- 55 -

Лабораторная работа n3

Исследование влияния режимов сварки на распределение напряжений, деформаций и температуры в металле заготовки при электрической дуговой сварки плавлением

При конструировании сварных изделий необходимо учитывать, что в результате сварки возникают сварочные деформации и напряжения, в результате которых имеют место коробление элементов конструкций, могут возникать горячие и холодные трещины в металле сварного шва и околошовной зоны. По этой причине при выполнении сварочных и наплавочных работ необходимо правильно выбирать оптимальные режимы сварки, а также сократить расходы электродных материалов.

Современная теория сварных деформаций позволяет еще в стадии проектирования разрабатывать меры по их уменьшению.

Сварочные деформации принято классифицировать на временные, которые имеют место только в процессе сварки, и остаточные, устанавливающиеся при полном остывании сварной конструкций. В данной работе уделяются внимание как временным, так и остаточным деформациям.

3.1.Задачи работы, стоящие перед студентами:

3.1.1. Закрепить теоретические знания, полученные на лекциях;

2. Получить навыки использования лабораторного оборудования и контрольно-измерительных приборов;

3. Исследовать влияние различных режимов сварки на кинетику изменения деформаций;

4. Оценить значимость влияния различных режимов сварки на

кинетику изменения деформаций;

3.1.5. Исследовать влияние режимов сварки на температурное распределение в зоне термического влияния.

3.2. Применяемое оборудование, контрольно-измерительные приборы и материалы

При проведении лабораторной работы в распоряжении студента:

сварочный трансформатор, электрододержатель, электроды, установка для измерения деформации металлической пластины, хромель-алюмелевые термопары, милливольтметры.

Схема установки для проведения исследований приведены на рис.3.1.

Рис.3.1. Схема установки для исследования влияния режимов сварки (наплавки) на кинетику изменения стрелы прогиба:1–валик наплавлен-ного металла; 2–металлическая пластина; 3 – неподвижные опоры; 4 – электронный блок “БЭП 033.20.00“; 5 – принтер; 6 – адаптер; 7 – подъемное винтовое устройство; 8 – индуктивный преобразователь осевого действия

3.3. Теория нагрева металла заготовок и процесс обра- зования деформаций и напряжений при сварке плавлением

Сварочная дуга является концентрированным источником тепловой

энергии. Выделение тепловой энергии происходит на электродных пятнах и в столбе дуге. Полную тепловую энергию и эффективную мощность можно рассчитать по формулам

Q=UI, Q^’=UI, (3.1)

где Q - полная тепловая мощность, Вт (Вт=Дж/с); Q' - полная тепловая энергия, Дж; U - напряжении дуги, В; I - сила сварочного тока, A;  - время сварки, c .

Однако не вся тепловая энергия вводится в свариваемый металл; часть ее теряется в окружающей среде.

Тепловая энергия и тепловая мощность, которая полезно используется при сварке, называются эффективной тепловой энергией и эффективной тепловой мощностью и рассчитывается по формулам

Qэфф =  U I, Вт (3.2)

где  - коэффициент полезного использования тепловой энергии.

Тепловая энергия, которая вводится в единицу длины сварного шва однопроходного шва, называется погонной энергией.

(3.3)

Теория нагрева металла и распределение температуры в металле заготовки разработана академиком Рыкалиным Н.Н. Эта теория имеет важное научно-практическое значение.

В, частности, представляется возможность изучить и управлять:

- процессами плавления основного металла;

- скоростью нагрева и охлаждения металла сварного шва и околошовной зоны;

- образованием сварочных напряжений;

- качеством металла сварного шва и околошовной зоны.

Кинетика нагрева металла при сварке плавлением определяется

величиной погонной энергией, теплофизическими характеристиками металла, геометрией и размерами свариваемого металла.

Для нагрева металла заготовки записывается уравнение теплопроводности, и задаются начальные и граничные условия.

a)

В, качестве, примера рассмотрим нагрев массивной детали движущимся точечным источником теплоты, моделирующий процесс сварки открытой дугой (рис.3.2,a).

Сварка представляет собой способ получения неразъёмных соединений локальным приложением электрической, механической и химической энергии, нередко их комбинацией. Обеспечение качественных и эксплуатационных свойств является важной научно-практической задачей.

