Теория и технология сварочных процессов. Сборник задач

В. П. Сидоров






ТЕОРИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ СВАРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ
СБОРНИК ЗАДАЧ

Практическое пособие















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.791
ББК 34.641
С34

Рецензент:
д. т. н., профессор И. Е. Лапин









     Сидоров, В. П.
С34        Теория и технология сварочных процессов. Сборник задач : практи-
      ческое пособие / В. П. Сидоров. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 216 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1550-7

           Приводится более 400 задач, которые могут использоваться для аудиторных и самостоятельных занятий студентов по дисциплинам сварочных направлений подготовки. Основное внимание уделено вопросам тепловой эффективности сварочных источников тепла, тепловым процессам при сварке и их использованию для оптимизации режимов сварки. Ряд задач посвящен вопросу требований к точности поддержания режимов сварки, взаимодействию в системе «дуга - источник питания». Освещены вопросы особенностей плавления электродов при различных способах сварки плавлением. Многие из задач носят междисциплинарный характер и должны решаться с помощью компьютерных программ, примеры которых приведены в приложении.
           Для преподавателей, студентов и аспирантов вузов и колледжей, инженернотехнических работников предприятий.

УДК 621.791
ББК 34.641









ISBN 978-5-9729-1550-7

     © Сидоров В. П., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ


Введение........................................................4
ЧАСТЬ 1. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕСЫ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ. ДАВЛЕНИЕ ДУГИ...................................................7
    1.1. Эффективная мощность сварочных источников тепла........7
    1.2. Сосредоточенность теплового потока....................17
    1.3. Энергетические характеристики сварочных процессов.....32
    1.4. Тепловые процессы при неподвижных источниках тепла....55
    1.5.     Неподвижный нормально-круговой источник (НКИ) тепла на поверхности пластины..................................71
    1.6.     Термические циклы при действии неподвижного НКИ на поверхность пластины.......................................................89
    1.7. Движущийся НКИ на поверхности пластины................95
    1.8.     Применение теории тепловых процессов для расчета параметров сварки.............................................101
1.9.     Анализ режимов контактной точечной сварки и применение схемы НКИ тепла.....................................................125
    1.10. Силовое воздействие сварочных источников тепла на металл.142
ЧАСТЬ 2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВАРОЧНОЙ ДУГИ..............150
    2.1. Взаимодействие в системе «дуга - источник питания»...150
    2.2.     Электрические характеристики сжатой дуги в канале сопла плазмотрона...................................................156
ЧАСТЬ 3. ПЛАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДОВ ПРИ ДУГОВОЙ СВАРКЕ...................169
Список литературы ............................................200
Приложения....................................................205
Формулы для расчета температур при сварке.....................207
Программа расчета ширины шва BSHWA для НКИ....................209
Программа расчета параметров сжатой дуги SOPLO................211

3

                   Автор благодарит магистра А. В. Мелъзитдинову за помощъ в подготовке и оформлении рукописи пособия

