Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
"Санкт-Петербургский государственный морской технический университет"
(СПбГМТУ)
Кафедра сварки судовых конструкций
ОТЧЕТ
По лабораторной работе №1
«Расчетное и опытное определение термических циклов
в точке зоны термического влияния при наплавке валика
на пластину»
Выполнил: Мамонтов И. В.
Студент группы 1370
Проверил: Карпов В.М.
Санкт-Петербург
2013.
Содержание
1. Цель работы: 3
2. Задачи работы. 3
3. Схема экспериментальной установки и подробное описание опыта. 3
4. Формулы необходимые для вычисления результатов. 5
5. Расчетно-графическая часть. 6
5.1. Расчет термических циклов: 6
5.2. Расчет максимальных температур. 10
5.3. Расчет мгновенных скоростей охлаждения. 12
6. Выводы по проделанной работе. 15
Изучение основных закономерностей распространения теплоты и приобретение навыков расчетного и опытного определения термических циклов при сварке является целью данной работы.
Работа включает в себя:
Рисунок 1 – Экспериментальная установка.
На пластину толщиной δ=5..6 мм производится автоматическая наплавка валика дуговой сваркой под слоем флюса. Режим сварки (Iсв, Uд, υсв) должен обеспечивать почти полное проплавление пластины и равномерный прогрев по толщине, чтобы в тепловом отношении можно было считать действующий источник теплоты линейным. Это допущение справедливо при значениях удельной погонной энергии .
До выполнения наплавки в пластине с обратной стороны сварки просверливаются отверстия диаметром 1-1,5 мм на глубину равную . Отверстия выполняются в центральной части пластины на расстоянии 96 и 103 мм2 от оси будущего шва. В эти отверстия привариваются датчики температуры (термопары), представляющие собой спаи двух разнородных металлов (рисунок 1).
Выводы датчиков температуры подключаются к высокочувствительным приборам для измерения малых электрических токов (в простейшем случае – к гальванометрам). Нагрев спая термопары вызывает изменение термоэлектродвижущей силы (термоЭДС), которое фиксируется измерительным прибором, отградуированным на конкретную термопару. Тип термопары и её внешнее сопротивление должны соответствовать градуировке измерительного прибора. Для различных диапазонов измеряемых температур и для различных условий эксплуатации разработаны соответствующие типы термоэлектрических датчиков.
В данной лабораторной работе для измерения и регистрации сигналов, полученных от датчиков температуры, используется электронный регистратор ПАРАГРАФ PL20. Прибор позволяет получать информацию с двух датчиков до 10 раз в секунду и сохранять её в энергонезависимой памяти. Данные отображаются на жидкокристаллическом экране в виде графика изменения температуры во времени, и могут быть экспортированы в распространенные компьютерные форматы (Text, Bitmap, Excel, HTML и т.д.).
Экспериментальное определение термических циклов заключается в установке датчиков температуры в заданных точках ЗТВ, настройке регистратора на используемый тип термопары и запуске процесса регистрации с требуемой частотой опроса датчиков.
Полученная информация переносится на жесткий диск компьютера специализированным программным обеспечением и подлежит анализу и сопоставлению с результатами расчетов.
Автомат для сварки под флюсом АДС-1000-У3.
Выпрямитель сварочный ВКСМ-1000;
Сварочные материалы: проволока Св-08А и флюс ОСЦ-45;
Теплофизические свойства стали Ст3сп:
Коэффициент теплопроводности λ=0,31 Вт/(см °С);
Объемная теплоемкость cρ=6,4 Дж/(см3 °С);
Коэффициент температуропроводности a=λ/ cρ см2/с;
Коэффициент теплоотдачи αт=33,5*10-4, Вт/(см2 °С);
|
Пластина, см:
|
Расстояния до термопары:
|
Таблица 1.
Параметры режимы сварки.
|
400 |
23 |
34 |
55,1 |
1,11 |
7360 |
Из общей теории теплопроводности для случая действия мгновенного плоского источника теплоты в неограниченном стержне процесс изменения температуры определяется уравнением:
|
(1) |
Подставив в выражение (1) интенсивность мгновенного плоского источника, которая в рассматриваемом случае равна:
и введя коэффициент , учитывающий теплоотдачу боковых поверхностей пластины в воздух, окончательно получим:
|
(2) |
Заметим, что для толщин δ >3..4 мм теплоотдачей можно пренебречь, т.е. принять b=0.
Выражение (2) является уравнением предельного состояния процесса распространения теплоты при нагреве пластаны мощным быстро движущимся линейным источником теплоты. Уравнение позволяет рассчитать термические циклы в интересующих нас точках сварного соединения.
Из выражения (2) также можно получить формулы для расчета важных характеристик термического цикла:
1. Выражение для определения кривой максимальных температур - совокупности максимальных значений температур в отдельных точках Tmax=f(y):
|
(3) |
2. Выражение для определения мгновенных скоростей охлаждения металла шва (y=0) при различных его температурах W=f(T):
|
(4) |
При небольших температурах Т формула (4) позволяет вычислять мгновенные скорости охлаждения достаточно точно и для точек ЗТВ ( y > 0 ).
