49726

ТЕПЛОВЫЕ И МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ

Курсовая

Производство и промышленные технологии

Цель работы разработка методики теплового расчета расчетов химического состава металла оценки равновесной концентрации кислорода и оценки стойкости металла шва к образованию горячих трещин. В результате исследования было рассчитано и построено температурное поле определен химический состав металла шва по смешению и с учетом коэффициентов перехода определена концентрация кислорода и оценена стойкость металла шва к образованию горячих трещин.1 Расчет состава металла шва 16 6.3 Оценка склонности металла шва к образованию горячих трещин 27...

Русский

2014-01-07

658.36 KB

50 чел.

Министерство образования и науки РФ

ФГАОУ ВПО «Уральский Федеральный Университет им. первого Президента России Б.Н.Ельцина»

Кафедра «Технология сварочного производства»

ТЕПЛОВЫЕ И МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ

расчетно-пояснительная записка

150202.000 000.011

Студент                                                                                          Разиков М.Н.

Группа                                                                                            М-490601

Руководитель                                                                                 

                                                                                                    

Екатеринбург

2012

РЕФЕРАТ

Отчет 30с., 6 рис., 10 табл., 2 чертежа на форматах А1, 4 источника, 1 прил.

Объектом исследования является процесс образования сварного соединения в среде углекислого газа при заданном режиме сварки.

Цель работы – разработка методики теплового расчета, расчетов химического состава металла, оценки равновесной концентрации кислорода и оценки стойкости металла шва к образованию горячих трещин.

В процессе работы проводились аналитические исследования данного процесса сварки при заданных условиях.

В результате исследования было рассчитано и построено температурное поле, определен химический состав металла шва по смешению и с учетом коэффициентов перехода, определена концентрация кислорода и оценена стойкость металла шва к образованию горячих трещин.


СОДЕРЖАНИЕ

НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ 5

ВВЕДЕНИЕ 6

1  Схема и описание сварного узла 7

2 Свойства материала изделия и применяемых сварочных материалов 9

3 Технологические особенности процесса сварки в углекислом    газе 10

4  Расчетная схема нагрева изделия 12

5 Расчет температурного поля 13

6 Физико-химические расчеты 16

6.1 Расчет состава металла шва 16

6.2 Оценка равновесной концентрации кислорода в металле шва 18

6.3 Оценка склонности металла шва к образованию горячих трещин 27

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 29

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 30

Приложение А Температурное поле 31

Приложение Б Эскиз сварного шва 32


НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ

1 ГОСТ 7.32-2001. Отчет о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления.–Введ. 2002-07-01.–М.: Госстандарт России: Изд-во стандартов, 2001.– 22с.

2 ГОСТ 14771-76. Дуговая сварка в защитном газе. Соединения сварные.-Введ. 1977-07-01. .–М.: .–М.: Госстандарт СССР: Изд-во стандартов, 1976.– 68с.

3 ГОСТ 4543-71. Прокат из легированной конструкционной стали. Технические условия. –Введ. 1973-01-01.–М.: Госстандарт СССР: Изд-во стандартов, 1971.– 70с.

4 ГОСТ 2246-70. Проволока стальная сварочная. Технические условия.–Введ.          1973-01-01.–М.: Госстандарт СССР: Изд-во стандартов, 2002.– 5с.


ВВЕДЕНИЕ

Целями выполнения курсовой работы по дисциплине «Теория сварочных процессов» являются расширение и закрепление знаний студентов в области теоретических основ сварочных процессов, а также приобретение навыков самостоятельного анализа влияния теплофизических и металлургических процессов на формирование свойств сварного соединения.


1  Схема и описание сварного узла

Схема приварки оребрения труб теплообменника в углекислом газе приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема сварного соединения

Тип соединения – тавровый (Т1), без скоса кромок, односторонний. На рисунке 2 приведена схема подготовленных кромок и их конструктивные элементы по ГОСТ 14771-76.

Рисунок 2 – Подготовка кромок свариваемых деталей

 

где  

 

На рисунке 3 приведена схема шва и его конструктивные элементы по ГОСТ 14771-76.