На уровень качества сварных швов существенное влияют теплофизические, физико-химические процессы, протекающие при получении сварных соединений, а также технологический процесс сварки.

Основное воздействие на качество оказывает при сварке с нагревом характер теплового нагрева, а также характер массопереноса жидкого металла через междуговой промежуток. Общая теория тепловых процессов разработана главным образом Н.Н. Рыкалиным [1].

Расчет кинетики нагрева металла заготовки позволяет правильно определять режимы сварки; оценить производительность; прогнозировать качество сварного соединения.

Кинетика нагрева металла при сварке плавлением определяется величиной погонной энергией, теплофизическими характеристиками металла, геометрией и размерами свариваемого металла.

Погонной энергией называется энергия, которая вводится в единицу длины сварного шва однопроходного шва

qпог = Qэфф/ vсв, Дж/м (1)

где Qэфф – эффективная тепловая мощность, Вт; vсв - скорость сварки, м/c.

Для расчета нагрева металла заготовки записывается уравнение теплопроводности и задаются граничные и начальные условия. В данной модельной задаче предполагается: теплофизические свойства (коэффициенты теплопроводности, теплоемкости) металла не изменяются; температура металла в точке (О) сосредоточенного ввода тепловой энергии бесконечна; теплообмен с окружающей отсутствует.

Схема к модельному расчету нагрева массивной детали приведена на рис.1. Для решения данной задачи используется модель полубесконечного тела.

а)

б)

Рис.1. Схема к модельному расчету нагрева полубесконечного тела точечным источником (электрической дугой): а –точечный источник на поверхности полубесконечного тела; б – вид изотерм при 600 С и 1000 С при подвижном источнике

Тогда уравнение теплопроводности с граничными и начальными условиями имеет вид

(2)

где T(x,y,z,t) – температура металла заготовки, К; а – коэффициент температуропроводности, м/с²;  – коэффициент теплопроводности, Дж/(мКс); vсв– постоянная скорость перемещения электрода вдоль оси ОХ; (х), (y), – дельта функции в точке О (х = 0,y = 0, z = 0) равна бесконечности (), а в точках (х  0,y 0, z 0) дельта функции равны нулю (0); T(x, y, z, 0) = Т_о – начальное условие (начальная температура).

Р

(3)

ешение уравнения (1) в установившимся режиме (квазистационарном состояния), полученное Рыкалиным Н.Н., имеет вид:

где Qэфф - эффективная тепловая мощность сварочной дуги, Вт;  -коэффициент теплопроводности, Дж/(мКс); R - радиус рассматриваемой точки (с координатами x, y , z), м; x – координата рассматриваемой точки, м; а – коэффициент температуропроводности, м/с²; Vсв – скорость сварки (скорость перемещения сварочной дуги по оси х), м/с.

Коэффициент температуропроводности а, м/c² равен

^,

где  - коэффициент теплопроводности, Дж/(мКс); с- коэффициент теплоемкости, Дж/(Ккг);  - плотность металла заготовки, кг/м³

На рис.1,б приведены изотермы распределения температуры по поверхности заготовки. Изотермы будут вытягиваться и перемещаться в направлении движения сварочной дуги. Изменение режимов сварки оказывает влияние на форму изотермы, а, следовательно, и на распределение температуры в металле. С увеличением скорости сварки Vсв изотермы суживаются в направление движения электрода и концентрируются спереди дуги.

Радиус точки рассматриваемой точки R равен:

.

Характер распределения температуры при неподвижном точечном источнике ( Vсв =0) описывается выражением

(4)

Из выражения (3.6) следует, что при действии неподвижного источника массивное тело (полубесконечное тело) температура точки прямопропорциональна эффективной тепловой мощности, обратнопропорциональна коэффициенту теплопроводности и расстоянию R от источника до точки, в котором определяется температура.

Расширение и сокращение металла от неравномерного нагрева, а также от структурных превращений образуют так называемые собственные или внутренние деформации и напряжения.

В теории сварочных деформаций и напряжений принято использовать декартовые оси координат (рис.3.3.) [1].Соответственно различают напряжения x, y, z , xy, yz, yz, zx.