3. Длительность нагрева t„ выше температуры Т”:
|
(5) |
где f2 - табулированная функция величины θ:
Величина t,, может быть определена более просто непосредственно из графика термического цикла конкретной точки.
Расчет термических циклов ведется по формуле (2).
Таблица 2.
Термические циклы в точках 0,96 и 1,03 см.
|
Время t, с |
Температура |
|||
|
Расчетные данные |
Экспериментальные данные |
|||
|
(·) 0,96 см |
(·) 1,03 см |
(·) 0,96 см |
(·) 1,03 см |
|
|
0,1 |
18,00 |
18,00 |
20,72 |
20,84 |
|
0,5 |
18,24 |
18,06 |
20,72 |
20,90 |
|
1 |
38,98 |
28,25 |
20,84 |
21,14 |
|
3 |
303,95 |
243,18 |
127,20 |
427,69 |
|
5 |
434,84 |
379,17 |
235,39 |
502,11 |
|
10 |
491,59 |
458,83 |
274,88 |
487,99 |
|
15 |
470,90 |
449,77 |
291,71 |
482,13 |
|
20 |
442,48 |
427,54 |
297,94 |
454,25 |
|
25 |
416,11 |
404,86 |
296,76 |
425,20 |
|
30 |
393,09 |
384,24 |
291,24 |
398,73 |
|
35 |
373,20 |
366,00 |
283,55 |
375,32 |
|
40 |
355,93 |
349,93 |
274,46 |
355,23 |
|
45 |
340,83 |
335,73 |
264,29 |
337,43 |
|
50 |
327,51 |
323,11 |
254,37 |
321,05 |
|
55 |
315,66 |
311,81 |
244,49 |
307,00 |
|
60 |
305,04 |
301,64 |
234,36 |
295,06 |
|
65 |
295,47 |
292,42 |
224,67 |
282,78 |
|
70 |
286,77 |
284,03 |
215,33 |
272,02 |
|
75 |
278,83 |
276,35 |
206,75 |
261,67 |
|
80 |
271,55 |
269,29 |
198,35 |
252,51 |
|
85 |
264,84 |
262,76 |
191,22 |
244,25 |
|
90 |
258,63 |
256,72 |
185,55 |
236,36 |
|
95 |
252,86 |
251,09 |
180,43 |
229,94 |
|
100 |
247,49 |
245,85 |
178,10 |
223,45 |
|
110 |
237,75 |
236,32 |
166,46 |
210,97 |
|
120 |
229,15 |
227,90 |
157,94 |
200,00 |
|
130 |
221,49 |
220,37 |
150,12 |
190,91 |
|
140 |
214,60 |
213,59 |
142,36 |
183,41 |
|
150 |
208,36 |
207,45 |
134,46 |
175,40 |
|
160 |
202,68 |
201,85 |
127,68 |
168,48 |
|
170 |
197,48 |
196,72 |
121,61 |
163,54 |
|
180 |
192,69 |
192,00 |
116,79 |
157,39 |
|
190 |
188,27 |
187,63 |
112,08 |
151,33 |
|
200 |
184,16 |
183,57 |
108,46 |
147,09 |
|
250 |
167,33 |
166,90 |
95,24 |
130,84 |
|
300 |
154,75 |
154,42 |
88,82 |
122,74 |
|
350 |
144,89 |
144,63 |
83,06 |
114,29 |
|
400 |
136,90 |
136,68 |
79,47 |
109,11 |
|
450 |
130,25 |
130,07 |
75,76 |
103,79 |
|
500 |
124,60 |
124,44 |
73,00 |
99,88 |
|
550 |
119,72 |
119,59 |
71,71 |
96,59 |
|
600 |
115,46 |
115,35 |
68,88 |
93,24 |
|
650 |
111,70 |
111,59 |
66,94 |
90,65 |
Расчет максимальных температур ведется по формуле (3).
Таблица 3.
Распределение по ширине пластины.
|
20 |
18,00 |
|
16 |
18,00 |
|
12 |
18,00 |
|
8 |
18,00 |
|
7 |
18,00 |
|
6,5 |
18,00 |
|
6 |
25,61 |
|
5,5 |
35,61 |
|
5 |
46,88 |
|
4,5 |
59,84 |
|
4 |
75,11 |
|
3,5 |
93,71 |
|
3 |
117,27 |
|
2,5 |
148,80 |
|
2 |
194,26 |
|
1,5 |
267,57 |
|
1 |
410,53 |
|
0,5 |
832,07 |
|
0,1 |
4177,94 |
|
-0,1 |
4177,94 |
|
-0,5 |
832,07 |
|
-1 |
410,53 |
|
-1,5 |
267,57 |
|
-2 |
194,26 |
|
-2,5 |
148,80 |
|
-3 |
117,27 |
|
-3,5 |
93,71 |
|
-4 |
75,11 |
|
-4,5 |
59,84 |
|
-5 |
46,88 |
|
-5,5 |
35,61 |
|
-6 |
25,61 |
|
-6,5 |
18,00 |
|
-7 |
18,00 |
|
-8 |
18,00 |
|
-12 |
18,00 |
|
-16 |
18,00 |
|
-20 |
18,00 |
График максимальных температур и прямая, соответствующая комнатной температуре, пересекаются в точке что свидетельствует о том, что температура в точке пластины равна комнатной температуре на расстоянии от оси шва равном 6,5 см (исходя из расчетов).
