Кафедра «Транспорт углеводородных ресурсов»

МиНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ государственное БЮДЖЕТНОЕ образовательное учреждение высшего профессионального образования

«тюменский государственный нефтегазовый университет»

Институт Транспорта

Кафедра «Транспорт углеводородных ресурсов»

 

ТЕОРИЯ СВАРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ

Методические указания по выполнению курсовой работы

по дисциплине «Теория сварочных процессов»

для студентов направления 150700.62 Машиностроение (профиль 2: оборудование и технология сварочного производства) всех форм обучения

 

Тюмень

ТюмГНГУ

2012

Утверждено редакционно-издательским советом

Тюменского государственного нефтегазового университета

Составитель: Кусков В.Н., д.т.н., профессор

©   Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Тюменский государственный нефтегазовый университет», 2012 г.

ВВЕДЕНИЕ

 

    Курсовая работа по дисциплине “Теория сварочных процессов” выполняется с целью закрепления теоретических знаний, полученных на лекционном курсе, приобретения навыков выполнения расчетов температурного поля, размеров зон термического влияния с помощью ЭВМ, исследования зависимости температурного поля от конструкции сварочного соединения, теплофизических характеристик свариваемы материалов и технологических параметров сварки.

    Температурное поле является основой для определения термического цикла нагрева и охлаждения, времени пребывания металла при температуре выше определенного значения. С температурным полем связаны сварочные деформации и остаточные напряжения, закалка наплавленного и основного металла.

    Расчет температурного поля является сложной и трудоемкой работой связанной с выполнением большого объема расчетов. Поэтому предусмотрено обязательное применение ЭВМ. В то же время расчет температуры нескольких точек должен быть предварительно выполнен вручную. Это позволяет усвоить расчетные формулы.

    В работе дается не только метод аналитического определения температурного поля, но и описание экспериментального метода исследования температурного поля.

 

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.

 

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).

 

И кривых термического поля

 

    Изотермы представляют собой замкнутые линии, точки которых имеют одинаковую температуру. Температура точки определяется с учетом начальной температуры тела Т_о

                                             (25)

Начальная температура равна температуре подогрева перед сваркой или температуре окружающей среды.

    Изотермы вычерчиваются в подвижной системе координат, различаются изотермы на верхней и нижней поверхностях пластины и в плоскости, перпендикулярной направлению движения источника теплоты. В нашем задании предусмотрено построение изотерм на верхней и нижней поверхностях рассчитываемых пластин с шагом в 100 градусов. Для определения координат точек имеющих одинаковую температуру необходимо вначале построить кривые термических циклов.

Построение кривых термических циклов осуществляется в системе координат, где:

1. по оси абсцисс откладываются значения х, по оси ординат – значения температур, при y = const;

2. по оси абсцисс откладываются значения у, оси ординат – значения температур при х = const;

По кривым термических циклов при известных координатах y определить х-ые координаты точек изотерм. Для этого на уровне заданных температур провести горизонтали. Точки пересечения горизонталей с кривыми термических циклов проектируем на ось Х. Аналогично определяем y-ые координаты по кривым распределения температур по оси Y. Полученные значения координат точек (x, y) при T=const ввести в отдельную таблицу и по этим данным построить кривые изотерм.

Изотермы на верхней и нижней поверхностях в случае отсутствия отражения теплового потока от границ тела симметричны относительно оси Х, при учете отражения теплового потока изотерма вытягивается в направлении отражающей поверхности.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Теория сварочных процессов. / Под ред. В.В. Фролова, - М.: Высшая школа, 1988 г.

2. Петров Г.Л., Тумарев А.С. Теория сварочных процессов. – М.: Высшая школа, 1877 г.

3. Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. – М.: Машгиз, 1977 г.

4. Теоретические основы сварки./ Под ред. В.В. Фролова. – М.: Высшая школа, 1870 г.

5. Расчет температурных полей в пластинах при электросварке плавлением./ А.А. Каземиров и др. – Киев. Наукова думка. 1968 г.