Рисунок 3 – Схема шва

где  

                

Сварка осуществляется в один проход.


2 Свойства материала изделия и применяемых сварочных материалов

Материал труб теплообменника – сталь 15ХМ – хромомолибденовая конструкционная легированная. Сталь изготовляется по ГОСТ 4543-71. Назначение: сортовые заготовки, поковки, трубы для перегревателей, паропроводов, коллекторов, фланцы, длительно работающие при температурах до 500 град. Механические свойства: σ0,2=215 МПа, σв=430 МПа, δ=20% по ГОСТ 4543-71. Химический состав приведен в таблице 1.

Таблица 1 – Химический состав стали 15ХМ по ГОСТ 4543-71

Химический элемент

мас.%

Кремний (Si)

0,17-0,37

Марганец (Mn)

0,40-0,70

Медь (Cu), не более

0,30

Молибден (Mo)

0,40-0,55

Никель (Ni), не более

0,30

Сера (S), не более

0,035

Углерод (C)

0,11-0,18

Фосфор (P), не более

0,035

Хром (Cr)

0,80-1,10

Химический состав проволоки Св-08ХГСМА  приведен в таблице 2.

Таблица 2 – Химический состав проволоки Св-08ХГСМА по ГОСТ 2246-70

компоненты

C

Si

Mn

Cr

Ni

S

Мо

P

мас.%

0,06-0,10

0,45-0,70

1,15-1,45

0,85-1,15

не более 0,3

не более 0,025

0,40-0,60

не более 0,025


3 Технологические особенности процесса сварки в углекислом    газе

Этим способом можно сваривать большинство сталей, удовлетворительно сваривающихся другими видами сварки. В первую очередь сваривают углеродистые и низколегированные стали толщиной более 3 мм проволокой диаметром 0,8—2 мм. Некоторое применение этот способ находит при сварке конструкций из высоколегированных сталей.

Наряду с другими преимуществами, характерными для сварки в защитных газах, сварка в углекислом газе характеризуется высокой производительностью и низкой стоимостью. Процесс экономичен, защитный газ не дефицитен, обеспечивает достаточно высокое качество металла швов. Механизированная сварка в углекислом газе, как более производительный процесс, успешно конкурирует с ручной дуговой сваркой покрытыми электродами по своей универсальности. К недостаткам ее следует отнести повышенное разбрызгивание и более грубое формирование швов.

При сварке в углекислом газе происходит окисление металла и потеря легирующих элементов. Поэтому основной особенностью этого способа является необходимость применения электродных проволок с повышенным содержанием элементов раскислителей (кремния, марганца), компенсирующих их выгорание в зоне сварки, предотвращающих окисление металла в ванне и образование пор. Для углеродистых сталей в основном используют сварочные проволоки сплошного сечения СВ-10ГС, Св-08Г2С, а также порошковые проволоки, содержащие в наполнителе порошки ферросплавов кремния и марганца.

Автоматическая и механизированная сварка в углекислом газе ведется на постоянном токе обратной полярности. Устойчивый процесс обеспечивается при высоких плотностях тока, поэтому используют проволоки малых диаметров 0,8—2,5 мм, а питание дуги производят от источников с жесткой внешней характеристикой. При сварке в углекислом газе, даже на высоких плотностях сварочного тока, практически не удается добиться струйного переноса металла электрода. Сварочный ток устанавливают и определяют скоростью подачи проволоки. Напряжение дуги должно быть не больше 32—34 В, так как с увеличением напряжения и длины дуги увеличивается разбрызгивание и окисление. Обычно Uв = 20÷30 В, скорость сварки от 20 до 80 м/ч, расход газа 6—25 л/мин. Например, при механизированной сварке низкоуглеродистой стали толщиной 8 мм сварку можно выполнять проволокой диаметром 2 мм, на силе тока 260—280 А, при напряжении 28—30 В, расходе газа 16—20 л/мин за один проход без разделки кромок. Наряду с С02 также используют защитные смеси газов СО2 + Аг, СО2 + О2 и др. При этом улучшается капельный перенос, уменьшается разбрызгивание, улучшается формирование швов [1].

