help_outlineУсловие задачи
Реши задачу: Используя расчеты, обосновать возможность сварки пластин, толщиной 12 мм, из стали 14ХГС ручной дуговой сваркой. Режим сварки: ICB = 160A; U = 28 В; η = 0,85; VCB = 10 м/ч. Рассчитать распределение температур для точек по оси ОХ в зоне нагрева и охлаждения, и характер распределения температур в сечении УУ1, перпендикулярном к шву, через 5 секунд после прохождения этого сечения дугой.
No Khamzin, сегодня в 18:03
Основная часть курсовой работы включает в себя следующие разделы:
1. Характеристику заданного конструкционного материала (химический состав, механические и технологические свойства)
2. Оценка свариваемости заданного сплава:
- Количественная оценка склонности металла к образованию холодных трещин;
- Количественная оценка склонности металла к образованию и горячих трещин;
- Технологические приемы предотвращения указанных дефектов.
3. Описание указанного вида сварки:
- Представление источника энергии для сварки, его характеристику;
- Металлургические особенности сварочных процессов при использо-вании данного вида сварки;
- Преимущества и недостатки указанного вида сварки
4. Тепловые расчеты
- Выбор и обоснование расчетной схемы температурного поля
- Расчет температурных полей (распределения температур по заданию), построение графиков распределения температур (Т = φ(R));
- Расчет термических циклов заданных точек и параметров: макси-мальных температур, скорости охлаждения,
5. Обоснование выбора сварочных материалов для сварки заданной стали (сварочная проволока, сварочный флюс, защитный газ, покрытые электроды и
пр.). 6.
Характеристика сварочных материалов: химический состав, области применения, назначение легирующих компонентов, роль примесей, возможная структура (фазовый состав), основные механические и теплофизические свойства, диаграммы изотермического и неизотермического распада аустенита.
lightbulbКраткий ответ
Сталь 14ХГС относится к ограниченно свариваемым сталям. Для сварки пластин толщиной 12 мм требуется предварительный подогрев до 100-150 градусов Цельсия.
1. Характеристика стали 14ХГС
Сталь 14ХГС относится к категории низколегированных конструкционных сталей. Она обладает высокой прочностью и хорошей пластичностью.
Химический состав (примерный):
Углерод (С): 0,12 – 0,17 %
Хром (Cr): 0,6 – 0,9 %
Марганец (Mn): 1,0 – 1,3 %
Кремний (Si): 0,4 – 0,7 %
Механические свойства:
Предел текучести: не менее 345 МПа.
Временное сопротивление: 490 – 640 МПа.
2. Оценка свариваемости
Количественная оценка склонности к холодным трещинам производится через эквивалент углерода:
\[ C_{экв} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr}{5} + \frac{Si}{24} \]
\[ C_{экв} = 0,15 + \frac{1,15}{6} + \frac{0,75}{5} + \frac{0,55}{24} \approx 0,51 \% \]
Так как \( C_{экв} > 0,45 \), сталь относится к группе ограниченно свариваемых. Требуется подогрев до 100-150 градусов Цельсия при больших толщинах.
Склонность к горячим трещинам оценивается коэффициентом ликвации, который для данной стали невелик из-за низкого содержания углерода.
3. Описание ручной дуговой сварки (РДС)
Источник энергии — электрическая дуга. Используется выпрямитель или инвертор с крутопадающей внешней характеристикой.
Преимущества: возможность сварки в любых пространственных положениях, простота оборудования.
Недостатки: малая производительность, зависимость качества от квалификации сварщика.
4. Тепловые расчеты
Дано:
\( I = 160 \) А
\( U = 28 \) В
\( \eta = 0,85 \)
\( v = 10 \) м/ч = 0,278 см/с
\( \delta = 1,2 \) см
\( t = 5 \) с
Эффективная мощность источника:
\[ q = \eta \cdot I \cdot U = 0,85 \cdot 160 \cdot 28 = 3808 \text{ Вт} \]
Погонная энергия:
\[ q_v = \frac{q}{v} = \frac{3808}{0,278} \approx 13700 \text{ Дж/см} \]
Выбор расчетной схемы:
Так как толщина пластины 12 мм невелика для мощной дуги, используем схему мощного точечного источника на поверхности полубесконечного тела или плоского слоя. Для упрощения школьного расчета примем модель распространения тепла в пластине.
Расчет температуры на оси ОХ (вдоль шва):
\[ T(x) = \frac{q}{2 \pi \lambda t} \exp\left(-\frac{x^2}{4 a t}\right) \]
Для стали: теплопроводность \( \lambda \approx 0,38 \) Вт/(см·°С), температуропроводность \( a \approx 0,08 \) см²/с.
Расчет распределения температур в сечении УУ1 (перпендикулярно шву) через \( t = 5 \) с:
\[ T(y) = \frac{q/v}{2 \delta \sqrt{\pi c \rho \lambda t}} \exp\left(-\frac{y^2}{4 a t}\right) \]
Где \( c \rho \approx 5,0 \) Дж/(см³·°С).
При \( y = 0 \) (центр шва):
\[ T(0) = \frac{13700}{2 \cdot 1,2 \sqrt{3,14 \cdot 5,0 \cdot 0,38 \cdot 5}} \approx \frac{13700}{2,4 \cdot 5,46} \approx 1045 ^\circ C \]
При \( y = 1 \) см:
\[ T(1) = 1045 \cdot \exp\left(-\frac{1^2}{4 \cdot 0,08 \cdot 5}\right) = 1045 \cdot \exp(-0,625) \approx 1045 \cdot 0,535 \approx 559 ^\circ C \]
5. Выбор сварочных материалов
Для стали 14ХГС рекомендуются электроды типа Э50А или Э55 (например, марки УОНИ-13/55).
Данные электроды обеспечивают высокую пластичность и ударную вязкость металла шва, а также низкое содержание водорода, что критически важно для предотвращения холодных трещин в отечественном мостостроении и машиностроении, где традиционно применяется данная сталь.
Вывод: Сварка пластин 12 мм из стали 14ХГС при заданном режиме возможна. Для обеспечения высокого качества соединения рекомендуется предварительный подогрев кромок до 120 градусов Цельсия.
