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

Подождите немного. Документ загружается.

5. Формы таблиц, рекомендуемых для записи измеряемых

свойств объекта исследования

Таблица 2.2

Результаты опытных измерений температуры электрода

Время

замера

Температура нагрева электрода,

голый электрод

толсто покрытый электрод,

I=200 А

I= 150 А

I= 200 А

I= 250 А

без

дуги

при горении дуги

опыт

Средняя

Таблица 2.3

Экспериментальное определение времени плавления

Номер элек-

трода

Время плавления,

1-го

участка

2-го

участка

3-го

участка

4-го

участка

5-го

участка

Среднее время

плавления

Таблица 2.4

Расчетные значения температуры нагрева электрода.

Время t,c

Температура

нагрева

электрода,

6. Типовые вопросы для контроля и самоконтроля

студентов

1. Почему нужно изучать процессы нагрева и плавления

электродов?

2. Какие источники теплоты нагревают электрод?

3. Почему плавление электрода происходит неравномер-

но?

4. Какими способами можно определить изменение тем-

пературы при нагреве электродов?

5. Как влияют материалы электрода на скорость нагрева и

почему?

6. Как влияет плотность тока на скорость нагрева элек-

трода и почему?

7. Как, пользуясь данными по нагреву и расплавлению

электродов, выбрать оптимальный режим сварки?

8. Как изменяется температура по длине электрода при

учете влияния тепла от дуги на нагрев электрода?

2.2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА

РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТЕПЛА

ПРИ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СВАРКЕ ПЛАСТИН

1. Цель работы:

1. Ознакомить с экспериментальным методом определе-

ния термических циклов основного металла при сварке.

2. Получить и проанализировать экспериментальные дан-

ные по нагреву металла в различных точках листа при задан-

ных условиях сварки.

3. Освоить методику расчета термических циклов основ-

ного металла при сварке.

4. Проанализировать опытные и расчетные данные.

2. Оборудование, приборы и материалы

1. Стенд для автоматической дуговой сварки пластин

встык, оборудованный амперметром и вольтметром.

2. Электромеханический осциллограф.

3. Хромель-алюмелевые (ХА) термопары, подключенные

к соответствующим гальванометрам осциллографа.

4. Секундомер.

5. Линейка.

6. Стальные листы толщиной 5мм, размером 200х300мм.

7. Электродная проволока Св-08Г2С диаметром

1,2–1,6мм.

3. Краткая характеристика объекта исследования

В процессе однопроходной сварки пластин встык как и в

других случаях сварки или наплавки вместе с источником теп-

лоты перемещается температурное поле. Поэтому температура

близлежащих точек тела непрерывно изменяется. При прибли-

жении источника теплоты температура повышается, достигает

своего максимального значения, а затем по мере его удаления,

снижается. Изменение температуры во времени в данной точке

тела называется термическим циклом.

При установившемся температурном поле термические

циклы точек, расположенных на одинаковом расстоянии от оси

движения источника теплоты, являются одинаковыми, но сме-

щены во времени.

Термические циклы точек, расположенных на различных

расстояниях от оси движения источника теплоты, различаются

между собой. В более удаленных точках температура повыша-

ется медленнее и позже достигает максимального значения.

Восходящая ветвь температурной кривой называется ста-

дией нагрева, а спадающая ветвь – стадией остывания.

Основными характеристиками термического цикла явля-

ются: максимальная температура; скорость нагрева и скорость

охлаждения, а также длительность пребывания металла выше

заданной температуры.

Эти характеристики цикла определяют структуру и свой-

ства сварного соединения и зависят от режима сварки, тепло-

физических свойств материала, конфигурации тела, условий

его охлаждения, температуры предварительного подогрева.

Экспериментальное определение термических циклов.

