CC BY
2
Экспериментальные исследования распределения температуры в тавровых соединениях при сварке
i
1 2 В.П.Вершинин , И.К. Дмитриев
Национальный исследовательский московский государственный строительный
университет, Москва 2Государственный Университет по землеустройству, Москва
2
2
Аннотация: В данной статье исследуется распределение температуры по толщине элементов при сварке тавровых соединений угловыми швами. Измерение температуры производилось термопарами с соответствующей записью показаний на осциллографе. Одновременно производилась запись шести термопар, что позволило проследить весь процесс изменения температуры (процесс нагрева и остывания) и определить максимальную температуру в исследуемых точках.
Результаты эксперимента сравнивались с расчетными значениями температуры. Сравнение экспериментальных данных с результатами расчета показало вполне удовлетворительное совпадение, что дает возможность использовать теорию распространения тепла при сварке Н.Н. Рыкалина к расчету температуры в тавровых соединениях при сварке угловых швов.
Ключевые слова: остаточные сварочные напряжения, распределение температуры при сварке, термопары, тавровое соединение с угловыми швами, распределение температуры по толщине элемента, «малые» толщины, «большие» толщины.
Известно, что остаточные сварочные напряжения являются следствием неравномерного нагрева изделия при сварке, а распределение сварочных напряжений по поперечному сечению элементов зависит от распределения температуры при сварке. Так, при значительных толщинах элементов конструкций, температура по толщине элементов при сварке распределяется весьма неравномерно. Расчёт сварочных напряжений в этих случаях следует производить с учётом неравномерности распределения температуры по толщине элементов и напряжённое состояние считать объёмным. Однако при сварке поясных швов в стержнях с элементами большой толщины = 20...40 мм - колонны нижних этажей многоэтажных зданий, бункерных эстакад, промышленных зданий с кранами большой грузоподъемности и др.) Вопрос распределения температуры по толщине элемента является не
Введение
изученным до настоящего времени. Исследованию распределения температуры при сварке по толщине элементов посвящена данная работа.
Исследованию распределения температуры при сварке в элементах тавровых соединений посвящены работы [1-3]. В этих работах изучалось распределение температуры по ширине полки и стенки тавра, и даются рекомендации по распределению долей тепла сварочной дуги между полкой и стенкой тавра [4-6]. Исследовалось распределение температуры при сварке по ширине элементов при сварке трением, а также влияние температуры на склонность к локальному разрушению сварных соединений [7,8]. Обзор этих работ показал, что распределение температуры при сварке по толщине элементов изучен недостаточно, что привело к необходимости дополнительно изучить этот вопрос.
Экспериментально температуру в данной работе определяли на тавровых образцах (рис.1) из низкоуглеродистой стали длиной 700.. .1000 мм, ширина полки Ь =250 мм, высота стенки ^=180 мм. Толщина полки варьировалась от 15 до 40 мм, толщина стенки ^ от 5 до 20 мм. Сварка производилась сварочных трактором АДФ-1004 в положении в лодочку под флюсом АН 348А сварочной проволокой 08 ГА диаметром 4 мм (рис.2) Толщины соединяемых элементов и параметры сварки представлены в таблице 1.
tf
bf
Т.2
Рисунок 1. Места установки термопар (Т.1, Т.2, Т.3)
Рисунок 2. Общий вид экспериментальной установки
Таблица 1.
Исходные экспериментальные параметры
№ образ ца Толщина, мм Катет шва, К, мм Режим сварки
полки мм стенки мм I св., А В и св., см/сек
1 15 5 5-6 600-620 30-32 1,5
2 15 8 5-6 600-620 30-32 1,5
3 20 7 6-7 600-620 30-32 1,33
4 20 10 6-7 680-700 28-30 1,33
5 33 10 7-8 680-700 28-30 0,91
6 33 15 7-8 680-700 28-30 0,91
7 40 15 9-10 750-770 40-42 0,83
8 40 20 9-10 780-800 38-40 0,83
9 33 10 10-11 680-700 38-40 0,83
10 33 15 15-16 800-820 40-42 0,5
11 40 15 15-16 800-820 42-44 0,5
12 40 20 15-16 780-800 40-42 0,5
Температура нагрева элементов таврового соединения определялась при помощи платина-платинородиевых (точка 3) и хромель-алюмелевых (точки 1
и 2) (рис.1) термопар, которые устанавливались в двух сечениях по длине образца на расстоянии 250... 300 мм друг от друга (рис.2)
Запись показаний термопар производилась на шлейфовом осциллографе К12-22. Контрольную тарировку термопар производили до и после сварки образцов с соответствующей записью тарировочных кривых на осциллографе. Одновременно производилась запись 6-ти термопар, что позволило проследить весь процесс изменения температуры (процесс нагрева и остывания) и определить максимальную температуру в исследуемых точках.
