Расчет параметров термического цикла сварки.

Термический цикл сварки характеризуется следующими параметрами: максимальная температура ТT,скорости нагрева и охлаждения, длительность пребывания металла tн выше заданной температуры (рис. 1).

цикл сварки характеризуется следующими параметрами
Рис. 1 — Термический цикл сварки

Структурное состояние металла в различных зонах сварного соединения определяется такими параметрами термического цикла, как ТT, tн (размер зерна), а также скоростью охлаждения w0 в интервале температур минимальной устойчивости аустенита мартенситных сталей (степень закалки).

Если известна зависимость температуры от времени T=T(t) или от расстояния, например T=T(x), закономерность изменения максимальной температуры может быть определена из условия

dT/dt=0~~~~и л и~~~~dT/dx=0.

Для точечного источника теплоты на поверхности массивного тела получаем

T_т-T_н={2q}/{pi evc rho {r_0}^2}.~~~(1)

Для линейного источника в пластине

T_т-T_н=q/{sqrt{2 pi e} vc rho delta {y_0}^2} (1-{b{y_0}^2}/{2a}).~~~(2)

В формулах (1) и (12) Тн — начальная температура изделия или температура предварительного подогрева (рис. 1) и

{r_0}^2={y_0}^2+{z_0}^2 .

Мгновенная скорость охлаждения w0 при данной температуре является производной температуры по времени

w_0=dT/dt.

Скорость охлаждения зависит от формы изделия, уменьшается при увеличении эффективной погонной энергии q/v и температуры подогрева Tи, а также при уменьшении толщины листа δ.

При дуговой наплавке валика на массивное тело

w_0=-{2 pi lambda (T-T_н)^2}/{q/v}.~~~(3)

При сварке листов встык или при наплавке валика на лист малой толщины
w_0={2 pi lambda c rho (T-T_н)^3}/(q/{v delta})^2 .~~~(4)

В случае расчетной схемы точечного источника на поверхности плоского слоя

w_0=-w {2 pi lambda (T-T_н)}/{q/{v delta}} .~~~(5)

где w — коэффициент, определяемый по номограмме (рис. 2) в зависимости от величины критерия
1/theta={{2q}/v}/{pi delta^2 c rho (T-T_н)} .~~~~(6)

Температурное поле при наплавке на массивное тело
Рис. 2 — Номограмма для определения критерия 1/θ

Длительность пребывания металла tн выше некоторой температуры Т рассчитывается по следующим формулам:

  • в случае 3-х мерного температурного поля при наплавке на массивное тело
    t_{3н}={tau_{3н}/{4 pi e}}*{{2q}/{v lambda (T_т-T_н)}} ;~~~(7)
  • в случае 2-х мерного температурного поля при однопроходной сварке листов
    t_{2н}={tau_{2 н}/{64 pi e}}* {8/{lambda c rho}} delim{[}{q/{v delta (T_т-T_н)}}{]}^2 .~~~(8)

Коэффициенты τ/4πе и τ/64πе определяются по номограмме (рис. 3) в зависимости от безразмерного критерия Т-Тнтн

При однопроходной сварке листов
Рис. 3 — Номограмма для определения длительности нагрева tн:
а — при τн≥0,2; б — при τн < 0,2

Многослойная сварка.

Термический цикл при многослойной сварке зависит от длины очередного слоя (участка).

При сварке длинными участками (0,5÷1 м) наибольшую скорость охлаждения испытывает металл первого слоя. Последующие слои укладываются, как правило, на металл, подогретый предыдущими слоями.

Для расчета скорости охлаждения первого слоя при сварке соединений различного типа (рис. 4) применяется схема наплавки валика на плоский слой (рис. 4, а). Скорость охлаждения определяется по формуле (4). При этом в качестве q/v и δ в формулы (4) и (5) подставляются величины (q/v)расч и δрасч (рис. 4).

Для расчета скорости охлаждения первого слоя при сварке соединений различного типа
Рис. 4 — Значение расчетной толщины δрасч и расчетной погонной энергии (q/v)расч

Скорость охлаждения первого слоя уменьшается с ростом погонной энергии и особенно эффективно с увеличением температуры подогрева.