6. Краснощеков Е.А., Сукомел А.С. Задачник по теплопередаче. – М.: Энергия, 1968 г.

Приложение 1.
Варианты задания
№ вар.	Схемы пр. 2	Материал	δ1, мм	δ2, мм	l1, мм	l 2, мм	U, В	I, A	V, см/с	Способ сварки
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
1	а	Сталь Ст3	6	6	20	60	27	120	0,20	РДС
2	а	Сталь Ст3	6	6	20	120	27	120	0,20	РДС
3	а	Сталь 09Г2С	8	8	30	60	29	140	0,25	РДС
4	а	Сталь 09Г2С	8	8	30	120	29	140	0,25	РДС
5	а	Корр.-стойк. сталь	4	6	20	40	23	190	0,60	В среде аргона
6	а	Корр.-стойк. сталь	4	6	30	100	23	190	0,60	В среде аргона
7	б	Сталь Ст3	8	10	20	60	27	120	0,25	РДС
8	б	Сталь Ст3	8	10	30	120	27	120	0,35	РДС
9	б	Сталь 09Г2С	8	10	20	60	27	150	0,20	РДС
10	б	Сталь 09Г2С	8	8	20	120	27	150	0,20	РДС
11	б	Корр.-стойк. сталь	4	4	20	40	27	90	0,20	РДС
12	б	Корр.-стойк. сталь	6	6	15	40	27	90	0,20	РДС
13	в	Сталь Ст3	4	6	15	60	27	120	0,20	РДС
14	в	Сталь Ст3	4	12	20	60	27	120	0,20	РДС
15	в	Сталь 09Г2С	4	6	15	60	30	300	0,70	В среде СО2
16	в	Сталь 09Г2С	4	12	25	60	30	300	0,70	В среде СО2
17	в	Корр.-стойк. сталь	3	6	20	60	23	150	0,55	В среде аргона
18	в	Корр.-стойк. сталь	3	12	15	60	23	150	0,55	В среде аргона
19	г	Алюминий	2	4	20	80	22	100	0,20	В среде аргона
20	г	Алюминий	2	4	20	120	22	100	0,20	В среде аргона
21	г	Медь	2	4	15	80	22	160	0,30	РДС
22	г	Медь	2	4	20	120	22	160	0,30	РДС
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
23	г	Сталь 20	2	4	15	60	30	300	0,70	В среде СО2
24	г	Сталь 20	2	6	20	120	30	300	0,70	В среде СО2
25	г	Сталь 20	4	12	15	60	30	300	0,70	В среде СО2
26	а	Сталь Ст3	10	10	30	100	34	700	0,80	АДФ
27	а	Сталь 20	14	14	30	120	36	850	0,70	АДФ
28	а	Сталь 09Г2С	16	16	40	100	36	900	0,60	АДФ
29	а	Корр.-стойк. сталь	6	6	20	100	35	650	1,10	АДФ
30	а	Медь	4	4	30	100	35	650	1,10	АДФ
31	б	Сталь Ст3	10	8	20	80	40	300	0,90	АДФ
32	б	Сталь 20	12	10	20	100	42	320	0,90	АДФ
33	б	Сталь 09Г2С	14	12	30	100	45	380	0,90	АДФ
34	б	Корр.-стойк. сталь	8	6	20	80	30	180	1	АДФ
35	б	Медь	8	6	20	120	32	250	0,7	АДФ
36	в	Сталь Ст3	6	10	20	120	32	350	0,8	АДФ
37	в	Сталь 20	6	12	30	100	32	380	0,8	АДФ
38	в	Сталь 09Г2С	6	14	30	120	35	400	0,8	АДФ
39	в	Корр.-стойк. сталь	6	16	30	120	30	200	1	АДФ
40	в	Медь	6	18	30	120	36	350	0,7	АДФ
41	г	Сталь Ст3	6	10	20	100	32	350	0,8	АДФ
42	г	Сталь 20	6	12	25	80	34	380	0,8	АДФ
43	г	Сталь 09Г2С	6	14	30	100	35	400	0,8	АДФ
44	г	Корр.-стойк. сталь	6	14	20	120	30	200	1	АДФ
45	г	Медь	6	14	30	80	36	350	0,7	АДФ

Приложение 2

а) стыковое сварное соединение, сварка корневого,

заполняющего и облицовочного слоя;

 

б) подварочный шов;

 

в) нахлесточное соединение;

 

г) тавровое соединение.

