Организация выполнения курсовой работы

Курсовая работа выполняется в шестом семестре по материалам лекций и рекомендуемой литературы. Курсовая работа состоит из пояснительной записки и одного листа графической работы.

В пояснительной записке приводятся теоретические положения к расче­ту температурного поля, термического цикла, расчетная схема и расчеты, распечатка решения на ЭВМ.

Графическая часть содержит температурное поле в схеме, кривые тер­мического цикла.

Предлагается следующий порядок выполнения работы:

· по предложенному способу сварки, схеме сварного соединения выб­рать модель нагреваемого тела и источника теплоты;

· определить теплофизические характеристики свариваемых материалов;

· рассчитать температуру нескольких точек и представить расчет на
проверку преподавателю;

· рассчитать температурное поле с применением ЭВМ (по программе ка­федры);

· построить кривые термического цикла, определить параметры термического цикла;

· изменением параметров теплофизических характеристик и режимов
сварки исследовать их влияние на температурное поле;

· построить схему зон термического влияния.

 

2. Темы курсовой работы и выбор вариантов

Задание на курсовую работу выдаётся студенту индивидуально. Вариан­ты задания приведены в приложении 1.

 

Основные теоретические положения к расчету

Температурного, поля

Большинство применяемых способов сварки выполняются применением концентрированного источника теплоты, подводимого в зону сварки. Введен­ная в зону сварки теплота передается за счет теплопроводности в основ­ной металл. Прилегающая непосредственно к сварному шву зона термичес­кого влияния основного металла нагревается до высокой температуры, в нем протекают фазовые превращения, изменяется структура и механические свойства. При охлаждении со скоростью, превышающей критическую ско­рость, происходит закалка стали, сталь приобретает нежелательную хруп­кость. С нагревом и охлаждением металла связаны также объемные измене­ния, появление напряжений и деформаций.

 

Схемы нагреваемого тела и источников теплоты

 

При определении температурного поля принимаются расчетные схемы из­делии, учитывающие их формы и размеры, а также расчетные схемы источни­ков теплоты.

При сварке массивных деталей применяется модель полубесконечного тела, у которого имеется неограниченная протяженность по всем трем направлениям: X, Y, Z.

Полубесконечное тело представляет собой массивное тело с одной ограничивающей плоскостью Z=0. Остальные поверхности находятся на значи­тельном удалении и не влияют на распространение теплоты.

Бесконечная пластина представляет собой тело, ограниченное двумя параллельными плоскостями Z=0 и Z=δ. При использовании этой схемы всегда предполагают, что температура по толщине листа равномерна, а теплота может распространяться только в плоскости с координатными ося­ми X и Y.

Полубесконечная пластина представляет собой тело, ограниченное дву­мя параллельными плоскостями Z=0, Z=δ и плоскостью Y=0. Остальные ус­ловия те же, что и у бесконечной пластины.

Плоский слой представляет собой пластину, у которой температура то­чек тела по толщине неравномерна. Эту схему принимают при толщинах больших, чем по модели пластины и меньших, чем по модели полубесконеч­ного тела.

Бесконечый и полубесконечный стержни представляют собой тела с пря­молинейной или криволинейной осью; температура в пределах поперечного сечения стержня равномерна.

 

Учет краевых условий

 

При расчете температурного поля тел, имеющих ограниченные размеры, необходимо принимать во внимание граничные условия, которые учитывают теплообмен между окружающей средой и телом. Различаются следующие кра­евые условия: изотермические, адиабатические и теплообмен с окружающей средой с постоянной температурой. Теплообмен с окружающей средой оце­нивается коэффициентом теплоотдачи.

Расчет температурного поля с краевыми условиями выполняется с при­менением метода наложения, фиктивных источников и стоков теплоты. Ме­тод наложения заключается в суммировании температур в рассматреваемой точке от разных источников теплоты.

В случае сварки стыкового соединения однослойным швом со сквозным проплавлением предполагается, что прогрев разделки кромок осуществля­ется равномерно на всю толщину пластины. Во время сварки нахлесточного соединения дуга прогревает торец верхней пластины на всю толщину, а в тавровом соединении сварка выполняется со сквозным проваром, и нагрев верхней пластины также равномерный и на всю толщину.

При расчете температурного поля нахлесточного и таврового соедине­ний нижняя пластина нагревается только с одной стороны, прогрев по толщине листа неравномерный.

 

4. Определение исходных данных к расчету

 

Нагрев свариваемых деталей осуществляется эффективной тепловой мощностью, составляющей часть мощности сварочной дуги. Эффективная тепловая мощность определяется по параметрам сварочной дуги.

                                              (1)

где q – эффективная тепловая мощность, Вт;

η – эффективный КПД сварочной дуги (таблица 1);

U – напряжение дуги, В;

   I – сварочный ток, А.

Таблица 1

№	Способ сварки
1	Ручная дуговая	0,70 – 0,75
2	Автоматическая под флюсом	0,80 – 0,95
3	Угольным электродом	0,50 – 0,70
4	Вольфрамовым электродом в среде аргона	0,48 – 0,52
5	Плавящимся электродом в среде аргона	0,60 – 0,74

 

Эффективная тепловая мощность распределяется между свариваемыми деталями. Для деталей различных толщин эффективная тепловая мощность определяется по формулам:

- для стыкового соединения

             и                      (2)

- для таврового и нахлесточного соединения

            и               (3)

где q ₁ – эффективная тепловая мощность, распределенная по первой пластине толщиной δ₁;

q ₂ – эффективная тепловая мощность, распределенная по второй пластине толщиной δ₂;

Значение теплофизических коэффициентов для расчетных температур представлены в таблице 2.

Таблица 2

Материал	Тср, К	λ, Вт/(см×К)	С ρ, Дж/(см^3×К)	а, см^2/с
Низкоуглеродистая и низколегированная сталь	900	0,38	4,8	0,08
Коррозионно-стойкая сталь	900	0,25	4,7	0,053
Алюминий	600	2,7	2,7	1,0
Медь	700	4,0	4,2	0,95

 

где Т_ср – средняя температура, теплофизические характеристики которой приняты для расчета температурного поля;

   λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(см×К);

  С ρ – объемная теплоемкость, Дж/(см³×К);

   a – коэффициент температуропроводности, см²/с.

Таблица 3

Коэффициент полной поверхностной теплоотдачи

Тср, К	α, Вт/(см^2×К)
600	2∙10^-3
700	4∙10^-3
800	6,6∙10^-3
900	9,6∙10^-3
1000	15∙10^-3
1100	21,3∙10^-3
1200	29∙10^-3

 

    По коэффициенту полной поверхностной теплоотдачи определяем коэффициент температуроотдачи для каждой из свариваемых пластин по формуле:

                                               (4)

где b – коэффициент температуроотдачи, 1/с;

d – толщина рассчитываемой пластины, плоского слоя, см;

α – коэффициент полной поверхностной теплоотдачи, Вт/(см²×К).