Справочные данные и примеры расчетов сварного шва.

Теплофизические коэффициенты металлов зависят от температуры. При инженерных расчетах применяются усредненные значения коэффициентов для некоторой температуры Tср.

В табл. 1 приведены теплофизические коэффициенты для ряда металлов.

Таблица 1. Значения теплофизических коэффициентов
Материал Tср, K cρ, МДж/(м3*К) λ, Вт/(м*К) a*104, м2
Низкоуглеродистые и низколегированные стали 500 - 600 5 - 5,24 37,7 - 41,9 0,075 - 0,09
Аустенитные стали 600 4,73 - 4,8 25 - 33,5 0,053 - 0,07
Медь 400 3,85 - 4 368 - 377 0,95 - 0,96
Латунь 350 - 400 3,47 117 0,34
Алюминий 300 2,72 272 1
Технический титан 700 2,85 16,8 0,06

Ниже приведены для разных температур значения коэффициента полной теплоотдачи вертикальных листов из углеродистой стали:

T, K 400 600 800 1000 1200 1400 1600
α, Дж/(мм2*с*К) 0,2 0,3 0,6 0,9 1,3 1,9 2,8

Примеры расчета.

Задача 1. Пластины из низколегированной мартенситной стали толщиной 10 мм сваривают встык дуговой сваркой под флюсом. Режим сварки: ток I=220 А; напряжение дуги U=36 В; скорость сварки v=22 м/ч =0,006 м/с; начальная температура Tн —273 К

Определить в подвижной системе координат температуру точки зоны термического влияния с координатами относительно движущегося источника х = 0,2 м; y = 0,02 м.

Решение. Эффективный к. п. д. источника η = 0,8. По табл. 1 принимаем а = 0,08*10-4 м2/с; λ = 40 Вт/м*К; cρ = 5*106Дж/м3

Для Tср = 800 К коэффициент а = 60 Вт/м2К. Эффективная мощность дуги.

q = 0,8*220*36 = 6340 В т

Коэффициент поверхностной температуроотдачи

b = {{2*60} / {5*10^6*0,01}} = 2,4*10^{-3} 1/c

Время, за которое источник проходит расстояние х = 0,2 м,

t = -{x/v} = -{0,2/0,06} = 33,3 c

Приращение температуры точек определяем по формуле (2.16).В точке зоны термического влияния, (y = 0,02 м)

Delta T = 6340/{0,006*0,01 sqrt{4*3,14*40*5*10^6*33,3}} exp {({{-0,02^2} / {4*0,08*10^-4*33,3}} - 2,4*10^{-3}*33,3)}=
= 372 exp (-0,37 -0,08) = 372*0,638 = 237 K

Температура точки зоны термического влияния

T = Delta T + T_н = 237 K + 237 K = 510 K

Задача 2. Для условия примера 1 определить максимальную температуру и скорость охлаждения при T=773 К в точке зоны термического влияния с координатой у = 0,01 м

Из условия, что максимально допустимая скорость охлаждения для этой стали равна 10 К/с, произвести корректировку режима сварки в случае, если скорость охлаждения окажется выше допустимой.

Приращение максимальной температуры

T_т - T_н = 6340 / {sqrt{2*3,14*2,72}*0,006*5*10^6*0,01*0,01} (1 - {2,4*10^-3*0,01^2} / {2*0,08*10^-4}) = 505 K

Максимальная температура Tт = 505 К + 273 К = 778 К.

Скорость охлаждения

omega_o = {2*3,14*40*5*10^6(773 - 273)^3} / {({6340 / {0,006*0,01}})}^2 = 14 K/c

Скорость охлаждения оказалась выше допустимой, равной 10 К/с.Уменьшить скорость охлаждения можно за счет увеличения температуры (введение подогрева) или за счет уменьшения погонной энергии сварки. Определение температуры подогрева.

(T - T_н)^3 = {omega_o (q / {v delta})^2} / {2 pi lambda c rho} = {10 (6340 / {0,006*0,01})^2} / {2*3,14*40*5*10^6} = 89*10^6 K^3

Откуда T - Tн1 = 446 К.

Для уменьшения скорости охлаждения с 14 К/с до 10 К/с необходим подогрев Tп = 773 — 273 — 446 = 54 К.

Определение погонной энергии сварки. Требуемая погонная энергия, обеспечивающая скорость охлаждения 10 К/с, равна

q / v = delta sqrt{{2 pi lambda c rho(T - T_o)^3} / omega_o} = 0,01 sqrt{{2*3,14*40*5*10^6(773 - 237)^3} / 10} = 1,25*10^6 {Д ж} / м

В примере q/v= 6340/0.006 = 1,06 * 106 . Погонную энергию сварки можно увеличить с 1,06 * 106 до 1,25- 106 Дж/м за счет увеличения тока с 220 А до 260 А или за счет снижения скорости сварки с 22 м/ч до 10 м/ч.

Задача 3. Пластины из стали 40Х толщиной 10 мм сваривают встык многослойным швом короткими участками.

Режим сварки: ток I=180 А, напряжение дуги U=24 В, скорость сварки v = 2 мм/с; эффективный к. п. д. η = 0,8. Начальная температура Tн=290 К.

Определить длину завариваемого короткого участка с учетом того, что температура мартенситного превращения стали 40Х близка к 570 К.

Теплофизические коэффициенты принимаем, как в примере 1.

Температура охлаждения первого слоя

T_в = T_м + 50 = 570 + 50 = 620 K

Эффективная мощность дуги

q = 0,8*180*24 = 3480 {Д ж} / с

Поправочный коэффициент для стыкового соединения k3=1,5; коэффициент горения дуги kr=0,75. Длину участка, при которой первый слой не охлаждается ниже 620 К.

l = {1,5^2*0,75*3480^2} / {4*3,14*40*5*10^6*0,018^2*0,002(620 - 290)^2} = 0,11 м = 110 м м






Навигация
Болты
Винты, шпильки, штифты, прокладки
Пружины
Заклепки
Шпонки
Гайки
Резьба
Валы
Муфты
Подшипники
Виды соединений
Передачи
Материал
Дополнительные материалы
Госты метизов
Сварка
Мы в соцсетях
podshipniki.moscow применяемость подшипников
Сортовой металлопрокат: str-steel.ru в Москве с доставкой.