При многослойной сварке короткими участками (40—400 мм) термический цикл должен обеспечить пребывание металла выше заданной температуры, а также умеренную скорость охлаждения ниже этой температуры.

Параметры режима сварки короткими участками:
q/v — погонная энергия сварки слоя зависит от сечения наплавляемого за один проход металла;
l — длина участка;
Тн — температура подогрева.

Режим сварки короткими участками выбирается из условия, чтобы температура шва и околошовной зоны Тв к моменту укладки второго слоя находилась в нижнем субкритическом интервале (от температуры наименьшей устойчивости аустенита до температуры Тм начала мартенситного превращения). При этом длительность пребывания околошовной зоны tв выше температуры Тв должна обеспечить оптимальные условия распада аустенита в пластичный игольчатый троостит.

Температуру Тв часто принимают на 50 К выше температуры Тм (470—620 К для перлитных сталей).

Для расчета температуры Тв до которой охлаждается первый слой, принимается схема мгновенного выделения теплоты на завариваемом участке l (рис. 5). По схеме линейного быстродвижущегося источника теплоты в пластине температура точек, расположенных на оси шва:

T-T_н=q/{v delta sqrt{4 pi lambda c rho t}} .~~~(9)

Рис. 5 — Расчетная схема при сварке короткими участками

Длительность охлаждения первого слоя до температуры Тв равна

t_в=q^2/{4 pi lambda c rho delta^2 v^2 (T_в-T_н)^2} .~~~(10)

К моменту времени tв должен быть уложен следующий слой. С учетом времени чистого горения дуги tr=l/v и времени перерывов tп между укладками отдельных слоев время сварки одного слоя

t_c=t_r +t_п .

Длина завариваемого участка, обеспечивающая к началу сварки второго слоя температуру первого слоя выше Тв:

l=t_r v=k_r t_c v ,~~~(11)

где kr=trtcv — коэффициент чистого горения дуги.
kr=1 для автоматической многодуговой сварки и kr=0,6÷0,8 для ручной многослойной сварки.

С учетом (10) и принимая tc=tв

l={{k_3}^2 k_r q^2}/{4 pi lambda c rho delta^2 v (T_в-T_н)^2} ,~~~(12)

где kз — поправочный коэффициент, учитывающий тип сварного соединения.

Коэффициент kз равен:

  • 1,5 (соединение встык);
  • 0,9 (соединения тавровое и внахлестку);
  • 0,8 (крестовое соединение).

Длительность tв нагрева околошовной зоны выше температуры Тв определяют по номограммам (рис. 6) в зависимости от безразмерных параметров btc, ρ1, θ.

Длительность нагрева при сварке
Рис. 6 — Номограммы для определения длительности нагрева при сварке короткими участками:
а — ρ1=0; б — ρ1=0,1; в — ρ1=0,2

Общая длительность сварки n слоев

t_c={ln}/{vk_r} .~~~~(13)

Безразмерное расстояние до рассматриваемой точки околошовной зоны

rho_1=delim{|}{y}{|} sqrt{b/a} ,~~~~(14)

где |y| — расчетное расстояние околошовной зоны от источника (для стыковых швов — полуширина разделки поверху, для угловых швов — половина длины катета шва).

Безразмерный параметр

theta={2 lambda delta l}/{k_r k_q q} (T_в-T_н) sqrt{b/a} ,~~~(15)

где kq — коэффициент приведения мощности дуги, равный 1,0 для стыкового, 0,67 для таврового и нахлесточного и 0,6 для крестового соединения.

Коэффициент поверхностной температуроотдачи расчетного стержня сечением F=δl

b={2 alpha}/{c rho delta_{п р}} ,

где δпр=2F/р (р/2 — половина периметра).

Продолжительность пребывания околошовной зоны последнего слоя выше температуры Тв определяют приближенно по формуле

t_{в п} approx t_в -(t_c-l/{vk_r}) .~~~(16)

Длительность нагрева выше заданной температуры тем больше, чем больше поперечное сечение шва.






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.