7. Исследуемые точки: у₁ = 1 см = 10 мм, у₂ = 2 см = 20 мм, у₃ = 3 см = 30 мм.

Рис.1.1 - Схема однопроходной сварки встык двух пластин (m , n - свариваемые образцы; δ - толщина образцов; XOY - неподвижная система координат неподвижных точек; X ’ O ’ Y ’ - подвижная система координат источника тепла; l = δ - линия выделения тепла (источника тепла), толщина свариваемых пластин; 1,2,3 - исследуемые точки, термопары в них устанавливаются с обратной стороны пластины в среднем ее сечении; q_x , q_y - тепловые потоки от источника тепла)

Требуется:

1. Рассчитать максимальные значения температуры.

2. Рассчитать и построить изотермы температурного поля.

3. Рассчитать и построить изохроны температурного поля.

4. Вычислить мгновенную скорость охлаждения при данной температуре.

5. Расчет времени пребывания точек основного металла при температуре выше заданной.

2. Характеристика основного металла

Ст5гпс - сталь конструкционная углеродистая обыкновенного качества.

Химический состав:

Табл.2.1 - Химический состав в % материала Ст5Гпс

C	Si	Mn	S	P	Fe
0,22 - 0,3	до 0,15	0,8 - 1,2	до 0,05	до 0,04	98,26 - 98,98

Температура плавления: 1500°С;

Объемная (полная) теплоемкость: cγ= 4,74 Дж/ (см³ ∙ К);

Коэффициент температуропроводности: a= 0,085 см² /с;

Коэффициент теплопроводности: λ = 0,4 Вт/ (см ∙ К).

Все выше указанные данные взяты из приложения 1.

Повышенное содержание углерода ухудшает свариваемость стали Ст5Гпс, так как оно снижает стойкость металла шва к образованию кристаллизационных трещин и делает возможным появление в околошовной зоне малопластичных структур и холодных трещин.

Усиление чувствительности швов к кристаллизационным трещинам объясняет тем, что углерод повышает степень дендритной неоднородности распределения серы и способствует выделению ее по границам кристаллитов в виде легкоплавких сульфидных включений, увеличивающих ТИХ. Чтобы получить качественный шов, следует снизить содержание углерода в нем за счет применения соответствующих сварочных материалов и уменьшение доли основного металла в наплавленном. Необходимую же равнопрочность шва основному металлу получают дополнительным легированием элементами, упрочняющими феррит (марганец и кремний).

Повышенное содержание углерода в облегчает возможность появления мартенсита в околошовной зоне. Для углеродистого мартенсита характерны высокая твердость и хрупкость, объясняемые пластинчатой формой его строения. Протекающее же при низких температурах (менее 350°С) мартенситное превращение резко повышает уровень внутренних напряжений.

Чтобы предотвратить образование малопластичных и хрупких структур при сварке, следует замедлять охлаждение металла, регулирую режим сварки, а если необходимо, предварительно подогревать изделие. Для обеспечения высокой деформационной способности сварного соединения и его равнопрочности с основным металлом после сварки назначают термическую обработку (закалку с отпуском, нормализацию).

При нагреве до температур горячей деформации включения эвтектики сообщают стали хрупкость, а при некоторых условиях могут даже плавиться и при деформировании образовывать надрывы и трещины. Марганец устраняет красноломкость, так как сульфиды марганца не образуют сетки по границам зерен и имеют температуру плавления около 1 620°С, что выше температуры горячей деформации. Вместе с тем, сульфиды марганца, как и другие неметаллические включения, также снижают вязкость и пластичность, уменьшают усталостную прочность стали.

3. Обоснование и выбор условной расчетной схемы процесса

Рис.3.1 - Условная расчетная схема процесса однопроходной сварки встык с полным проплавлением двух пластин: (m , n - свариваемые образцы; δ - толщина образцов; XOY - неподвижная система координат неподвижных точек; X ’ O ’ Y ’ - подвижная система координат источника тепла; l = δ - линия выделения тепла (источника тепла), толщина свариваемых деталей)

Поскольку заданно полное проплавление, тело прогревается равномерно по всей толщине и температура по оси Z между ограничивающими поверхностями одинакова. Наличие двух параллельных поверхностей, ограничивающих распространение теплового потока, с постоянной температурой между ними является признаком "пластины". Следовательно, расчетной схемой нагреваемого тела будет "пластина". При полном проплавлении, тепло равномерно выделяется из условной линии 0’ и свободно распространяется в теле по осям x’ и y’. Это значит, что источник тепла "линейный". Скорость сварки, т.е. скорость движения источника тепла составляет 20 м/ч. По этому по характеру перемещения источник тепла является "быстродействующим".

Оценку теплового состояния основного металла будем производить во время выполнения сварки. Следовательно, по времени действия источник тепла "непрерывно-действующий".

Полная формулировка условий расчетной схемы имеет вид: "линейный, быстродвижущийся, непрерывно-действующий источник тепла в пластине".

В данном случае температура термического цикла рассчитывается по формуле:

(3.1)