Методические указания по выполнению лабораторных работ

по дисциплине «Теория сварочных процессов»

для студентов направления 150700.62 Машиностроение (профиль 2: оборудование и технология сварочного производства) всех форм обучения

 

Составитель:

Кусков Виктор Николаевич, д.т.н., профессор

 

 

Подписано в печать _________2012. Формат 60×90 1/16. Усл.печ.л._____

Тираж 36 экз. Заказ №_____.

 

Издательство федерального государственного бюджетного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Тюменский государственный нефтегазовый университет».

625000, Тюмень, ул. Володарского, 38.

 

Отдел оперативной полиграфии издательства.

625039, Тюмень, ул. Киевская, 52.

МиНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ государственное БЮДЖЕТНОЕ образовательное учреждение высшего профессионального образования

«тюменский государственный нефтегазовый университет»

Институт Транспорта

ТЕОРИЯ СВАРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ

Методические указания по выполнению лабораторных работ

по дисциплине «Теория сварочных процессов»

для студентов направления 150700.62 Машиностроение (профиль 2: оборудование и технология сварочного производства) всех форм обучения

 

Составитель Кусков В.Н.

 

Ответственный секретарь РИС   _____________ Сайдимова Э.Р., (подпись) «____» ____________ 2012 г.	Председатель методической комиссии ИТ ______________ Евтина Г.С.     (подпись) «____» ____________ 2012 г.
Составитель: Подписи и контактные телефоны ______________ Кусков В.Н.   (подпись)   «____» ____________ 2012 г.     тел. 20-19-31	Заведующий кафедрой «Транспорт углеводородных ресурсов» _______________ Земенков Ю.Д.     (подпись)   Протокол № __/__ от «__» ________ 2012 г.

 

 

Тюмень

ТюмГНГУ

2012

МиНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ государственное БЮДЖЕТНОЕ образовательное учреждение высшего профессионального образования

«тюменский государственный нефтегазовый университет»

Институт Транспорта

Кафедра «Транспорт углеводородных ресурсов»

 

ТЕОРИЯ СВАРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ

Методические указания по выполнению курсовой работы

по дисциплине «Теория сварочных процессов»

для студентов направления 150700.62 Машиностроение (профиль 2: оборудование и технология сварочного производства) всех форм обучения

 

Тюмень

ТюмГНГУ

2012

Утверждено редакционно-издательским советом

Тюменского государственного нефтегазового университета

Составитель: Кусков В.Н., д.т.н., профессор

©   Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Тюменский государственный нефтегазовый университет», 2012 г.

ВВЕДЕНИЕ

 

    Курсовая работа по дисциплине “Теория сварочных процессов” выполняется с целью закрепления теоретических знаний, полученных на лекционном курсе, приобретения навыков выполнения расчетов температурного поля, размеров зон термического влияния с помощью ЭВМ, исследования зависимости температурного поля от конструкции сварочного соединения, теплофизических характеристик свариваемы материалов и технологических параметров сварки.

    Температурное поле является основой для определения термического цикла нагрева и охлаждения, времени пребывания металла при температуре выше определенного значения. С температурным полем связаны сварочные деформации и остаточные напряжения, закалка наплавленного и основного металла.

    Расчет температурного поля является сложной и трудоемкой работой связанной с выполнением большого объема расчетов. Поэтому предусмотрено обязательное применение ЭВМ. В то же время расчет температуры нескольких точек должен быть предварительно выполнен вручную. Это позволяет усвоить расчетные формулы.

    В работе дается не только метод аналитического определения температурного поля, но и описание экспериментального метода исследования температурного поля.