Сущность способа. При сварке в зону дуги 1 через сопло 2 непрерывно подается защитный газ 3. Теплотой дуги расплавляется основной металл 4 и, если сварку выполняют плавящимся электродом, расплавляется и электродная проволока. Расплавленный металл сварочной ванны, кристаллизуясь, образует шов. При сварке неплавящимся электродом электрод не расплавляется, а его расход вызван испарением металла или частичным оплавлением при повышенном допустимом сварочном токе. Образование шва происходит за счет расплавления кромок основного металла или дополнительно вводимого присадочного металла. Схема способа приведена на рисунке 4 [2].

Рисунок 4 – Дуговая сварка в защитных газах


4  Расчетная схема нагрева изделия

Чтобы провести тепловой расчет, необходимо идеализировать источник теплоты и нагреваемое тело. Для данных пластин толщиной 3 мм идеальным телом является пластина, т.к. температура по любой оси, перпендикулярной плоскостям, постоянна и прогрев по толщине можно принять равномерным.

Источник нагрева – сварочная дуга. Идеальный источник – линейный быстродвижущийся (Vсв=26 м/ч) непрерывно действующий.

Тавровое соединение преобразуется в пластину путем спрямления до плоскости шва двух взаимоперпендикулярных деталей. Третья деталь оказывается под швом и считается адиабатической границей. Расчетная схема приведена на рисунке 5 [3].  

Рисунок 5 - Расчетная схема


5 Расчет температурного поля

В данной работе необходимо рассчитать и построить температурное поле оребренной трубы, расчетная  схема которой представлена на рисунке 5.

Для учета отражения теплового потока от адиабатической границы  вводим  три фиктивных источника, равных по мощности 1/3 основному.

Расчетная формула [3]:

                                    (1)

где  Тн – начальная температура, ˚С;

 q - эффективная тепловая мощность основного источника, Вт;

 V- скорость перемещения источников теплоты, см/с;

δ - толщина пластины, см;

  - объемная теплоемкость, Дж/(см3·˚С);

 a – температуропроводность, см2/с;

 t – время, с;

 y – расстояние от рассматриваемой точки до основного источника, см;

         y1=2·2,0-y – расстояние от рассматриваемой точки до фиктивного источника 1, см;

y2=2·4,85-y – расстояние от рассматриваемой точки до фиктивного источника 2, см;

 y3=2·5,15-y – расстояние от рассматриваемой точки до фиктивного источника 3, см;

 b – коэффициент температуроотдачи.

Эффективная тепловая мощность:

 q=I·U·η ,                                                                                                                   (2)

где  I – сварочный ток, А;

 U – напряжение на дуге, В;

η – эффективный КПД нагрева изделия при сварке.

Коэффициент температуроотдачи [3]:

                                                                                                                           (3)

,

где  α – коэффициент поверхностной теплоотдачи, Вт/(см2·˚С).


Данные для расчета приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Исходные данные

I, A

U, B

V, см/с

η

δ, см

а, см2

сρ, Дж/(см3·˚С);

α, Вт/(см2·˚С)

160

20

0,72

0,82

0,3

0,08

5

0,008

Проведем расчет для одного значения переменных

По уравнению (2) и (3) получаем:

q=160·20·0,82=2624 Вт.

Подставляем данные в уравнение (1):

Остальные результаты расчетов приведены в таблице 4

Таблица 4 – Результаты расчетов

t, c

T,˚C (y=0)

T,˚C (y=0,3)

T,˚C (y=0,5)

T,˚C (y=0,7)

T,˚C (y=1)

1

2398,1

1810,2

1097,9

518,6

105,4

2

1677,7

1457,6

1135,2

780,2

351,7

3

1355,3

1234,0

1044,6

813,5

478,3

4

1161,3

1082,4

955,3

792,0

532,0

5

1027,7

971,5

879,2

757,0

551,3

10

690,5

673,0

642,2

598,8

517,8

15

539,6

533,7

520,1

499,9

460,3

20

449,8

448,9

442,6

432,2

410,3

25

388,0

389,5

386,6

381,0

367,9

30

341,6

344,1

343,0

339,8

331,6

35

304,6

307,5

307,4

305,6

300,2

40

274,1

277,1

277,5

276,6

272,9

45

248,3

251,2

251,9

251,5

249,0

50

226,0

228,8

229,6

229,6

228,0

Результаты перехода от параметра «время» () к параметру «перемещение»     () приведены в таблице 5

