ПРИЛОЖЕНИЕ А Пример оформления титульных листов



МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Казанский национальный исследовательский технический

Университет им. А.Н. Туполева (КНИТУ-КАИ)

Институт Авиации, наземного транспорта и энергетики

Кафедра Материаловедения, сварки и производственной безопасности

 

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

для выполнения курсовой работы по дисциплине

«Сварочные процессы и оборудование»

 

КАЗАНЬ 2021

УДК 621.791.01

 

Авторы:

Э.Р. Галимов, А.В. Беляев, Е.А. Солопова

Рецензенты:

доктор технических наук, ведущий научный сотрудник Б.А. Снигерев

доктор технических наук, профессор В.И. Астащенко

Галимов Э.Р., Беляев А.В., Солопова Е.А. Методические указания для выполнения курсовой работы по дисциплине «Сварочные процессы и оборудование». Казань, 2021. – 20 с.

 

Методические указания предназначены для студентов очного и заочного отделений, обучающихся по направлению подготовки 15.03.01 «Машиностроение», профиль «Оборудование и технология сварочного производства» и изучающих дисциплину «Сварочные процессы и оборудование».

 

Табл. 5. Ил. 7. Библиогр.: 7 назв.

 

 

УДК 621.791.01

 

 

© Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2021

© Э.Р. Галимов, А.В. Беляев,

Е.А. Солопова, 2021

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………… 4
Описание курсовой работы…………………………………………….. 7
Задание 1………………………………………………………………… 7
Задание 2………………………………………………………………… 12
Задание 3………………………………………………………………… 15
Задание 4………………………………………………………………… 16
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………… 18
ПРИЛОЖЕНИЕ А………………………………………………………. 19

ВВЕДЕНИЕ

Сварочные процессы в металле, определяющие производительность сварки и качество сварных соединений, протекают под действием тепла в условиях быстро меняющейся температуры. Пределы изменения температуры весьма широки: от минус 30 – 40° при сварке на морозе до температуры испарения металла (около 3000°C для стали). В этом промежутке температур происходят: плавление основного и присадочного металлов, металлургические реакции в жидкой ванне, кристаллизация расплавленного металла, структурные и объемные изменения в наплавленном и в основном металлах. Чтобы управлять этими процессами, необходимо знать, как влияют на них все определяющие параметры, в том числе и воздействие источников тепла, непосредственно выражающееся в изменении температуры металла.

Тепловые основы сварки – прикладная научная дисциплина, изучающая источники тепла, нагрев, охлаждение металла и их влияние на протекание перечисленных выше процессов. Тепловые основы сварки содержат данные опыта, обобщенные теорией и обосновывающие инженерный расчет нагрева и охлаждения металла, а также тепловых характеристик процессов сварки. Теория тепловых основ сварки служит одним из средств исследования сварочных процессов и изыскания способов управления ими.

При сварке металл нагревают при помощи источников тепла, распределенных различным образом по поверхности или по объему изделия, в соответствии с технологическим назначением нагрева. При сварке плавлением источники тепла должны проплавить кромки основного металла, образовать жидкую ванну, а также расплавить в нужном количестве присадочный металл. Для осуществления сварки в пластическом состоянии достаточно нагреть сдавливаемые участки поверхности металла до температуры, меньшей температуры плавления.

Как при сварке плавлением, так и при сварке в пластическом состоянии поверхности свариваемых частей металла подготовляют к осуществлению атомной или молекулярной связи путем местного нагрева до температуры, либо превышающей температуру плавления, либо несколько меньшей этой температуры.

Местный нагрев кромок свариваемого металла применяют почти при всех встречающихся на практике видах сварки (за исключением холодной сварки некоторых цветных металлов).