Расчет скорости охлаждения производится по формуле (4).
Таблица 4.
Мгновенные скорости охлаждения металла шва при .
|
Время |
Температура |
Скорость охлаждения |
||
|
(·) 0,96 см |
(·)1,03 см |
(.) 0,96 см |
(.) 1,03 см |
|
|
0,1 |
18 |
18 |
0 |
0 |
|
0,5 |
18,24 |
18,06 |
0 |
0 |
|
1 |
38,98 |
28,25 |
-0,0009 |
-0,0001 |
|
3 |
303,95 |
243,18 |
-2,39 |
-1,16 |
|
5 |
434,84 |
379,17 |
-7,39 |
-4,81 |
|
10 |
491,59 |
458,83 |
-10,84 |
-8,74 |
|
15 |
470,90 |
449,77 |
-9,48 |
-8,21 |
|
20 |
442,48 |
427,54 |
-7,80 |
-7,01 |
|
25 |
416,11 |
404,86 |
-6,44 |
-5,91 |
|
30 |
393,09 |
384,24 |
-5,38 |
-5,01 |
|
35 |
373,20 |
366,00 |
-4,57 |
-4,30 |
|
40 |
355,93 |
349,93 |
-3,94 |
-3,73 |
|
45 |
340,83 |
335,73 |
-3,43 |
-3,27 |
|
50 |
327,51 |
323,11 |
-3,02 |
-2,90 |
|
55 |
315,66 |
311,81 |
-2,69 |
-2,59 |
|
60 |
305,04 |
301,64 |
-2,41 |
-2,33 |
|
65 |
295,47 |
292,42 |
-2,18 |
-2,11 |
|
70 |
286,77 |
284,03 |
-1,98 |
-1,92 |
|
75 |
278,83 |
276,35 |
-1,81 |
-1,76 |
|
80 |
271,55 |
269,29 |
-1,66 |
-1,62 |
|
85 |
264,84 |
262,76 |
-1,53 |
-1,50 |
|
90 |
258,63 |
256,72 |
-1,42 |
-1,39 |
|
95 |
252,86 |
251,09 |
-1,32 |
-1,29 |
|
100 |
247,49 |
245,85 |
-1,23 |
-1,21 |
|
110 |
237,75 |
236,32 |
-1,08 |
-1,06 |
|
120 |
229,15 |
227,90 |
-0,96 |
-0,94 |
|
130 |
221,49 |
220,37 |
-0,86 |
-0,85 |
|
140 |
214,60 |
213,59 |
-0,78 |
-0,76 |
|
150 |
208,36 |
207,45 |
-0,70 |
-0,69 |
|
160 |
202,68 |
201,85 |
-0,64 |
-0,63 |
|
170 |
197,48 |
196,72 |
-0,59 |
-0,58 |
|
180 |
192,69 |
192,00 |
-0,54 |
-0,54 |
|
190 |
188,27 |
187,63 |
-0,50 |
-0,50 |
|
200 |
184,16 |
183,57 |
-0,47 |
-0,46 |
|
225 |
175,07 |
174,57 |
-0,40 |
-0,39 |
|
250 |
167,33 |
166,90 |
-0,34 |
-0,34 |
|
275 |
160,62 |
160,25 |
-0,30 |
-0,29 |
|
300 |
154,75 |
154,42 |
-0,26 |
-0,26 |
|
325 |
149,54 |
149,25 |
-0,23 |
-0,23 |
|
350 |
144,89 |
144,63 |
-0,21 |
-0,21 |
|
375 |
140,70 |
140,47 |
-0,19 |
-0,19 |
|
400 |
136,90 |
136,68 |
-0,17 |
-0,17 |
|
425 |
133,43 |
133,23 |
-0,16 |
-0,16 |
|
450 |
130,25 |
130,07 |
-0,14 |
-0,14 |
|
475 |
127,31 |
127,15 |
-0,13 |
-0,13 |
|
500 |
124,60 |
124,44 |
-0,12 |
-0,12 |
|
550 |
119,72 |
119,59 |
-0,11 |
-0,11 |
|
600 |
115,46 |
115,35 |
-0,09 |
-0,09 |
|
650 |
111,69 |
111,59 |
-0,08 |
-0,08 |
Значения максимальных температур и время их достижения, определенные расчетным и опытным путем, отстают друг от друга в силу допущенных погрешностей при расчете.
В зоне охлаждения, как можно заметить на графике , практически совпадают, отставание точек незначительны от 0,2С/с до 1С/с. Причиной отставания в охлаждении служит нагрев до различных температур.
2 Местоположение и количество датчиков температуры может уточняться преподавателем при проведении лабораторной работы.