ВВЕДЕНИЕ
     При подготвке технических специалистов одной из основных проблем является обучение определенным умениям на основе получаемых знаний. Все умения, которые могут понадобиться техническому специалисту (как впрочем и любому другому) на практике вряд ли могут быть обеспечены в процессе обучения в учебном заведении. Речь может идти только об обеспечении навыков овладевания основными умениями. В процессе работы по выбранному направлению специалисту потребуется освоение многих новых умений, которые максимально быстро должны быть превращены в навыки.
     В современных условиях подготовки технического специалиста на формирование умений направлены в основном лабораторные практикумы и производственные практики, выполнение курсовых работ и проектов. Заключительным этапом формирования умений и их демонстрации является дипломный проект или иная выпускная квалификационная работа. В учебных планах большинства направлений подготовки практические занятия проводятся редко.
     Можно утверждать, что упомянутых составляющих учебных планов недостаточно для подготовки умелого выпускника. Лабораторные практикумы зачастую формируются, исходя из наличия оборудования и приборов, а также предпочтений преподавателя. Лабораторные работы достаточно материалоемки и их обновление является непростой задачей. Производственные практики также не могут решить проблемы, так как они охватывают обычно только одну из возможных сфер деятельности инженера. К тому же с практиками в последние годы возникло много проблем, причины которых достаточно известны, но труднопреодолимы. Выполнение курсовых работ и проектов является полезным для каждой специальной дисциплины, однако в настоящее время это далеко от реализации. Кроме того, в процессе выполнения любой курсовой или дипломной работы решается весьма ограниченный круг задач.
     Одним из направлений совершенствования подготовки специалистов является создание сборников задач по специальным дисциплинам, вернее по профессиональной подготовке. Таких задачников явно недостаточно. Известно, что сборники задач по общетехническим дисциплинам давно вошли в систему подготовки инженеров, они довольно многочисленны. Достаточно назвать такие дисциплины, как «Начертательная геометрия и инженерная графика», «Теоретическая механика», «Сопротивление материалов», «Электротехника» и др. В чем причина отставания в этом отношении специальных дисциплин? Число специалистов, преподающих общеинженерные дисциплины, как минимум, на порядок превышает число преподавателей специальных дисциплин. Второй причиной является меньшая формализация знаний по специальным дисциплинам, многие разделы которых все еще носят описательный характер. Однако и по достаточно формализованным разделам специальных дисциплин задач подготовлено мало. В качестве примера можно привести раздел «Тепловые про

4

цессы при сварке» в дисциплине «Теория сварочных процессов». В разделе дается достаточно много формул, и есть в учебниках примеры их использования для практических нужд, однако таких примеров мало.
     На важность ориентации специальной подготовки на решение задач указывают трудности, с котрыми сталкиваются студенты и даже некоторые молодые преподаватели, при необходимости решить задачу по специальности. Это проявилось при введении в билеты по государственному междисциплинарному экзамену всего лишь одной достаточно простой задачи. Задачи вызывали некий психологический шок, в связи с непривычной ситуацией, когда ранее в такой форме умения не проверялись. Хотя нужных знаний и сведений во время лекций и лабораторных работ было преподнесено студентам предостаточно. Выпускник предпочитал получить сниженную оценку, чем затратить усилия и попытаться решить задачу. Это указывает на серьезные недостатки в системе инженерной подготовки. Налицо отсутствие навыка превращения знаний в умения. Для решения задачи наработки выпускником умений можно предложить даже максиму, которая скорее всего не найдет понимания у большинства преподавателей специальных дисциплин. «Не умеешь научить применению передаваемых знаний на практике - не включай данный материал в программу дисциплины». Оправданием включения знаний, которые не используются непосредственно для получения умений - только то, что они являются необходимым условием усвоения других знаний, котрые уже могут превращаться в умения.
     На этапе, когда имеющегося банка задач еще недостаточно для включения практикума в учебный план, следует максимально иллюстрировать передаваемые знания путем решения задач во время чтения лекций.
     При создании задачников по специальным дисциплинам следует отметить одну важную особенность. Здесь сложно ограничиться задачами по какой-либо одной дисциплине. Почти любая задача из области технической специальности по необходимости охватывает материал нескольких дисциплин. Само разделение изучения сварочных процессов на отдельные дисциплины зачастую достаточно условно. Более того, можно утверждать, что чем в большей мере междисциплинарный характер носит задача, тем это лучше для становления специалиста.
     Еще одной особенностью задач по специальным дисциплинам является то, что они, в отличие от задач классических дисциплин, могут иметь несколько путей решения и даже существенно отличающихся ответов. Возможно, и это является одним из сдерживающих факторов в создании таких задачников. Составитель задач часто ставит себя под удар, рискуя найти оппонента, который укажет ему на неточность или неоптимальность его решения. Вследствие молодости сварочной науки многие из ее положений носят достаточно неоднозначный и спорный характер. Поэтому не следует относиться к приведенным задачам и решениям как к истине в последней инстанции.
     Предлагаемый сборник в значительной мере отражает научные интересы автора и его практический опыт преподавания. Тем не менее, его направленность - это показать путь к решению некотрых из основных комплексных задач

