Основы физической химии и тепловые процессы при сварке

расчет параметров режима дуговой сварки
Сталь 10ХСНД является низколегированной конструкционной сталью. Углеродистые и низколегированные конструкционные стали сваривают специальными кремнемарганцовистыми и хромомарганцекремнистыми проволоками.
Для сварки в углекислом газе стали 10ХСНД рекомендуется использовать электродную проволоку Св-08Г2С.
Поэтому для заданной толщины свариваемого металла 6 мм выбираем сварочную проволоку диаметром 1,2 мм.
Силу сварочного тока определяют по формуле:
I_св=(πd_э^2 а)/4, (1)
где а – плотность тока в электродной проволоке, А/мм2 (при сварке в СО2 а=110 ÷ 130 А/мм2; dЭ – диаметр электродной проволоки, мм.
I_св=(3,14*〖1,2〗^2*120)/4=136 А
Полученное значение имеет разброс ±10%. Округление получаем:
Iсв=122 … 150 А
Напряжение дуги выбирается в зависимости от силы сварочного тока. В нашем случае
U_д=20
Полученное значение имеет разброс ±10%. Округление получаем:
Uд=18…22 В
Еще одним параметром сварки является скорость сварки. Для сварки полуавтоматом скорость сварки рассчитывается по формуле:
v_св=(a_H*I_св)/(100*F_В*ρ) , (2)
где αН — коэффициент наплавки, г/А ч;
a_H=a_p*(1-ψ), где Ψ — коэффициент потерь металла на угар и разбрызгивание, αР – коэффициент расплавления проволоки, г/А ч; значение αР рассчитывается по формуле: a_p=3.0+0.08*I_св/d_э . При сварке в СО2 Ψ = 0,1- 0.15; FB — площадь поперечного сечения одного валика, см2. При наплавке в СО2 принимается равным 0,3 — 0,7 см2. ρ – плотность металла электродной проволоки, г/см3 (для стали ρ =7,8 г/см3).
a_p=3.0+0.08*136/1,2=12, a_H=12*(1-0.125)=10.5
v_св=(10.5*136)/(100*0,5*7,8)=16 м/ч=0,4 см/с
Расчет распределения температур вдоль оси шва и на некотором отдалении от нее
Для полуавтоматической сварки выбираем линейный источник постоянной мощности, движущейся прямолинейно с постоянной скоростью в пластине (ПЛИ). Уравнение предельного состояния процесса распространения тепла, отнесенное к подвижной системе координат, имеет вид:
T(r,x)=q_эф/2πλδ e^((-(v_св x)/2а))∙K_0 (U) (3)
q_эф=Ƞ_(u )∙I∙U_(д )=0,7∙136∙20=1904-эффективная тепловая мощность источника,Дж/с
Ƞu=0,7-кпд сварки;
I – сила сварочного тока, А;
Uд–значение напряжения на дуге при сварке, В;
r–плоский радиус-вектор элемента подвижного поля (для пластины) от начала координат;
δ=0,6 – толщина свариваемых листов, см;
Vсв – скорость сварки, см/с;
α=0,001–коэффициент теплоотдачи, Дж/(с^2∙℃∙с);
ƛ =0,4 коэффициент теплопроводности, Дж/(с^2∙℃∙с);
K0 (U)–функция Бесселя от мнимого аргумента второго рода нулевого порядка, табличная величина.
U=r∙√(〖v_св〗^2/(4a^2 )+b/a) (4)
a=0,08–коэффициент температуроотдачи пластины, с^(-1);
r=x2+y2
b=2α/(cp∙δ)=(2*0,001)/(5*0,6)=0,00067 с^(-1);
cp=5 – объемная теплоемкость металла, Дж/(с^2∙℃∙с);
Если U<10, то значение функции Бесселя можно взять из таблицы, если U>10, то значение функции Бесселя можно приближенно вычислить по формуле:
K0 (U)=e^(-u) √(π/2U)(1-1/(8∙U)) (5)
 
Рассчитаем значения температур при y=0:
R(-16)=√(x^2+y^2 )=√(〖-16〗^2+0^2 )=16;
R(-10)=√(x^2+y^2 )=√(〖-10〗^2+0^2 )=10;
R(-6)=√(x^2+y^2 )=√(〖-6〗^2+0^2 )=6;
R(-4)=√(x^2+y^2 )=√(〖-4〗^2+0^2 )=4;
R(-3)=√(x^2+y^2 )=√(〖-3〗^2+0^2 )=3;
R(-2)=√(x^2+y^2 )=√(〖-2〗^2+0^2 )=2;
R(-1)=√(x^2+y^2 )=√(〖-1〗^2+0^2 )=1;
R(0)=√(x^2+y^2 )=√(0^2+0^2 )=0;
R(0,5)=√(x^2+y^2 )=√(〖0,5〗^2+0^2 )=0,5;
R(1)=√(x^2+y^2 )=√(1^2+0^2 )=1;
R(2)=√(x^2+y^2 )=√(2^2+0^2 )=2.
Рассчитаем значения (v_св x)/2а и e^((-(v_св x)/2а)) при разных значениях х:
При х=-16: (v_св x)/2а=(0,4*(-16))/(2*0,08) = -40 ; e^((-(v_св x)/2а))=2,3∙〖10〗^17;
При х=-10: (v_св x)/2а=-25 ; e^((-(v_св x)/2а))=7,2∙〖10〗^10;
При х=-6: (v_св x)/2а=-15 ; e^((-(v_св x)/2а))=3,3∙〖10〗^6;
При х=-4: (v_св x)/2а=-10 ; e^((-(v_св x)/2а))=2,2∙〖10〗^4;
При х=-3: (v_св x)/2а=-7,5 ; e^((-(v_св x)/2а))=1808;
При х=-2: (v_св x)/2а=-5 ; e^((-(v_св x)/2а))=148,4;
При х=-1: (v_св x)/2а=-2,5 ; e^((-(v_св x)/2а))=12,18;
При х=0: (v_св x)/2а 0 ; e^((-(v_св x)/2а))=1;
При х=0,5: (v_св x)/2а=1,25 ; e^((-(v_св x)/2а))=0,287;
При х=1: (v_св x)/2а=2,5; e^((-(v_св x)/2а))=0,082;
При х=2: (v_св x)/2а=5; e^((-(v_св x)/2а))=0,007.