Температуру металла изделия во время сварки и после-

дующего охлаждения экспериментально определяют при по-

мощи термопар. Чем сложнее температурное поле, тем больше

число термопар необходимо установить в изделии для выявле-

ния особенностей процесса распространения теплоты. Измере-

ние температуры точек при однопроходной сварке тонких пла-

стин встык с методической точки зрения является одним из

простейших случаев. Благодаря тому, что при сварке тонких

листков встык температура по толщине листа практически

распределена равномерно, достаточно расположить горячие

слои термопар в нескольких точках на нижней поверхности

листа перпендикулярно к оси шва. При этом целесообразно

использовать термопары хромель-алюмель. При кратковре-

менном нагреве они позволяют измерять температуры до

1300–1400

C. Термопары приваривают к металлу при помощи

разряда конденсаторов или зачеканивают в засверленных в ме-

талле углублениях. В процессе исследования, приваренные или

зачеканенные спаи термопар, приобретают температуру окру-

жающего металла. Изменение температуры горячего спая вы-

зывает изменение величины термоэлектродвижущей силы. За-

пись ее на осциллограмме и последующая расшифровка позво-

ляют построить для данной точки термический цикл – функ-

цию T=f(t). За t=0 принимают момент прохождения источни-

ком тепла линии установки термопар.

Расчетные определения термических циклов

Процесс распространения тепла при однопроходной ав-

томатической дуговой сварке пластин встык может быть опи-

сан расчетной схемой мощного быстродвижущегося линейного

источника в пластине. Уравнение предельного состояния про-

цесса распространения тепла имеет вид:

ytT

exp

),(

(2.6)

где T(t,y

) – температура пластины на расстоянии y

от

оси шва в момент времени t, К;

t= – время, отсчитываемое от момента прохождения

дугой плоскости y

O, в которой расположена исследуемая точ-

ка, с;

– неподвижная координата точки, связанная с издели-

ем, см. Она не отличается от подвижной координаты y, связан-

ной с источниками;

q=ηUI – мощность источника теплоты, Вт;

v – скорость движения источника теплоты, см/с;

δ – толщина пластины, см;

λ – коэффициент теплопроводности, Вт/см·К;

cρ – объемная теплоемкость металла, Дж/(см

·К);

a – коэффициент температуропроводности, см

/с (для ма-

лоуглеродистой стали а=0,08);

α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(см

·К);

Схема мощного быстро движущегося линейного источни-

ка разработана для специфического температурного поля, ко-

торое наступает при q и ν .

Позади источника распространением тепла можно пре-

небречь, впереди, вследствие высокой скорости перемещения

тепло не распространяется. Изотермы вынуты и почти парал-

лельны друг другу. Это означает, что для данной расчетной

схемы характерен теплоотвод перпендикулярно к оси сварки.

В самом источнике изотермы сливаются, позади источника

сильно вытянуты и узки. На практике даже при очень больших

скоростях тепло распространяется перпендикулярно только

вблизи шва, поэтому по данной схеме более точны расчеты

температур рядом со швом.

Термические циклы точек рассчитывают непосредственно

по уравнению, используя для этого значения констант тепло-

физических свойств из таблицы 2.5.

Таблица 2.5

Теплофизические свойства низкоуглеродистой стали

λ, Вт/см·К

a, см

/с

сρ, Дж/(см

·К)

α, Вт/(см

·К)

0,39

0,08

4,9

3,5

Для расчета максимальных температур, достигаемых ис-

следуемыми точками, уравнение (2.6) преобразуют к виду:

)1(

48,0

)(

0max

yVc

(2.7)

Поскольку скорость охлаждения металла ω

охл

есть произ-

водная от температуры по времени, то для расчета мгновенной

скорости охлаждения выражение (2.6) дифференцируют. При

этом получают:

)(

сw

охл

(2.8)

где

– температура, при которой определяют скорость

охлаждения (при сварке сталей это температура наименьшей

устойчивости аустенита),

С;

– начальная температура изделия или температура со-

путствующего подогрева.

Так как скорости охлаждения для точек вблизи шва почти

такие же, как и на его оси, то уравнение справедливо для рас-

чета скорости охлаждения всех участков сварного соединения.

4. Методика выполнения лабораторной работы

1. Разметить стальной лист – нанести мелом осевую ли-

нию СД и две точки А и В (рис.2.3), на нижней поверхности

листа перпендикулярно к его оси на расстоянии 5, 10, 20мм от

нее в среднем сечении образца.