Для сварки металлов нашли применение следующие типы источников тепла, способные быстро и эффективно нагреть металл до заданной температуры:

а) источники, нагревающие часть поверхности металла: электрическая дуга (прямого и косвенного действия); пламя высококалорийных газов, сгорающих в струе чистого кислорода;

б) источники, выделяющие тепло в объеме изделия: электрический ток в проводнике, включенным в электрическую цепь; электрические вихревые токи, наводимые в проводнике переменным магнитным полем, энергия электрического тока выделяется в ограниченном объеме нагреваемого металла за счет местного повышения сопротивления (контактного или внутреннего) или вследствие концентрации тока.

Источники тепла, применяемые при сварке, характеризуются высокой концентрацией выделяемого тепла, необходимой для быстрого и эффективного местного нагрева металла до температуры, требуемой для сварки. На использовании тепла этих источников основаны наиболее широко применяемые способы сварки металлов – дуговая, газовая и контактная. Тепло, вводимое источником для нагрева свариваемых участков поверхности металла, распространяется по объему изделия.

Широкое применение всех видов сварки в современной промышленности требует распространения научных методов расчета сварочных процессов, в том числе методов расчета тепловых процессов при сварке, среди исследовательских и практических работников. Расчеты дают возможность оценить влияние параметров режима сварки на протекание сварочных процессов. Тепловые расчеты целесообразно применять в исследовательской работе и в технологических бюро при разработке технологических процессов сварки.

Расширяющееся применение в промышленности легированных сталей и специальных сплавов требует назначения более точного режима, обеспечивающего заданные требования к структуре зоны термического влияния и свойствам сварного соединения. Расчеты тепловых процессов обобщают данные лабораторных опытов и указывают пути их переноса на целые конструкции, сокращая тем самым срок освоения новых изделий в сварочном производстве.

Описание курсовой работы

 

Курсовая работа по дисциплине «Сварочные процессы и оборудование» выполняется в течении 6 семестра при очной форме обучения. После проверки расчетов преподавателем подлежит защите в виде ответов на вопросы. Для каждого задания даны исходные данные по вариантам, которые выбираются в соответствии с номером студента в экзаменационной ведомости.

Курсовая работа должна быть оформлена в соответствии с ГОСТ 7.32-2017. Работа включает титульные листы на русском и английском языках (представлены в приложении 1); содержание работы с указанием страниц, основной части, выводов и списка литературы.

Оформление работы: офисный редактор Microsoft Office 2003 и выше; поля – левое – 30 мм, правое – 15 мм, верхнее – 20 мм, нижнее – 20 мм; размер страницы А4 (210 × 297 мм); шрифт Times New Roman, размер основного текста 14 pt; междустрочный интервал 1,5 строки, интервал – до и после 0 пт; абзацный отступ – 1,25 см, заголовки – полужирный шрифт. Подрисуночные надписи и заголовки таблиц оформлять по ГОСТ 7.32 – 2017.

ЗАДАНИЯ

Для выполнения заданий необходимо получить у преподавателя номер варианта. В зависимости от формы обучения или номера групп количество заданий на курсовую работу может быть различным.

 

Задание 1. Листы толщиной S, мм из малоуглеродистой стали сваривают встык. По выбранному режиму сварки требуется построить температурное поле предельного состояния.

В качестве исходных данных в таблице 1 заданы сила сварочного тока Iсв, А; напряжение на дуге Uд, В; диаметр электрода dэ, мм; необходимая площадь наплавки (высота и основание), мм; толщина свариваемого листа δ, мм, зазор между листами, мм; коэффициент наплавки a н, г/А·ч.