Таблица 5 – Результаты перехода  

t, c

1

2

3

4

5

10

15

х, см

-0,72

-1,44

-2,16

-2,88

-3,6

-7,2

-10,8

t, c

20

25

30

35

40

45

50

х, см

-14,4

-18

-21,6

-25,2

-28,8

-32,6

-36

График температурного поля приведен в приложении А


6 Физико-химические расчеты

6.1 Расчет состава металла шва

6.1.1 Расчет состава металла шва по смешению

 

Расчетная формула [4]:

                           (4)

где , и - концентрация элементов в шве, основном и присадочном металлах;

                              (5)

где   - доля участия основного металла;

       и - площадь основного металла и сечения шва.

Площадь основного металла и сечения шва рассчитываем по рисунку 6.

                 

Рисунок 6 – Основные элементы шва

,   .  

           ,   

Эскиз сварного шва приведен в приложении Б.

Считаем долю участия основного металла по уравнению (5)

     

Исходя из уравнения (4) получаем:

 ;

 ;

 ;

 ;

 ;

 ;

           ;

 ;

.

Результаты расчетов приведены в таблице 6.

Таблица 6 – Результаты расчетов

компоненты

C

Si

Mn

Cr

Ni

Мо

S

Сu

P

мас.%

0,16

0,44

0,57

0,81

0,3

0,4

0,032

0,23

0,03

6.1.2 Расчет состава металла шва с учетом коэффициентов перехода

Расчетная формула [4] :

 ,                         (6)

где - коэффициент перехода.   

Коэффициенты перехода приведены в таблице 7.

Таблица 7 - Коэффициенты перехода элементов

0,4

0,7

0,8

0,95

0.95

Расчеты по уравнению (6):

 ;

 ;

 ;

 ;

 ;

 

Результаты расчетов приведены в таблице 8.

Таблица 8 – Результаты расчетов

компоненты

C

Si

Mn

Cr

Мо

мас.%

0,064

0,31

0,45

0,77

0,38

6.2 Оценка равновесной концентрации кислорода в металле шва

Равновесную концентрацию кислорода рассчитываем при температуре .

Состав металла шва берем из таблицы 8.

Определим равновесную с углеродом концентрацию кислорода .

Запишем уравнение реакции и соответствующее выражение для константы равновесия [4]:

 

                                   (7)

;                               (8)

 .                               (9)

Используем для оценки коэффициентов взаимодействия зависимости, приведенные в источнике [4].

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По уравнениям (8) и (9) получаем:

 

Константа равновесия  и концентрация кислорода по уравнению (7):

 

 

 

В расчете приняли, что общее давление равно давлению СО (1 атм).

Для уточнения результата следует учесть влияние найденной концентрации кислорода на коэффициенты активности углерода и кислорода путем введения в уравнения (8) и (9) соответствующих слагаемых.

 

 ;                         (10)

 .                         (11)

По уравнениям (10) и (11) считаем:

 

 

 

 

 <5%

Третий цикл расчетов не повысит надежности результата.

 Определим равновесную с кремнием концентрацию кислорода.

Запишем уравнение реакции и соответствующее выражение для константы равновесия [4]:

 

                         (12)

 .                      (13)

 ;                    (14)

 .                    (15)

Используем для оценки коэффициентов взаимодействия зависимости, приведенные в источнике [4].

Тогда

 

 

 

 

 

 

По уравнениям (14) и (15) получаем:

Константа равновесия и концентрация кислорода по уравнениям (12) и (13):

 

 .

В расчете приняли, что концентрация  равна 100%.