5

сварочного процесса - управление химическим составом металла сварного шва, определение требований к точности поддержания параметров процесса сварки, взаимодействиям в системе «источник энергии - свариваемый металл» и на этой основе наметить путь к созданию систем автоматического проектирования и оптимизации сварочных процессов. С введением в повседневную практику инженера мощной компьютерной техники существенно изменяется ситуация с его возможностями решения сложных задач, стоящих перед практикой. В задачнике многие из задач решаются с помощью компьютерных программ. Цель задачника не в предоставлении пользователям универсального средства для решения множества задач, а лишь демонстрация одного из путей их решения.

6

Часть 1. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕСЫ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ. ДАВЛЕНИЕ ДУГИ


1.1. Эффективная мощность сварочных источников тепла


     1.1.1.      При аргонодуговой сварке коррозионностойкой стали 08Х18Н9Т дугой прямой полярности вольфрамовым электродом напряжение дуги Ид = 15 В. Диаметр электрода D = 4 мм, ток дуги I = 250 А. Потери тепла от дуги в окружающую среду и в оснастку составляют 20 % её полной мощности. Определить потери мощности дуги в электрод и сварочную горелку (рис 1.1).


Рис. 1.1. Схема потерь энергии при сварке:
Q1 - в окружающую среду; Q2 - с поверхности изделия;
Q3 - в сварочную оснастку; QhC - теплопроводностью в изделие

     Решение. Основными составляющими баланса расхода мощности сварочной дуги при данном способе сварки являются: эффективная мощность с|и. потери в сварочную горелку qr и потери в окружающую среду и в оснастку q₀. Эффективную мощность сварочной дуги чаще всего определяют по формуле:
Яи — РдЯи — Uд^Яи.
где Рд - электрическая мощность дуги. Вт;
     ри - эффективный коэффициент полезного действия (КПД).
     По литературным данным известно. что эффективный КПД ри для данного способа сварки может изменяться в пределах ри = 0.65... 0.75. Разброс ри обусловлен влиянием ряда факторов. При решении данной задачи примем среднее значение ри = 0.7. Разброс граничных значений ри от среднего значения составляет ~ ± 7 %. Электрическая мощность дуги составит:
Рд = 15 • 250 = 3750 Вт.
а эффективная мощность:
qи = 3750 • 0.7 « 2625 Вт.
     Погрешность расчетного метода составляет примерно ± 185 Вт.

7

     Мощность, рассеиваемая в окружающую среду:
qc = 0,2 • 3750 = 750 Вт.
     Отсюда мощность, расходуемая на нагрев электрода и сварочной горелки:
Рг = рд - qи - qс = 3750 - 2625 - 750 = 375 Вт.
     Расчет мощности, поступающий в электрод и сварочную горелку, необходим для последующего расчета их систем охлаждения.
     1.1.2.      При аргонодуговой сварке титанового сплава ВТ-20 вольфрамовым электродом дугой прямой полярности напряжение дуги Ид = 17 В. Потери мощности в неплавящийся электрод и сварочную горелку составляют qr = 600 Вт. Диаметр электрода D = 3 мм, ток дуги I = 160 А. Определить потери мощности дуги в окружающую среду.
     1.1.3.      После ручной дуговой наплавки шва покрытым электродом на всю длину пластины из стали 20 размерами 300x200x3 мм ее поместили в водяной калориметр и рассчитали, что в ней содержалось после наплавки Q = 4,12-10⁵ Дж тепла. Наплавка велась со средней скоростью сварки Vc = 7 м/ч. Определить эффективный КПД сварочной дуги в данном случае, если напряжение на дуге Ид = 23 В, ток дуги I = 150 А. Рассчитать погонную энергию сварки.
     1.1.4.      Сварка встык пластин из стали Ст.3 (ГОСТ 380) велась вручную покрытыми электродами на постоянном токе дугой обратной полярности. Размеры каждой из пластин 500x300x3 мм. Средняя скорость сварки Vc =10 м/ч, диаметр электрода d-> = 4 мм, ток дуги I = 140 А, напряжение на дуге Ид = 22 В. Начальная температура пластин Т0 = 20 °С. Определить среднею температуру пластин после сварки.
     Решение. Приращение средней температуры пластин ДТс после сварки можно определить по формуле:

