Проектирование сварного резервуара объемом 5000м3 и расчёт термических циклов при наплавке на сталь С345К

-Четыре подающих ролика

-Термозащита

-Возможность подключения блока водяного охлаждения

-2-х и 4-х тактный режимы работы

-Функция форсирования дуги

-Продувка газа до и после сварки

-Функция мягкого старта

- Возможность сварки  электродами с целлюлозным покрытием

Технические характеристики представлены в таблице 15.

 

Таблица 15 – Технические характеристики полуавтомата KEMPPI FastMig Basic KM 300 [23]

Напряжение питающей сети, В	3~400±(15-20)%
Частота питающей сети, Гц	50/60
Потребляемый ток, А	31
Потребляемая мощность, кВт	12,9
Напряжение холостого хода, В	65
Диапазон регулирования  сварочного напряжения, В	10-37
Диапазон регулирования  сварочного тока, А	20-300
Скорость подачи сварочной  проволоки, м/мин	0-25
Сварочный ток, А при ПВ 100%	300А/29В
КПД	0,87
Коэффициент мощности	0,9
Вид охлаждения	Воздушное
Габаритные размеры  источника питания, мм	590x230x430
Габаритные размеры  подающего механизма, мм	490x200x325
Масса, кг	34

 

 

3. Расчет термических циклов

 

3.1 Расчёт теплофизических коэффициентов

 

Важнейшими  теплофизическими характеристиками, определяющими закономерность поведения металлов при сварке, являются объемная теплоемкость сγ, теплопроводность λ, температуропроводность а, удельное электросопротивление р.

Коэффициент теплопроводности λ, Вт/см К определяет количество теплоты в Дж, которое проходит в 1 с через площадь поперечного сечения металла 1 см² при градиенте (перепаде температур) 1 К/см.

Объёмная  теплоёмкость сγ, Дж/см²К определяет количество теплоты и Дж, которое необходимо для нагревания 1 см² металла на 1К.

Коэффициент температуропроводности а, см²/с выражает скорость выравнивания температуры и связан с предыдущими коэффициентами соотношением а= λ/ сγ.

Знание их температурной зависимости необходимо для решения на персональном компьютере ряда задач, связанных с оптимизацией технологии сварки цветных металлов микроэлектронике, ядерной энергетике и других современных отраслях промышленности.

Нелинейность  температурной зависимости теплофизических  коэффициентов учитывается только при численных методах расчёта.

Поэтому предпочтение следует отдать более простым методам линейным зависимостям, которые можно использовать не только при численных, но и при аналитических методах расчёта.

Для расчета  тепловых процессов при сварке принимаются осредненные значения теплофизических коэффициентов: теплопроводности λ, объемной теплоемкости сγ, температуропроводности а и полной поверхностной теплоотдачи а в диапазоне температур Т_ср, характерном для рассматриваемого процесса.

Анализ этих данных показал, что значения теплофизических коэффициентов находятся в тесной корреляционной зависимости от суммарной атомной доли легирующих элементов в стали.

Для конкретной марки стали осредненные значения теплофизических коэффициентов можно рассчитать в зависимости от содержания легирующих элементов по следующим уравнениям:

           ,                                                                     [6],                                                           (40)

 

где σ – суммарная атомная доля легирующих элементов;

C, Ni, Co, Cu, W, Mn, Si, Ai, Cr, V, Ti, Mo, Nb, Zn – массовая доля легирующих элементов, %.

;

, где   λ – коэффициент теплопроводности, Вт/см К [10]                        (41)

= 0,36852  Вт/см К;

, где   сγ – объёмная теплоёмкость, Дж/см²К [10]                                   (42)

= 5,03333 Дж/см²К;

, где   а – температуропроводность, см²/с [10]                                                         (43)

= 0,073215  см²/с.

Температура плавления  сталей определяется температурой ликвидус, которая может быть рассчитана в  зависимости от легирующих элементов  по уравнению:

                                                                                                                 [10]                           (44)

= 1508 ˚C

Принимаем за расчётную  Т_л=1500˚C.

Полную поверхность  теплоотдачи  α, Вт/см² К можем рассчитать по уравнению:

, [10]                                                                                                          (45)

= 0,0063914 Вт/см² К

 

3.2 Расчёт эффективной тепловой мощности сварочной дуги

Мощность  , которая затрачивается на нагрев и плавление изделия (основного материала), называется эффективной тепловой мощностью нагрева изделия сварочной дугой или кратко эффективной тепловой мощностью сварочной дуги. Отношение эффективной тепловой мощности сварочной дуги к полной её мощности называется эффективным КПД нагрева изделия сварочной дугой или просто эффективным КПД сварочной дуги:

 [7,8]                                                                                                                    (46)

Эффективный КПД  η_и  нагрева изделия сварочной дугой показывает какая часть полной мощности дуги затрачивается на нагрев и плавление изделия (основного металла). Определяется экспериментально колориметрическим методом и выбирается в зависимости от вида дуговой сварки (таблица 3.4.[6]).

Определив значение эффективного КПД, можно рассчитать эффективную тепловую мощность сварочной  дуги  q_и , Вт,  по формуле:

,                                                                                                                       (47)

где - сварочный ток, А, - напряжение дуги, В;

-эффективный КПД нагрева изделия  =0,875 (по таблице 3.4 для автоматической дуговой сварки под флюсом)

 = 29400 Вт.

 

3.3 Выбор расчетной схемы

 

Расчет нагрева  и охлаждения металла при сварке начинают с выбора расчетной схемы (схемы нагреваемого тела и схемы источника теплоты).