Таблица 1 – Исходные данные для выполнения расчета по заданию 1

Параметры

Номер варианта

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Сила тока Iсв, А

90

100

115

105

130

170

150

200

180

120

Напряжение Uд, В

19

21

23

20

21

23

20

25

23

22

Толщина S, мм

3

4

5

4

4

7

7

10

8

7

Зазор, мм

1

1,5

1,5

1,5

1,5

2

2

3

2

1,5

Диаметр электрода dэл, мм

3

3

4

3

4

4

4

4

4

4

Коэффициент наплавки ан, г/А·ч

9

9

9,5

8,5

10

10

9

11

10

11,5

Высота, мм

1,3

1,5

2

1,3

2

2,5

2

3

2

2,2

Основание, мм

5,2

5,5

6

5,2

5

7

7

7

6

5,5

Параметры

Номер варианта

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

Сила тока Iсв, А

115

120

125

130

140

180

190

80

85

95

Напряжение Uд, В

21

21

20

23

21

25

23

15

16

17

Толщина S, мм

4

3

5

7

8

10

11

3,2

3,4

4

Зазор, мм

2

0,5

0,7

1

2

2,3

3

0,8

1

1,5

Диаметр электрода dэл, мм

3

3

4

4

4

4

4

3

3

3

Коэффициент наплавки ан, г/А·ч

12,5

11

12

12

11,5

10

10

12

12,5

11

Высота, мм

2

1,5

1,6

1,25

2,5

3

1,9

1,3

1,1

1,35

Основание, мм

6

5

5,4

5,5

6,5

6,3

5,1

4,6

4,9

4,8

                                     

Пояснения к выполнению. Для выполнения данного задания необходимо рассчитать вначале параметры режима сварки. Рассмотрим на конкретном примере. Листы толщиной S = 3 мм сваривают встык без скоса кромок при зазоре между листами 1 мм. Пусть применены электроды диаметром 3 мм с тонким стабилизирующим покрытием и с коэффициентом наплавки ан = 8 г/а · час. Задан ток I св = 80 А и напряжение дуги U д = 16 В. Тогда необходимая площадь наплавки с учетом усиления (высотой 1,25 мм и основанием 5,0 мм) будет равна

Fн = 3·1 + 0,75 · 5,0 · 1,25 = 3 + 4,7 = 7,7 мм2.

Скорость сварки определится из соотношения

 .

Задавшись эффективным КПД дуги η = 0,70, определим эффективную тепловую мощность дуги

 

Для построения температурного поля предельного состояния, соответствующего выбранному режиму сварки, используем схему мощного быстродвижущегося линейного источника в пластине с теплоотдачей.

Расчетные значения коэффициентов теплофизических свойств выберем для средней температуры процесса Тср = 500°C коэффициент теплопроводности λ = 0,10 кал / см · сек · °С; теплоемкость c = 0,16 кал / г · °С, удельный вес γ = 7,8 г / см3. Принимаем, что γ не зависит от T, так как расчет ведется по размерам ненагретого изделия, тогда объемная теплоемкость сγ = 0,16 · 7,8 =1,25 кал / см3 °С, коэффициент поверхностной теплоотдачи α = 8 · 10-4 кал / см2 · сек · °С, коэффициент температуропроводности , коэффициент температуроотдачи

Подставляя эти значения в уравнение предельного состояния процесса распространения тепла при нагреве пластины мощным быстродвижущимися линейным источником, получим

      (1)

Построим кривые распределения температуры поперек шва в зависимости от расстояния у0 от оси шва от 0 до 5,0 см для моментов времени t от 1 до 36 сек после прохождения центра дуги через данное сечение. Результаты расчета тем­пературы по формуле (1) сведены в таблицу 2.

 

Таблица 2 – Результаты расчета температуры*

t , сек

y0 , см

0 0,2 0,3 0,5 0,7 0,9 1,0 1,1 1,3 1,5 2,0 3,0 4,0 5,0
1 2 3 4 6 9 16 25 36 – 1350 1090 925 780 610 460 346 274 1690 – – – – – – – – 1440 1180 1005 883 740 – – – – 880 912 832 780 666 556 427 334 – 412 – – – – – – – – 153 – – – – – 408 – – 84 285 367 – 444 _ 370 304 251 21 – – 368 – – – – – – – – 254 – 345 ­– – – – 37 92 164 224 284 292 209 194 – 2,5 14 42 85 154 ­­– – – – – – 1 ­– 27 205 113 126 – – – – – 2,5 77 41,5 68 – – – – – – 3,4 15 31

* в строках знак «-» поставлен для упрощения, все значения считаются по формуле (1)

 

На рисунке 1 по оси абсцисс отложено расстояние у0 от оси шва, а по оси ординат – расчетные температуры в соответствующий момент времени t. Распределение температуры в определенные моменты времени t = const представлено плавными кривыми – изохронами температуры.