Для предотвращения влияния электромагнитного поля, возникающего от работы сварочного аппарата, на показания термопар, и работу приборов, термопары закрывались специальными защитными оболочками (экранировались). Защитные оболочки термопар при этом заземлялись.
Теоретически в исследуемых точках была определена температура согласно теории распространения тепла при сварке Н.Н. Рыкалина [9, 10]. Для этого вводимое при сварке таврового соединения тепло сварочной дуги распределяется между стенкой и полкой по формулам (1, 2) [1,11,12].
где ts - толщина полки; ^ - толщина стенки;
Чэ
--погонная энергия сварки.
По приближенной формуле для случая быстродвижущегося линейного источника тепла без учета теплоотдачи в окружающую среду температура
В полку
(1)
в стенку
(2)
равна|9
и
Чэ/ц
Т(г:t) = РЛ СВ-7 ■ е 4 а t (3),
г
2
(r;t)
S4n • а - с • у • t
2 2,2 где r = y + z - текущая координата,
ö - толщина свариваемого элемента,
t - период времени после действия источника тепла,
a - коэффициент температуропроводности,
су - объёмная теплоёмкость.
Толщина свариваемых элементов позволяет не учитывать теплоотдачу в окружающую среду.
Результаты расчета температуры с использованием теории Н.Н. Рыкалина [9, 10], и результаты экспериментальных исследований представлены в таблице 2.
Таблица 2.
Сопоставление результатов эксперимента с результатами расчёта
№ Толщ Толщ Максимальная Темпера Максимальная Температ
об ина ина температура Т в точке 1 тура в температура T в точке 2 и ура в
раз полки стенк и расчетное значение в точке 3 расчетное значение в точке 3 в
ца tf, мм и tw, момент времени ^ в момент времни t2 момент
мм t1, экспер расчет момент t2, экспер расчетное времени
сек имент ное времени сек имент знаничен t2, T, °С
T,°C значен t1, T, °С T, °С ие T, °С
ие T, °С
1 15 5 3 570 550 1100 8 320 360 480
2 15 8 3 535 550 1050 12 310 340 480
3 20 7 5 535 470 950 15 250 265 550
4 20 10 6 430 410 750 18 235 250 520
5 33 10 6 600 480 1000 32 135 140 350
6 33 15 12 330 370 800 31 130 135 350
7 40 15 10 500 410 1000 52 130 160 450
8 40 20 20 330 340 700 53 140 145 350
9 33 10 7 650 570 1200 36 145 180 600
10 33 15 13 650 535 1100 38 280 305 750
11 40 15 12 620 530 1000 54 235 270 550
12 40 20 15 360 400 850 51 225 240 420
В таблице 2 приняты следующие обозначения:
- за моменты 11 и 12 приняты периоды времени прошедшие от момента времени, соответствующего прохождению источника (сварочной дуги) через расчетное сечение (места установки термопар) до момента времени, когда температура, соответственно, в точках 1 и 2 (рис.1) достигнет максимального значения.
Например, образец №1 (табл.2). Температура в точке 1 (рис.1) достигла своего максимума через ^ = 3 сек. после прохождения источника через это расчетное сечение (точку), а в точке 2 (рис.1) температура достигла своего максимума через 12 = 8 сек. после прохождения источника через эту точку.
Из таблицы 2 видно, что результаты расчёта температуры вполне удовлетворительно совпадают с результатами эксперимента, что дает возможность использовать формулу (3) для расчета температуры в тавровых соединениях при сварке. Как эксперимент, так и расчёт показали, что при толщине полки > 15.16 мм и сварке минимально допустимыми катетами полка по толщине прогревается существенно неравномерно. При меньшей толщине полок можно считать, что полка прогревается равномерно по толщине. Таким образом, спектр толщин элементов можно разделить как бы на две группы, в соответствии с распределением температуры в тавровых соединениях при сварке. Первая группа толщин < 15.16 мм - «малые» толщины, когда температура по толщине полки при сварке распределена равномерно. Вторая группа толщин > 15.16 мм - «большие» толщины, когда температура по толщине полки распределена наравномерно.
Распределение температуры по толщине стенки ^ при сварке можно считать равномерным при соотношении / ^ > 2, для любой толщины полки.
M Инженерный вестник Дона, №4 (2023) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/N4y23/8320
Выводы
1. Экспериментальные исследования показали возможность использования теории распространения тепла при сварке Н.Н. Рыкалина к расчёту температуры в тавровых соединениях при сварке угловых швов.