Д Т

= _Q_
с CᵥV ’

(1)

где Q - количество тепла, полученное пластинами от дуги, Дж;
     Cv - объёмная теплоёмкость металла пластин, Дж/(см³^°С);
     V - объём пластин, см³.
     Количество тепла Q на нагрев пластин можно определить по формуле:
Q = qи -1,                            (2)
где qi[ - эффективная мощность дуги при данном способе сварки, Вт; t - время горения дуги, секунд.
     Подставив (2) в (1), получим:
Д Тс = q—^-                           (3)
с Cᵥ ■ V ■                            ⁽³⁾

8

     Эффективную мощность дуги можно найти по формуле:

qи  РдРи  Uд РРи

(4)

где ри - эффективный КПД дуги.
      С помощью таблицы П1 Приложения находим, что для ручной сварки покрытым электродом на постоянном токе ри составляет 0,75...0,85. Примем среднее значение ри = 0,8. Отсюда:

ри = 22 • 140 • 0,8 = 2464 « 2460 Вт.
     Время горения дуги t рассчитываем по формуле:

L ■ 36 t =-----
10

= 180 c.

     Здесь L = 50 см - длина сварного шва; 36 - коэффициент перевода размерности из м/ч в см/с. Объём двух пластин:
V = 50 • 30 • 0,3 • 2 = 900 см³.
     По таблице П2 Приложения находим, что для низкоуглеродистой стали, к которым относится сталь Ст.3, можно принять Cv = 5,05 Дж/(см³^°С). Подставив числовые значения в формулу (3), получим:
АТс = (2460 ■ 180) / (5,05 • 900) « 98 °C.
     Полная средняя температура пластин составит Т = Т0 + АТс ~ 98 + 20 ~ 118 °С.
     1.1.5.      Автоматическая односторонняя аргонодуговая сварка плавящимся электродом стыкового соединения без разделки кромок из алюминиевого сплава АМц велась на режиме: напряжение на дуге Ид = 25 В, ток дуги I = 150 А, диаметр электродной проволоки d = 1,2 мм, скорость сварки Vc = 10 м/ч. Полярность дуги - обратная. Толщина свариваемых пластин 8 = 3 мм. Определить погонную энергию сварки, производительность образования соединения и удельные затраты энергии Е на единицу площади соединения.
     Решение. Удельные затраты энергии на единицу площади соединения определяются выражением

Е =

q и = q п
VC3  3

(1)

где ри = ри/Vc - погонная энергия сварки, Дж/см. Размерность удельной энергии сварки Е - Дж/см².
     Эффективную мощность дуги определяем по формуле

q и = Ри ■ Рд = U д 1Ри,

(2)

где ри - эффективный КПД дуги.
     По таблице П1 Приложения находим, что для данного способа ри ~ 0,75.

9

Отсюда:

Е - q^-
VC8

150 ■ 25 ■ 0,75 ■ 36
10 ■ 0,3

- 2,97 кДж/см².

     Погонная энергия:

150 ■ 22 ■ 0,75 ■ 36
                     q ц —
10

8,91 кДж/см.

     Производительность образования соединения J представляет знаменатель формулы (1):
J - Vc ■ 8 .                         (3)
     Отсюда J = (10 • 0,3) / 36 = 0,083 см²/с.
     Производительность образования соединения и удельная энергия сварки позволяют анализировать оптимальность рекомендуемых режимов сварки и сравнивать эффективность разных ее способов.
     1.1.6.      Для автоматической аргонодуговой сварки стыковых соединений алюминиевых сплавов плавящимся электродом в таблице приведены режимы сварки из работы [9]. Полярность дуги - обратная. Рассчитать погонную энергию сварки и затраты энергии на единицу площади соединения для разной толщины свариваемого металла. Расчеты выполнять отдельно для минимальных и максимальных параметров режима. Объяснить полученные результаты.