2. Намеченные точки засверлить, в углубление подвести

головки (горячие спаи) термопар и зачеканить их.

3. На образце без термопар выбрать режим наплавки (ток,

напряжение, скорость сварки). При помощи линейки и секун-

домера определить выбранную скорость сварки в см/с при хо-

лостом перемещении автомата.

4. Произвести наплавку валика по намеченной осевой ли-

нии С к Д с одновременной регистрацией силы сварочного то-

ка и напряжения на дуге, времени наплавки части валика (l

) до

линии, соединяющей точки А и В и пересекающей линию на-

плавки, а также времени наплавки всего валика, температуры в

точках А и В.

5. Температуру в точках А и В и параметры режима свар-

ки фиксировать через каждые 5 с как во время сварки, так и

после ее окончания. Результаты замера температур свести в

таблицу 2.6.

Рис. 2.3. Схема разметки листа под наплавку валика

По данным таблицы 2.6 построить термические циклы

T=f(t) точек А и В и кривую распределения максимальных

температур в поперечном сечении пластины

yfТ

мах

. По по-

строенным термическим циклам графически определить мгно-

венную скорость охлаждения при T=600

С.

6. Произвести по формуле (2.6) расчет термических цик-

лов точек А и В. Параметры режима сварки взять из экспери-

ментальной части работы. Полученные значения температур

внести в таблицу 4 и нанести на экспериментальный график

термических циклов.

7. Рассчитать по формуле (2.7) значения максимальных

температур для точек А и В по принятым параметрам режима

сварки, сопоставить с экспериментальными данными.

8. Рассчитать по формуле (2.8) мгновенную скорость ох-

лаждения при T=600

С и сравнить ее со значением, получен-

ным графически по экспериментальным и термическим цик-

лам.

9. Проанализировать экспериментальные и расчетные

данные и сделать выводы.

5. Формы таблиц, рекомендуемых для записи измеряемых

свойств объекта исследования

Таблица 2.6

Значения температур

Время замера

Температура т.А,

Эксперимент

Расчет

Температура т.В,

Эксперимент

Расчет

6. Типовые вопросы для контроля и самоконтроля

студентов

1. Дайте определение термического цикла сварки?

2. Какие общие закономерности наблюдаются в отличиях

термических циклов точек, расположенных на различных рас-

стояниях от оси шва?

3. Дайте характеристику мощного быстродвижущегося

источника тепла. Для каких случаев применяется в практике

сварки расчетная схема мощного быстродвижущегося точеч-

ного (линейного) источника теплоты?

4. Как определяется распределение максимальных темпе-

ратур по сечению образца и мгновенная скорость охлаждения

при сварке?

5. Объясните причины несоответствия в термических

циклах, полученных опытным и расчетным путем?

2.3. ВЛИЯНИЕ ОГРАНИЧЕННОСТИ РАЗМЕРОВ ТЕЛ НА

ПРОЦЕСС РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТЕПЛОТЫ

1. Цель работы:

Изучение температурных полей сварочных источников и

процессов распространения теплоты в телах ограниченных

размеров.

2. Оборудование, приборы и материалы

1. Стенд для автоматической дуговой сварки, оборудо-

ванный амперметром и вольтметром.

2. Хромель-алюмилиевые (ХА) термопары, подключен-

ные к соответствующим гальванометрам.

3. Гальванометры.

4. Секундомер.

5. Линейка.

6. Стальные пластины.

3. Краткая характеристика объекта исследования

При сварке узких пластин вдоль края с удалением источ-

ника нагрева от края или движении его к краю (в процессе ос-

тывания) характер температурных полей изменяется и описы-

вается с помощью теории фиктивных источников нагрева.

Несмотря на то, что свариваемые изделия всегда имеют

ограниченные размеры, в большинстве случаев для оценки

температурного поля и определения термических циклов нет

необходимости учитывать влияние границ тела. Однако в ряде

случаев такой учет оказывается необходимым вследствие зна-

чительного влияния отраженной от границ тела теплоты на

температурное поле. Границы тела в первом приближении

можно считать не пропускающими теплоты, т.е. считать адиа-

батическими.