При выборе схемы нагреваемого тела учитывают форму и размеры изделия, теплофизические свойства материала, условия теплообмена поверхности 

изделия с  окружающей средой и другие факторы, а при определении схемы 

источника теплоты  -  эффективную тепловую мощность, распределение теплового потока, длительность действия,  скорость движения и т.д.

Очень важно  при выборе этих схем учесть все  основные факторы, особенности процесса, обеспечивающие необходимую точность расчёта. С другой стороны, чтобы упростить расчетную схему и снизить трудоемкость расчёта, следует пренебречь всеми второстепенными факторами, не приходящими к большим погрешностям.

Распространение теплоты зависит от формы и  размеров наплавляемых 
изделий. Точный   учёт   конфигурации   тела   может   привести   к   таким усложнениям расчёта, что его практическое использование окажется 
затруднительным. Поэтому во всех случаях, когда пренебрежение 
второстепенными особенностями формы изделия не приводит к большим 
погрешностям расчёта, целесообразно упрощать формы рассматриваемых изделий, сводя к простейшим. Грамотное применение такой схематизации должно основываться на чётком понимании физической сущности процесса в целом.

Обычно при  наплавке на массивное изделие, схематизируя его сложную форму и размеры, принимают схему полубесконечного тела.

Это когда  максимальная температура на нижней поверхности не превышает 10 % от Тл (температуры плавления) на верхней поверхности металла в зоне действия сварочной дуги. Можно пренебречь ограниченностью металла по толщине и принять схему полубесконечного тела (ПТ). Другими словами, полубесконечное тело представляет собой массивное изделие с ограничивающей плоскостью Z=0. Остальные поверхности находятся на значительном удаление и не влияют на распространение теплоты. Поток теплоты в этом случае - пространственный. Ошибка от пренебрежения ограниченностью размеров области распространения теплоты тем меньше, чем больше размеры изделия, чем короче расчётная продолжительность процесса распространения теплоты (т.е. суммарная длительность нагрева и охлаждения), чем ближе к источнику теплоты зона расчётных температур и чем ниже коэффициент температуропроводности металла.

Теплоотдачей  с поверхности полубесконечного тела можно пренебречь, принять ее адиабатической, так как распределение теплоты в массивном изделии в основном зависит от распространения ее путем теплопроводности вглубь тела, а не от поверхностной теплоотдачи. Теплоотдача с поверхности безусловно оказывает некоторое (малое) влияние на распределение температуры, но не является существенным фактором и ею можно пренебречь.

При выборе схемы  источника теплоты используется принцип местного влияния, который устанавливает, что температурное поле зависит существенным образом от характера распределения источника теплоты лишь на расстояниях одного порядка с размерами области, занятой источником. В области, удаленной от источника, температурное поле практически не изменяется, если заменить распределенный источник теплоты сосредоточенным источником равной мощности, который приложен в центре нагрева.

Вблизи дуги температурное поле в изделии  любой формы и размеров является пространственным и определяется характером распределения теплоты дуги. Размеры области пространственного распределения имеет один порядок с размерами дугового пятна в массивных изделиях. Вдали от дуги температурное поле определяется формой изделия, т.е. в массивном изделии поле является пространственным.

В соответствии с принципом местного влияния  при распространении теплоты в области, не слишком близкой к пятну сварочной дуги, можно пренебречь распределением поверхностной плотности теплового потока и принять схему сосредоточенного источника теплоты. Схему источника выбирают в соответствии со схемой теплопроводящего тела. При наплавке валика на поверхность массивного изделия (толстого листа) источник считается сосредоточенным в точке- центре дугового пятна нагрева.

В зависимости  от времени действия точечный источник теплоты нл поверхности полубесконечного тела может быть мгновенным или непрерывно действующим. По скорости перемещения непрерывно действующие источники теплоты могут быть неподвижными, движущимися и быстродвижущимися.

В работах  реализована методика определения  расчетной схемы с использованием количественных критериев Е, έ₂, έ _з и др.

 Для обоснования  выбора схемы нагреваемого тела введен критерий Е=10Т_м/Т_л, где              Т_м – максимальная температура на нижней поверхности листа под источником теплоты,         Т_л – температура ликвидуса сплава или температура плавления металла.

Для подвижных  источников теплоты критерий Е можно рассчитать по уравнению:

 [11]                                                                                  (48)

При Е < 1 максимальная температура на нижней поверхности  листа превышает 0,1Т_л, поэтому можно пренебречь ограниченностью металла по толщине и принять схему полубесконечного тела. При Е > 9 максимальная температура на нижней поверхности листа превышает 0,9Т_л, следовательно, металл практически проплавляется на всю толщину и можно принять схему бесконечной пластины. При 1<Е<9 используется схема бесконечного листа (плоского слоя).

При выборе схемы  источников теплоты, используя принцип  местного влияния, обычно принимают схемы сосредоточенных источников теплоты: точечного (для полубесконечного тела и бесконечного листа при Е>9) или линейного (для бесконечной пластины при Е<9).

Определенную  сложность представляет выбор схемы  источника теплоты по скорости движения.

Для оценки по скорости движения точечного источника  теплоты на поверхности бесконечного листа введен новый е₄, связанный с другими с критерием Пекле Ре:

Для обоснования выбора оптимальной расчетной схемы  используем критерии Н.Н. Рыкалина e₂ и e₃ , а также производные от них критерии e₁ и e₄, связанные между собой критерием Пекле:

 [11]                                                                                                                        (49)

 [11]                                                                                                                       (50)

 [11]                                                                                                                      (51)