Соединение      I, А    иД, В Vc, м/ч бэ, мм  Примечание
             200... 320 23.30  30.50  1,6.2,0  Струйный 
Без разделки 250... 320 32.36  25.35  1,6.2,0  перенос  
                                              в среде Ar

     1.1.7.     Для проведения термообработки детали из стали 40Х её необходимо нагреть до температуры 750 °C. Начальная температура детали То = 20 °C. В качестве источника нагрева используется азотная плазменная струя с эффективным КПД ци = 0,3. Напряжение дуги Щ = 70 В, ток I = 200 А. Масса детали m = 0,45 кг. Определите время, необходимое для нагрева детали плазменной струей до заданной температуры без учета потерь энергии деталью поверхностной теплотдачей.
     1.1.8.     Сварка пластин встык из коррозионностойкой стали 08Х18Н9Т производилась на сварочном автомате вольфрамовым электродом в среде аргона. Полярность дуги - прямая. Толщина свариваемых пластин 8 = 4 мм, сварка велась за один проход без разделки кромок и подачи присадочной проволоки. Скорость сварки Vc = 20 м/ч, напряжение дуги иД = 15 В, ток дуги I = 250 А, диаметр электрода D = 4 мм. После сварки были изготовлены макрошлифы поперечного сечения шва Бш и получено, что Бш = 20 мм². Определите термический цт и полный КПД процесса сварки.

10

     Решение. Термический КПД цт показывает, какая часть эффективной мощности источника тепла расходуется на нагрев расплавленного металла шва. Определить действительное значение этой величины экспериментально достаточно сложно. Чаще производят теоретическую оценку с помощью какой-либо математической модели распространения тепла в изделии при сварке. В отличие от эффективного КПД ци, термический цт имеет еще больший разброс. Его практическое значение состоит в том, что он позволяет оценить, весьма приближенно, площадь поперечного сечения проплавления основного металла Fo. Для теоретического расчета термического КПД произволят интегрирование теплосодержания жидкого металла по распределению температур. В результате для нескольких расчетных схем получены теоретические значения цт. Термический КПД процесса сварки можно приближенно определить по формуле:
_ qж _ Н жFoVc Чт                ,
qH     qH
где с|ж - мощность, поглощаемая расплавляемым металлом, Вт;
     qn - эффективная мощность источника Вт;
     Нж - среднее теплосодержание расплавляемого основного металла рочной ванны, Дж/см³;
     Fo - площадь поперечного сечения проплавления основного металла, Vc - скорость сварки, см/с.
     Немногочисленные исследования показывают, что металл сварочной

ны не сильно перегрет относительно температуры его плавления и приближенно Нж может быть принято равным теплосодержанию металла при температуре плавления.
     Эффективную мощность процесса рассчитываем по формуле:

(1)



сва-

см²;

ван-



qи ~ Uд ¹⁴ и,

(2)

где  ци - эффективный КПД дуги.
     По таблице П1 Приложения находим, что ци составляет для данного способа сварки в среднем ци = 0,7. Тогда qₙ ® 2625 Вт. Принимаем теплосодержание стали при температуре плавления по данным [2] Нж = 8000 Дж/см³. Тогда, подставив результаты расчётов в (2), получим:
8000 • 0,55 • 0,2
Чт =------:« 0,34 .
т 2625

      Полный КПД дуги в отношении доли мощности на расплавление основного металла равен произведению цицт:
цп = 0,34 • 0,7 = 0,24.
      Таким образом, примерно только 24 % энергии дуги расходуется на плавление основного металла. Остальное теряется в окружающую среду и распространяется в твердом металле.

11