Разработка схемы источника "ПТИ" с использованием стали 45 (стр. 3 из 5)

Раскисление металла сварочной ванны - восстановление металла сварочного соединения требует удаления кислорода из сварочной ванны, пока она находится в жидком состоянии.

Восстановление или раскисление сварочной ванны можно осуществлять несколькими способами:

1) Извлечение его более активными металлами – раскисление осаждением.

2) Восстановление металла газовой атмосферой, контактирующей с металлом сварочной ванны.

3) Извлечение оксидов из металлической ванны, путем обработки ее шлаками.

Все эти методы реализуются в сварочной технологии, но для различных металлов они будут применяться с различным успехом. Так, для металла с высокой термодинамической устойчивостью оксидов эти способы восстановления почти не дают эффекта и для получения качественного соединения из этих металлов необходима по возможности полная изоляция их от окисляющей атмосферы.

Легирование металла шва при ручной сварке покрытыми электродами: Металл шва образуется из основного металла, электродной проволоки и покрытия, легирование осуществляется следующим образом:

- легирование путем введения в покрытие электрода порошкообразных металлических добавок или ферросплавов – марганца, кремния, титана;

- легирование в результате восстановления оксидов, входящих в состав покрытия, легко осуществляемое для малоактивных металлов и ограниченное для таких элементов, как марганец, кремний и хром;

- легирование путем изменения состава электродных проволок, дающие самые стабильные результаты;

- легирование в результате расплавления основного металла, что имеет место при сварке высокопрочных и теплоустойчивых сталей.

2.3 Термодинамическое исследование одного из вероятных металлургических процессов

Рассмотрим реакцию

Определим вероятность протекания прямой реакции при различных температурах.

Табл. 3.2 – Значения стандартных параметров реагирующих веществ.

Вещество	, кДж/моль·К	, кДж/моль·К	, кДж/моль·К
Fe	0	0,02715	0,025
O	0	0,20504	0,02935
FeО	-264,8	0,06075	0,04925

ΔG_тº = ΔHº₂₉₈ – ΔSº₂₉₈ ·T–

·f(T) · T

где ΔG_тº- свободная энергия Гибса, кДж/моль;

ΔHº₂₉₈ – энтальпия (кДж/моль);

ΔSº₂₉₈ – энтропия (ДЖ/моль^.К);

– теплоемкость (ДЖ/моль^.К);

f(T) – функция Улиха;

Т – абсолютная температура (К).

Формула для вычисления энтальпии:

ΔHº₂₉₈ = ΣΔHº_пр – ΣΔHº_исх =

– ( + )

ΔHº₂₉₈ = – 1676 – (0 + 0) = – 1676 кДж/моль

Знак “–“ для ΔH свидетельствует о том, что процесс протекает с выделением тепла.

Формула для вычисления энтропии:

ΔSº₂₉₈ = ΣΔSº_пр + ΣΔSº_исх =

– ( + )

ΔSº₂₉₈ = 50,92 – (28,35 + 205,04) = – 182,47 кДж/моль·К

Формула для вычисления теплоемкости:

Δ

= ΣΔСрº_пр + ΣΔСрº_исх = – ( + )

Δ

= 79,04 – (24,35 + 29,35) = 25,34 кДж/моль·К

Функцию Улиха вычисляем по формуле:

f(T) = ln(

) + – 1

Найдем численные значения функции Улиха для определенных температур:

f(0) = 0;

f(1000) = 12,8895;

f(2000) = 26,6782;

f(3000) = 35,6941;

f(4000) = 42,3547;

f(5000) = 47,6316;

f(6000) = 51,9999.

Рассчитаем свободную энергию Гиббса ΔG°_т для температур 298 – 6000 К, результаты заносим в таблицу 6.

Таблица 6- Результаты вычислений

Т,К	ΔG°т, кДж/моль
298	52700,06
1000	-145825,67
2000	-988786,13
3000	-2167732,39
4000	-3564868,28
5000	-5124248,52
6000	-6812922,03

По данным таблицы строим график зависимости ΔG°_т(Т) (рисунок 1).

Рисунок 1. График зависимости ΔG°_т(Т)

По графикам можно сказать, что:

а) с повышением температуры термический эффект реакции снижается, поскольку энтальпия возрастает;

б) с увеличением температуры скорость реакции только нарастает.

3. Исследование процессов нагрева, плавления и охлаждения основного металла

3.1 Выбор и обоснование расчётной схемы нагреваемого тела и источника тепла

Исходя из условий сварки применяем подвижный точечный источник теплоты мощностью q, движущийся прямолинейно с постоянной скоростью по поверхности полубесконечного тела. Схема ПТИ применяется для исследования температурных полей при ручной дуговой сварке.

Условия процесса:

- вид сварки: ручная дуговая сварка покрытыми электродами;

- сила тока: I = 330 A;

- напряжение: U = 28 В;

- эффективный КПД: h = 0,75;

- скорость сварки: υ_св = 9 м/час.

Формы тел, нагреваемых при сварке разнообразны. Распространение теплоты существенно зависит от формы и размеров тела. Точный учет конфигурации тела может привести к таким усложнениям расчета, что его практическое использование окажется затруднительным. Поэтому во всех тех случаях, когда пренебрежение второстепенными особенностями формы тела не приводит к большим погрешностям расчета, целесообразно упрощать формы рассматриваемых тел, сводя их к простейшим. Но грамотное применение такой схематизации должно основываться на четком понимании физической сущности процесса.

Полубесконечное тело представляет собой массивное тело с одной ограничивающей плоскостью z = 0. Остальные поверхности находятся на значительном удалении и не влияют на распределение теплоты (рисунок 2).

x

z

y

Рисунок 2-Полубесконечное тело

Для термических процессов сварки плавлением источник энергии должен обеспечивать концентрацию тепловой энергии и температуру в зоне сварки, достаточные для плавления металла и провара его на требуемую глубину, но без интенсивного испарения.

3.2 Расчёт температурных полей при нагреве тела подвижными источниками тепла

Рассчитываем распределение температур вдоль оси шва.

Расчет температурных полей производится по уравнению предельного состояния распространения тепла, отнесенное к подвижной системе координат:

T(_R,x) = (

) · exp + Т_н,

где q_u – погонная энергия (Вт):

q = I · U · h,

q = 330 · 28 · 0,75 = 6930 Вт,

l – коэффициент теплопроводности, l = 41,9 Вт/м · град;

υ_св – скорость сварки (м/ч);

I – сила тока (А);

U – напряжение (В);

a – коэффициент температуропроводности, a = 8,7 · 10^-6 м³/c,

r =

,

где х - координата по оси х (см);

у - координата по оси (у) см.

Для расчёта распределения температур вдоль оси шва, рассчитываем Х в диапазоне от -50 см до 76 см. Распределение строим на оси шва (у=0), на расстоянии 1см от оси шва (у=1), 1,5см и 2см. График распределения представлен ниже.

Рисунок 3- Изотермы вдоль оси шва

Распределение температур вдоль оси У рассчитываем по той же формуле, что и распределение температур вдоль оси Х.

Проводим расчёт распределения температур в поперечном сечении шва, т. е. вдоль оси Y, на поверхности металла при х={1; 2; 3; 4} см. Расчёт ведем по формуле,