки и оказывать существенное влияние на деформационную способность металла шва. Направление роста кристаллита совпадает с направлением максимального теплоотвода, т.е. с нормалью к изотерме кристаллизации.

3.4 Расчёт изотерм на поверхности свариваемого материала

Построение изотерм производим аналитическим методом. Для этого выведем уравнение изотермы, опираясь на уравнение предельного состояния процесса.

Пусть требуется построить изотерму для некоторой температуры Т. Подставив эту температуру в уравнение предельного состояния, получим:

Затем, учитывая и произведя несложные преобразования, получим:

откуда вытекает

.

Преобразуя относительно у, получим в итоге:

.