Для уточнения результата следует учесть влияние найденной концентрации кислорода на коэффициенты активности углерода и кислорода путем введения в уравнения (14) и (15) соответствующих слагаемых.

 ;                         (16)

 .                         (17)

По уравнениям (16) и (17) считаем:

 

 

 .

Третий цикл расчетов не повысит надежности результата.

Определим равновесную с хромом концентрацию кислорода.

Запишем уравнение реакции и соответствующее выражение для константы равновесия [4]:

 

                         (18)

 .                      (19)

 ;                    (20)

 .                    (21)

Используем для оценки коэффициентов взаимодействия зависимости, приведенные в источнике [4].

Тогда

 

 

 ;

 

 

 

По уравнениям (20) и (21) получаем:

Константа равновесия и концентрация кислорода по уравнениям (18) и (19):

 

 

В расчете приняли, что концентрация равна 100%.

Для уточнения результата следует учесть влияние найденной концентрации кислорода на коэффициенты активности углерода и кислорода путем введения в уравнения (20) и (21) соответствующих слагаемых.

 ;                         (22)

 .                         (23)

По уравнениям (22) и (23) считаем:

 

 

 

Третий цикл расчетов не повысит надежности результата.

Определим равновесную с марганцем концентрацию кислорода.

Запишем уравнение реакции и соответствующее выражение для константы равновесия [4]:

 ;

 .                              (24)

                                                       (25)

 

                                (26)

                                          (27)

Используем для оценки коэффициентов взаимодействия зависимости, приведенные в источнике [4].

 

 ;

 ;

 ;

 ;

 .

По уравнениям (26) и (27) получаем:

 

 

Константа равновесия и концентрация кислорода по уравнениям (24) и (25):

  .

 

В расчете приняли, что концентрация равна 100%.

Для уточнения результата следует учесть влияние найденной концентрации кислорода на коэффициенты активности углерода и кислорода путем введения в уравнения (26) и (27) соответствующих слагаемых.

 ;                         (28)

 .                         (29)

По уравнениям (28) и (29) считаем:

          .

          

 

 

Третий цикл расчетов не повысит надежности результата.

Результаты расчета равновесной концентрации кислорода приведены в таблице 9.

Таблица 9 – Равновесные  концентрации кислорода для элементов, находящихся в шве

Элемент

C

Si

Cr

Mn

равновесная концентрация кислорода, мас.%

Принимаем концентрацию кислорода равную 0,0016, т.к в данном случае кремний является наилучшим раскислителем.

6.3 Оценка склонности металла шва к образованию горячих трещин

Расчет склонности металла шва к образованию горячих (как и холодных) трещин производится для оценки свариваемости металла. Свариваемость – свойство металлов или сочетания металлов образовывать при заданной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией  условиями эксплуатации изделия.

При выполнении курсовой работы целесообразно воспользоваться расчётно-статическим методом, который основан на применении параметрических уравнений. Рекомендуемые параметрические уравнения, области их применения и критерии оценки склонности к образованию горячих трещин приведены в таблице 10 [4].

Таблица 10 – Уравнение оценки склонности металла к образованию горячих трещин

№ п/п

Параметрическое

уравнение

Вид

оценки

Область

применения

1

<4 – не склонная

Для сталей с

<2 – не склонная

Для сталей с

2

- склонная

Низкоуглеродистые стали

- стойкая

 

 

При использовании данного метода следует иметь в виду, что он применим лишь для приближенной оценки и только для тех сплавов, которые входят в концентрационные пределы изученных композиций [4].

При расчете элементы, стоящие в числителе, берем по максимальным значениям концентраций, а элементы, стоящие в знаменателе, - по минимальным.

, , следовательно, металл шва к образованию горячих трещин не склонен.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения курсовой работы был проведен анализ тепловых характеристик источника нагрева, выбрана и обоснована расчетная схема нагрева изделия с учетом начальных и граничных условий. По выбранной расчетной схеме с учетом теплофизических констант был произведен расчет температурного поля.

Так же был рассчитан состав металла шва по смешению и с учетом коэффициентов перехода. Определена равновесная концентрация кислорода относительно различных элементов, содержащихся в шве.