Для построения изотерм температурного поля предельного состояния откладываем на оси абсцисс расстояния – x = vt, на которые дуга, движущаяся со скоростью v, удаляется от рассматриваемого сечения за время t (рис. 2). Для выбранного режима – x = 0,3 · t. По оси ординат откладываем расстояние у0 от оси шва. Для того, чтобы найти координаты точек, лежащих в температурном поле предельного состояния на изотерме Т = const, необходимо на графике изохрон распределения температуры (рис. 1), выражающих зависимость T = T(y0) при t = const, провести прямую постоянной температуры Т = const, параллельную оси абсцисс. Абсциссы точек пересечения горизонтальной прямой постоянной температуры с изохронами распределения температур дают расстояния y0, на которых мгновенная температура равна заданной температуре Т = const в соответствующие моменты времени t.

Так, например, для нанесения на график температурного поля изотермы Т = 900° проводим на графике (рис. 1) прямую Т = 900°, которая пересекается с изохроной распределения температуры в момент t = 4 сек на расстоянии у0,4 =0,2 см, с изохроной 3 сек на расстоянии y03 = 0,4 сек, с изохроной t = 1 сек, на расстоянии y01 = 0,5 см и с изохроной t = 2 сек на расстоянии y02 = 0,51 см.

Рисунок 1 – Расчет температуры при сварке встык листов 3 мм; кривые распределения температуры по оси OY в разные моменты времени

 

На графике температурного поля (рис. 2) по оси абсцисс наносим точки, отстоящие от начала координат О соответственно на расстояниях – х1 = 0,3t = 0,3 см; 0,6 см, 0,9 см и 1,2 см. В этих точках проводим параллельные оси ординат, на которых откладываем по обе стороны отрезки, равные соответственно y01 =0,5 см, y02 = 0,51 см, y03 = 0,4 см и у01 = 0,2 см. Концы этих отрезков соединяем плавной кривой, которая и изображает изотерму Т = 900°. Аналогичным способом строят и остальные изотермы температурного поля предельного состояния.

Рисунок 2 – Расчет температуры при сварке встык листов толщиной 3 мм; мощность дуги q = 217 кал/сек, скорость сварки v = 0,3 см/сек, температурное поле предельного состояния (изотермы и кривая максимальных температур)

Задание 2. Рассчитать параметры режима многослойной сварки встык листов толщиной δ = 14 мм из стали 40Х в соответствии с исходными данными по таблице 3. Остальные параметры принять такими же, как в примере.

 

Таблица 3 – Исходные данные для выполнения расчета по заданию 2

Параметры

Номер варианта

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Толщина δ, мм 15 12 11 11 15 12 15 13 10 12
Число слоев n 5 4 5 4 6 6 5 6 6 6
Скорость сварки v, мм / сек 19 22 23 19 18 24 20 19 23 17
Коэффициент наплавки aн, г / А · ч 9 10 8 8 11 8 9 11 8 11
Напряжение U, В 22 23 22 23 22 25 25 25 24 22

Параметры

Номер варианта

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Толщина δ, мм 13 10 11 13 11 14 14 15 12 12
Число слоев n 5 4 6 6 4 6 4 6 5 6
Скорость сварки v, мм / сек 21 20 24 21 19 20 17 18 21 23
Коэффициент наплавки aн, г / А · ч 8 8 10 9 10 9 10 11 8 8
Напряжение U, В 23 23 25 22 23 24 22 22 25 22

Вначале необходимо определить общую площадь наплавки (рис. 3, а) F = 120 мм2, число слоев n = 5; площадь наплавки одного слоя F сл = 24 мм2. Пусть скорость сварки равна 0,2 см/сек, тогда для электрода УОНИ-13 с коэффициентом наплавки a н = 8 г/ А · ч, требуется ток

.