Собственные напряжения – это напряжения, которые существуют в теле при отсутствии приложенные к нему поверхностных или объемных сил.

Рис.3.3. Расположение координат осей в пластине

Причины образования остаточных сварочных напряжений:

• неравномерность нагрева металла конструкций;

• фазовые (структурные) превращений, происходящие с изменением объема.

При равномерном нагреве материала происходит его свободное расширение без возникновения напряжений. Если же осуществляется неравномерный нагрев тела, то связи нагретых участков с ненагретыми препятствуют свободному расширению тела. Вследствие этого в теле возникают температурные собственные напряжения, существующие при отсутствии приложенных внешних сил. Температурные напряжения, возникающие в процессе сварки, принято называть временными напряжениями.

Неравномерный нагрев и изменение объема металла вследствие температурного расширения, фазовых превращений, структурных превращений приводит к возникновению упругих и пластических деформаций. В результате пластических деформаций остаются собственные напряжения, которые называют остаточными напряжениями.

Докажем, что неравномерность нагрева металла пластины приводит к возникновению остаточных сварочных напряжений (рис.3.3).

Мысленно разделим пластину 1 (рис.3.4) на m стержней, длины которых при комнатной температуре То равны Lo. После наплавки

валика металла-2 на узкое ребро пластины (рис.3.3) устанавливается следующее распределение температуры по стержням T1> T2> T3>… Tm.

Длина 1-го стержня, нагретого до температуры Т1 равна:

L1 = Lо( 1 + 1) , где  - коэффициент термического расширения.

Если бы стержни пластины не были бы связаны между собой, то длины 1-го, 2-го, 3- го…m - го волокон соответственно равны L₁, L₂, L₃,…L_m; причем L₁> L₂>L₃ …>L_m, так как Т₁>T₂…>T_m.

В предлагаемой модели стержни связаны между собой пружинками (силовыми константами), то их длины соответственно будут равны: L¹1, L²2, > L³3, ….L^mm. При этом, L1>L¹1, так как свободному расширению первого стержня будет препятствовать второй стержень, температура которого меньше чем первого. Длина второго стержня будет дополнительно увеличена с величины L2 до L²2 под действием пружинок, которые связывают 2-ой стержень с 1- первым, т.е. L²2 >L2. По этой причине в первом стержне возникают напряжения сжатия, а во втором напряжения растяжения. Если возникающие напряжения будут меньше, чем предел текучести то это означает, что при нагреве пластины в ней происходят упругие деформации.

Рис.3.4. Температурное распределение по пластине 1: 2 – валик наплавленного металла; T1, T2,T3, …Tm–соответственно температуры 1-го, 2-го, 3-го,… m-го стержней; T1> T2> T3>… Tm

Следовательно, после полного остывания напряжения окажутся равными нулю, т.е. остаточные напряжения в этом случае отсутствуют. Если же возникающие напряжения будут больше, чем предел текучести, то после полного остывания в остаточные напряжения в пластине не равны нулю. Если возникающие сварочные растягивающие напряжения будут больше предела прочности, то в металле сварных конструкций возникают трещины.

Деформации, возникающие по сварке, обозначаются аналогично напряжениям. Различают нормальные компоненты сварочных деформаций x , y, z и сдвиговые xy, yz,zx. Сварочные деформации в общем случае определяют изменение линейных и угловых размеров и характеризуют состояние отдельных участков тела. Основные причины, вызывающие появление деформации при сварке, заключаются в неравномерном нагреве, структурных превращениях и упругопластическом деформировании. Поэтому необходимо различать следующие сварочных составляющие сварочных деформаций:

1. Свободная деформация, вызванная изменением температуры и структурными превращениями

св =  T,

где  - коэффициент линейного расширения,1/К; T – изменение температуры тела, К.

2. Собственные или так называемые внутренние деформации (,), состоящие из упругих _упр, _упр и пластических _пл, _пл деформаций.

3. Наблюдаемые в процессе сварки деформации _н, _н, харак-теризующие изменение линейных и угловых размеров тела, которые можно зарегистрировать непосредственно измерительными приборами. Эти деформации определяются суммой температурных и собственных деформаций

н = св + упр + пл

н = упр + пл