Определение ширины зоны, нагретой выше заданной температуры с использованием схемы мощного быстродвижущегося источника теплоты

Расчет режимов аргонодуговой сварки листов

Исходные данные: 31345221

Материал – Титан;

Толщина –2 мм.

Теплофизические свойства материала:[1]

Температура плавления –Т_пл=1660°С=1933К ;

Плотность – ;

Удельная теплоемкость – ;

Коэффициент теплопроводности – ;

Коэффициент температуропроводности – ;

Скрытая теплота плавления – ;

Эффективный КПД дуги – [1];

Геометрию шва условно примем как показано на рисунке 1. Соответственно площадь шва будет равна площади полуокружности, радиус которой равен толщине пластины.

Рисунок 1 - Геометрия сварного шва

В инженерной практике часто возникает необходимость расчетного определения температурно-временных параметров сварочных термических циклов в различных зонах изделия, размеров зон нагрева, скоростей нагрева и охлаждения и т.п. Решение таких задач позволяет получать численные оценки с приемлемой для практических целей точностью.

Для трёх значений скорости сварки рассчитаем значения сварочного тока.

,

(1.1)

где -эффективная мощность дуги, Вт;

-напряжение на дуге.

Согласно [4] ориентировочные режимы механизированной аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом стыковых соединений титана и его сплавов :

Таблица 1 – Ориентировочные режимы сварки

δ, мм	l, мм	I, А	υ, м/ч
	1,2-1,5	100-150	25-40

Но при указанных напряжении и длине дуги получить форму проплавления, как на рисунке 1, не представляется возможным. Оптимальным значением длины дуги будет 3 мм (установлено на лабораторном практикуме), а напряжение согласно этому – 12 В.

,

(1.2)

где – полезная мощность, затрачиваемая дугой на проплавление изделия;

– термический КПД.

Для схемы линейного источника в неограниченной тонкой пластине толщиной δ термический КПД зависит от коэффициента ε₂.

,

(1.3)

где δ-толщина пластины,

– теплосодержание единицы объема расплавленного металла,

Дж/см³

;	(1.4)
,	(1.5)

где – начальная температура ,

Т₀=20°С;

Т_пер – температура перегрева металла в сварочной ванне, обычно:

(1.6)

,

Эффективная мощность дуги:

;

(1.7)

Согласно [4] для её расчёта примем:

I=125 А;

U=12 В.

.

По графику, приведенному в [1] определяем термический КПД:

.

Полезная мощность:

,

(1.8)

– площадь проплавления,

;

Теперь для каждого значения скорости сварки можно определить Р_пр , Р_и и силу тока.

Для υ=10 м/ч:

.

.

.

Для υ=20 м/ч:

.

.

.

Для υ=30 м/ч:

.

.

.

Определение ширины зоны, нагретой выше заданной температуры с использованием схемы мощного быстродвижущегося источника теплоты

1) Т=Т_пл=1660 °С;

2) Т=Т_пл/2=830 °С;

3) Т=Т_пл/3=553 °С;

Способ №1

Если пренебречь теплоотдачей, то для быстродвижущегося линейного источника теплоты в пластине выражение расчета ширины зоны нагрева будет выглядеть так:

,

(2.1)

где q=P_и – эффективная мощность источника

Т – заданная температура

Возьмем для расчёта υ=30 м/ч. Теоретически ширина зоны проплавления будет одинаковой для любой из заданных скоростей сварки.

1) Для температуры Т=Т_пл=1660 °С;

.

2) Для температурыТ=Т_пл/2=830 °С;

.

3) Для температуры Т=Т_пл/3=553 °С;

.

Способ №2

На рисунке 2 показана номограмма для определения ширины зоны нагрева при сварке пластины линейным источником(пренебрегая теплоотдачей)

Рисунок 2 - Номограмма для определения ширины зоны нагрева движущимся источником тепла[3]

Найдем значение выражения, представленного на оси ординат для всех случаев:

;

;

;

Значениям этих выражений на номограмме соответствуют значения , равные соответственно:

;

;

;

Отсюда найдём ширину зоны нагрева :

;

;

.

3 Определение максимальной температуры, которая достигается на расстоянии L=y от оси шва

;

;

.

Формула для вычисления максимальной температуры при действии быстродвижущегося линейного источника теплоты в бесконечной пластине с теплоотдачей.(b=0)

(3.1)

Для :

.

Для :

.

Для :

.