Эффективная мощность дуги при напряжении дуги U = 25 В и КПД η = 0,80 определяется

.

Расчет длины участка произведем по уравнению (2) при поправочном коэффициенте для соединения встык k з = 1,5, коэффициенте горения k г = 0,75 и начальной температуре T 0 = 20°С.

а) б)

а – схема разделки стыка листов;

б – схема укладки слоев

Рисунок 3 – К расчету режима многослойной сварки короткими участками

 

 ,                                        (2)

где k з – поправочный коэффициент, определенный из сопоставления расчетной температуры охлаждения 1-го слоя с опытной и равный 1,5 – для соединения встык, 0,9 – для соединения втавр и внахлестку и 0,8 – для крестового соединения, k г – коэффициент чистого горения дуги (или коэффициент машинного времени). Для непрерывной ручной многослойной сварки k г = 0,6 – 0,8; для автоматической многодуговой сварки k г = 1.

Температурой охлаждения Tв первого слоя называется температура, до которой успевает охладиться околошовная зона первого слоя к моменту наложения тепловой волны второго слоя.

При многослойной сварке короткими участками выделяют два основных расчетных параметра, определяющих влияние термического цикла на структуру шва:

а) температура охлаждения T в первого слоя;

б) длительность нагрева околошовной зоны выше температуры T в.

При расчете длины участка заварки 1-го слоя температуру T в охлаждения 1-го слоя принимают в соответствии с температурой T м мартенситного превращения или в соответствии с температурой вероятного образования холодных трещин.

По диаграмме изотермического распада аустенита для стали 40Х (рис. 4) температура мартенситного превращения T м близка к 300°С; принимаем T в = T м + 50 = 300 + 50 = 350 °С.

.

Рисунок 4 – Диаграмма изотермического распада аустенита стали 40Х

 

При данном режиме сварки и длине участка 186 мм (рис. 4) первый слой не охлаждается ниже 350 °С.

Задание 3.  Построить график изменения температуры в пластине на участке от x = 2 см до x = - 8 см при y = 2 см (рис. 5) при нагреве её движущимся линейным источником теплоты, когда достигнуто предельное квазистационарное состояние: q = 4000 Вт, v = 0,1 см/с, δ = 1 см, a = 0,085 см2/с; λ = 0,42 Вт/(см . К), = 4,9 Дж/(см3 . К).

Рисунок 5 – Распределение приращений температуры в сечениях, параллельных оси x, в предельном состоянии при движении линейного источника теплоты в бесконечной пластине при q = 4000 Вт, v = 0,1 см/с, δ = 1 см, a = 0,1 см2 / с; λ = 0,4 Вт / (см · К), b = 2,8 · 103 1 / с

Рисунок 6 – Коэффициенты полной теплоотдачи α и лучистого теплообмена αr листов углеродистой стали в зависимости от температуры при T = 293 K

 

Коэффициент теплоотдачи α находим по графику, приведенному на рис. 6 для T = 900 K; α = 6 . 10-3 Вт/(см2 . K). Перед вычислением определяем необходимые коэффициенты:  = 2,45 . 10-3 c-1;  = 0,612 см-1; - v/(2a) = - 0,59 см-1; q/(2πλδ) = 1515 K.

Температуры для точек x = 2; 0; - 2; - 4; - 6; - 8 см определяем по формуле (3) для предельного квазистационарного состояния, когда температура перестает изменяться по времени.

,                      (3)

где q – эффективная мощность, l - коэффициент теплопроводности, δ – толщина, v – скорость сварки, a – коэффициент температуропроводности, α – коэффициент поверхностной теплоотдачи; b – коэффициент температуроотдачи, r2 = x2 + y2 – расстояние до рассматриваемой точки, x, y – координаты, K 0 – функция Бесселя 1-го рода нулевого порядка.

Для удобства вычислений результаты вносим таблицу 4 в такой последовательности.