2. Спектр толщины листового проката, применяемого в строительстве в соответствии с распределением температуры при сварке тавровых соединений, следует разделить на две группы:
- в первой группе толщины t < 15-16 мм распределение температуры по толщине элементов при сварке тавровых соединений можно считать равномерным.
- во второй группе толщины t > 15-16 температура распределяется по толщине элементов при сварке тавровых соединений не равномерно. Это обстоятельство необходимо учитывать при расчете сварочных напряжений и деформаций.
3. При отношении ts/tw > 2, для любой толщины полки распределение температуры по толщине стенки при сварке тавровых соединений можно считать равномерным.
Литература
1. Бельчук Г. А. О распределении тепла в элементах тавровых соединений при дуговой сварке // Сварочное производство. - 2019. - №9(3). - С. 13-15.
2. Казимиров А. А., Терещенко В.Н. Распределение тепла дуги между полкой и стенкой таврового соединения при сварке под флюсом // Автоматическая сварка. - 2010. - №10(6). - С. 23-27.
3. Киселев С.Н., Григорьянц А.Г., Воронин Н.Н. Температурные поля при многослойной сварке стыковых и тавровых соединений // Сварочное производство. - М. - 2015. - №5/2. - С. 12-20.
4. Das Gupta B., Gupta O.P. Temperature distribution in fille welds. // Inst. Eng. (India) Mech. Eng. Div., 2008. - №2. - p. 87-92.
5. Полетаев Ю.В. Влияние температуры и частоты малоциклового нагружения на склонность к локальному разрушению сварных соединений стали 12Х18Н12Т // Инженерный вестник Дона, 2011, №4. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2011/587.
6. Лившиц А.В. Влияние термоизоляторов на нагрев полимеров при высокочастотной электротермии // Инженерный вестник Дона, 2014, №2. URL : ivdon.ru/magazine/archive/n2y2014/2348.
7. Трошин С.С., Трифонова А.Ю., Коваленко И.А. Напряжения и деформации металла при дуговой сварке. Исследование режима распределения температуры // Сборник тезисов докладов научной конференции студентов и аспирантов Липецкого государственного технического университета. - 2017. с. 340-343.
8. Perret W., Schwenk C., Rethmeier M. Comparison of analytical and numerical welding temperature field control. Computational Materials Science. 2010. V.47. №4. p. 1005-1015.
9. Рыкалин Н.Н. Расчёты тепловых процессов при сварке. - Москва: Машгиз, 1951. - 296 с.
10. Хаустов С.В., Харламов В.О., Кузьмин С.В. Численное моделирование тепловых процессов при сварке. - Волгоград: ВолгГТУ, 2016. - 60 с.
11. Окерблом Н.О. Расчёт деформаций металлоконструкций при сварке. -Москва: АСВ, 2005. - 212 с.
12. Полишко Г.Ю. Распространение тепла в пластике с ребром жесткости // Технология и сварка в судовом корпусостроении и судовом машиностроении. - 1977. - №118. - с. 43-46.
References
1. Bel'chuk G.A. Svarochnoe proizvodstvo. 2019. №5. pp. 13-15.
2. Kazimirov A.A., Tereshchenko V.N. Avtomaticheskaya svarka. 2010. №10(6). pp. 23-27.
3. Kiselev S.N., Grigor'yanc A.G., Voronin N.N. Svarochnoe proizvodstvo. 2015. №5/2. pp. 12-20.
4. Das Gupta B., Gupta O.P. Engineering Mechanics. 2008. №2. pp. 87-92.
5. Poletaev Yu.V. Inzhenemyj vestnik Dona, 2011, №4. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2011/587.
6. Livshic A.V. Inzhenemyj vestnik Dona, 2014, №2. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y2014/2348.
7. Troshin S.S., Trifonova A.Yu., Kovalenko I.A. Sbornik tezisov dokladov nauchnoj konferencii studentov i aspirantov Lipeckogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2017. pp. 340-343.
8. Perret W., Schwenk C., Rethmeier M. Computational Materials Science. 2010. Vol.47, №4. pp. 1005-1015.
9. Rykalin N.N. Raschyoty teplovyh processov pri svarke [Design of thermal processes during welding]. Moskva : Mashgiz, 2001. 296 p.
10. Haustov S.V., Harlamov V.O., Kuz'min S.V. Chislennoe modelirovanie teplovyh processov pri svarke [Numerical modeling of welding heat process]. Volgograd: VolgGTU, 2016. 60 p.
11. Okerblom N.O. Raschyot deformacij metallokonstrukcij pri svarke [Design of metal structures' deformations during welding]. Moskva: ASV, 2005. 212 p.
12. Polishko G.Yu. Tekhnologiya i svarka v sudovom korpuso-stroenii i sudovom mashinostroenii. 1977. №118. pp. 43-46.