В курсовой работе была произведена оценка склонности металла шва к образованию горячих трещин.


СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Виноградов В.С. Оборудование и технология дуговой автоматической и механизированной сварки. Учеб. для проф. учеб. заведений. – М.: Высш. шк.; Изд. центр «Академия», 1997. – 319 с.

2 Акулов А. И., Бельчук Г. А., Демянцевич В. П. Технология и оборудование сварки плавлением. Учебник для студентов вузов. М., «Машиностроение», 1977. -432 с.

3 Шалимов М.П., Вотинова Е.Б. Тепловые процессы при сварке: методические указания.-Екатеринбург: УрФУ, 2010. 44с.

4 Королев Н.В. Шалимов М.П. Тепловые и металлургические процессы при сварке: методические указания к курсовой работе по дисциплине «Теория сварочных процессов»/Н.В.Королев, М.П.Шалимов.–Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005.–30 с.


Приложение А Температурное поле


Приложение Б Эскиз сварного шва


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

85624. Неорганическая химия, курс лекций 1.96 MB
  Учебно-методическое пособие включает лекции по отдельным темам курса «Неорганическая химия» и предназначено для контролируемой самостоятельной работы студентов инженерно – технологического факультета, для которых введен отдельный курс по химии элементов, а также может быть использовано студентами других факультетов.
85625. Внутрішній порядок у підрозділах 6.21 MB
  Для розміщення кожної роти необхідно передбачити такі приміщення: спальне приміщення для особового складу. народознавчу світлицю; кімнату для командира роти кімнату для підготовки офіцерів до занять; кімнату для підготовки сержантів до занять; кімнату для зберігання зброї; кімнату місце для чищення зброї...
85626. ВЕДЕНИЕ ДЕЛ НОРМАТИВНЫХ ДОКУМЕНТОВ 27.78 KB
  На каждый нормативный документ формируется дело для долгосрочного хранения (далее - дело НД). В деле НД находятся документы, подготовленные во время разработки, согласования, утверждения, регистрации, издания и применения разработанных и пересмотренных НД, а также документы об изменениях в них.
85627. ПРАВИЛА И МЕТОДЫ ПРИНЯТИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ МЕЖДУНАРОДНЫХ И РЕГИОНАЛЬНЫХ СТАНДАРТОВ 41.13 KB
  Важно помнить что даже если два органа стандартизации в своих национальных стандартах ввели отклонения по МС или новую редакцию и их считают несущественными проблемы могут возникнуть из-за того что эти изменения накладываются и приводят к неприемлемости между национальными стандартами.
85628. ЭКСПЕРТИЗА ПРОЕКТОВ НАЦИОНАЛЬНЫХ НОРМАТИВНЫХ ДОКУМЕНТОВ 19.6 KB
  Экспертирование проекта НД выполняют чтобы комплексно проверить и исследовать его соответствие интересам государства потребностям потребителей уровню развития науки и техники действующим техническим регламентам и законодательству международным региональным и национальным стандартам и подготовить...
85629. РЕГИСТРАЦИЯ НОРМАТИВНЫХ ДОКУМЕНТОВ 25.87 KB
  Регистрируют национальные стандарты, межгосударственные стандарты, которые принимают по ГОСТ 1.9 как национальные, кодексы установившейся практики (установки, кодексы, правила), государственные классификаторы, изменения в эти документы, принятые Минэкономики Украины и Госстроем Украины...
85630. СТАНДАРТИЗАЦИЯ В ОРГАНИЗАЦИИ 48.28 KB
  Основными задачами этих служб по стандартизации являются: организация разработки стандартов и других документов по стандартизации на производимую проектируемую продукцию попутных и побочных продуктов и вторичных материалов и подготовка предложений по ее своевременному пересмотру...
85631. Расчет и выбор посадок типовых соединений 454.5 KB
  В соответствии с выбранными посадками подшипника на вал и в корпус по ГОСТ 25347 - 82 на поля допусков цилиндрических соединений устанавливаются предельные отклонения на размер вала по системе отверстия и на размер отверстия в корпус по системе вала.