 

Таблица 4 – Промежуточные и окончательные результаты расчетов по формуле

x, см r, см2 - vx/(2a) Δ T, К
2 0 -2 -4 -6 -8 2,83 2 2,83 4,47 6,32 8,23 -1,18 0 +1,18 +2,36 +3,54 +4,72 0,307 1 3,25 10,59 34,46 112,2 1,73 1,22 1,73 2,73 3,87 5,03 0,1593 0,310 0,1593 0,0476 0,0129 0,00357 74 470 785 763 673 607

При больших значениях аргумента  (свыше 10) значения  можно вычислять по асимптотической формуле

Задание 4. Вычислить по данным таблицы 5 термо-ЭДС термопары с термоэлектродами из заданных материалов и построить её статическую характеристику  .

Термопарой называется чувствительный элемент, состоящий из двух электрически соединенных разнородных металлических проводников (термоэлектродов) и преобразующий значения контролируемой температуры в ЭДС. В качестве материала для термопар применяют платину, иридий, никель, нихром, константан, алюмель, копель и др. Спаянные или сваренные концы термоэлектродов помещают в среду с измеряемой температурой, а другие включают в измерительную цепь. За эталонный металл принята химически чистая платина. Значения термо-ЭДС некоторых металлов по отношению к платине приведены в таблице 5.

 

Таблица 5 – Исходные данные для выполнения задания 4

№ варианта Материал термопары Термо-ЭДС, мкВ/ ° С
1 Алюмель - 10,2
2 Вольфрам + 7,90
3 Золото + 8,00
4 Константан - 35,0
5 Копель - 40,0
6 Манганин + 8,00
7 Медь + 7,60
8 Молибден + 1,30
9 Платина 0,00
10 Платино-иридий + 13,0
11 Платино-родий + 6,46
12 Хромель + 31,3

 

Для стабильных показаний термопары необходимо, чтобы температура ее холодных спаев была постоянной (поддерживают термостатированием), иначе необходимо вводить соответствующие поправки. Термопары платинородий- платина предназначены для измерения температур 300...1600°С, хромель-копель – до 800°С, хромель-алюмель – до 1300°С.

Для выполнения задания необходимо вычислить термо-ЭДС. Рассмотрим на примере характеристик термопары «платиноиридий-платина»:

 .

Далее, принимая температуру холодных спаев термопары за 0°С, построим зависимость  (рис. 7).

Рисунок 7 – Статическая характеристика термопары

 

В сварочном производстве термопары нашли широкое распространение для измерения температур шлаковой и металлической ванн, околошовной зоны. Их достоинства – возможность измерения широкого диапазона температур, простота устройства; недостатки – невысокая чувствительность, приводящая к усложнению измерительных схем, инерционность, наличие контакта с измеряемой средой, необходимость поддержания постоянной температуры холодных спаев.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Козловский С.Н. Введение в сварочные технологии: учебное пособие. – СПб.: Издательство «Лань», 2011. – 416 с.

2. Федосов С.А., Оськин И.Э. Основы технологии сварки: учебное пособие. – М.: Машиностроение, 2011. – 125 с.

3. Коновалов А.В., Куркин А.С., Неровный Э.Л., Якушин Б.Ф. Теория сварочных процессов: Учебник для вузов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. – 752 с.

4. Волченко В.Н., Ямпольский В.М., Винокуров В.А. и др. Теория сварочных процессов: Учебник для вузов по специальности «Оборудование и технология сварочного производства». – М.: Высшая школа, 1988. – 559 с.

5. Петров Г.Л., Тумарев А.С. Теория сварочных процессов (с основами физической химии): Учебник для вузов. – М.: Высшая школа, 1977. – 392 с.

6. Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. – М.: Изд-во Машиностроительной литературы, 1951. – 297 с.

7. Линевег Ф. Измерение температур в технике: Справочник. – М.: Металлургия, 1980. – 544 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ А Пример оформления титульных листов

 

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ


Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 128; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!