KATEDRA WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW I METOD KOMPUTEROWYCH MECHANIKI. Wydział Mechaniczny Technologiczny POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "KATEDRA WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW I METOD KOMPUTEROWYCH MECHANIKI. Wydział Mechaniczny Technologiczny POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH"

Bogumił Kaczor
8 lat temu
Przeglądów:

1 KATEDRA WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW I METOD KOMPUTEROWYCH MECHANIKI Wydział Mechaniczny Technologiczny POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH PRACA DYPLOMOWA MAGISTERSKA Obliczenie rozkładu temperatury generującego się w procesie obróbki cieplnej warstwy wierzchniej metodą TIG

PRACA DYPLOMOWA MAGISTERSKA Obliczenie rozkładu temperatury

2 Spis rzeczy: Wstęp Proces spawania metodą TIG Proces krzepnięcia żeliwa Model matematyczny procesu obróbki cieplnej metodą TIG Wyniki i porównania Wnioski

3 Wstęp

4 Proces spawania metodą TIG

5 Ogólny podział metod spawania w osłonach gazów ochronnych przedstawia poniższy schemat: SPAWANIE W OSŁONACH GAZÓW OCHRONNYCH. ELEKTRODĄ METALOWĄ ELEKTRODĄ WOLFRAMOWĄ MAG ELEKTROGAZOWE MIG TIG PLAZMOWE PLAZMA MIG ŁUKIEM ZALEŻNYM ŁUKIEM NIEZALĘŻNYM

6 Przebieg procesu spawania ręcznego TIG (GTA) z zastosowaniem materiału dodatkowego Mocowanie i regulacja położenia elektrody wolframowej Uchwyt Gaz ochronny Przewód prądowy Spoiwo Elektroda wolframowa Końcówka prądowa ~= - (+) Kanały gazowe Dysza gazowa Spoina

wolframowej Uchwyt Gaz ochronny Przewód prądowy Spoiwo Elektroda

7 Łuk spawalniczy z elektrodą nietopliwą. Spawanie prądem stałym z biegunowością ujemną Katoda wolframowa (-) J Natężenie prądu spawania Strefa powłoki gazowej Kierunek ruchu jonów dodatnich Plazma Kierunek ruchu elektronów Jeziorko spoiny Anoda (+) Spawany materiał

J Natężenie prądu spawania ++++++ Strefa powłoki gazowej Kierunek

8 Rozkład energii cieplnej w łuku - ~38% ~62% +/- ~50% + ~62% ~38% - ~50%

9 Kształt złącza spawanego Spoina Fn Nadlew spoiny Linia wtopienia Materiał spawany SWC Fm SWC Fm obszar metalu rodzimego, który uległ stopieniu, Fn obszar metalu stopiwa, SWC strefa wpływu ciepła spawania

obszar metalu rodzimego, który uległ stopieniu, Fn

10 Proces krzepnięcia żeliwa

11 gdzie: X Równanie energii C(T) zastępcza pojemność cieplna. gdzie: ( X, t) T Ω : C( T ) = div λ t c m L ( m) v ( m ) ( T ) dfs dt V a zakrzepła objętość fazy austenitycznej [m 3 ], V e zakrzepła objętość fazy eutektycznej [m 3 ], [ gradt ( X, t) ] f f a s e s = = V V V V V objętość warstewki żeliwa [m 3 ], ( m) objętościowe ciepło utajone fazy austenitu (m=a), fazy eutektyki (m=e) L v [W/m 3 ]. a e

austenitycznej [m 3 ], V e zakrzepła objętość fazy eutektycznej [m 3 ], [ gradt ( X, t) ] f f a s e

12 Definicja entalpii H T = ( T ) c( µ ) 0 dµ gdzie: H(T) entalpia fizyczna.

13 Wykres entalpia węgiel dla stopów Fe-C

14 Wykres entalpia temperatura dla zadanej wartości CE CE=3,92% Teu

15 Aproksymacja wykresu entalpia temperatura Teu

16 Wygładzenie rzędu zerowego 2 T

17 Zastępcza pojemność cieplna dla żeliwa (1) C(T) eutektyka 2 T faza stała austenit faza ciekła T eu T L T

18 Zastępcza pojemność cieplna dla żeliwa (2) ( ) C T = c c c c L aus eu S T eu T eu + T T T < T T T eu T T < T + T T L L L c aus = T L L a v ( T + T ) eu c eu e Lv = 2 T gdzie: c L -objętościowe ciepło właściwe fazy ciekłej [J/m 3 K], c S -objętościowe ciepło właściwe fazy stałej [J/m 3 K],, T L - temperatura początku fazy ciekłej [K], T S - temperatura końca fazy stałej [K], T eu - temperatura eutektyczna [K],

właściwe fazy ciekłej [J/m 3 K], c S -objętościowe ciepło właściwe fazy stałej [J/m 3 K],, T L -

19 Dane materiałowe L a = [ J / kg] L e = [ J / kg] c L =785 [J/kgC], c S =685 [J/kgC], ρ=7200 [kg/m 3 ], λ s =40 [W/mK], λ L =7 λ s

20 Model matematyczny procesu obróbki cieplnej metodą TIG

21 Model obliczeniowy (1) Dane: wysokość 25 [mm], szerokość 80 [mm], długość 190 [mm]. Prędkość elektrody 100 [mm/min].

22 Symulacja zewnętrznego źródła ciepła (elektrody) T λ n gdzie: q b strumień ciepła [W/m 2 ], ( X t) T, n pochodna kierunkowa. ( X, t) = q ( X t) b, q b gdzie: Q jest mocą cieplną, 1 2 2, exp πσ 2σ Γ ( X t) = Γ σ -współczynnik rozproszenia energii, Γ 1 element powierzchni Γ 1. 1 Q x + y dxdy

23 Funkcja związana z oddziałaniem łuku spawalniczego

24 Obszar poza działaniem źródła zewnętrznego ( ) ( ) ( ) [ ] = T t X T T n t X T,, α λ ( ) ( ) + + = T T T T C T c ε α gdzie: C c stała promieniowania ciała doskonale czarnego: C c =5,67 [W/m 2 K 4 ], ε emisyjność powierzchni.

25 Model obliczeniowy (2) Dane: wysokość 25 [mm], szerokość 40 [mm], długość 95 [mm]. Prędkość elektrody 100 [mm/min].

26 Model obliczeniowy (2)

27 Dyskretyzacja funkcji związanej z źródłem zewnętrznym (1)

28 Dyskretyzacja funkcji związanej z źródłem zewnętrznym (2)

29 Siatka elementów skończonych (HEX 8) (1)

30 Siatka elementów skończonych (HEX 8) (2)

31 Rodzaje elementów TETRA (4) TETRA (10) PENTA (6) PENTA (15) HEX (8) HEX (12) HEX (20) HEX (27)

32 Siatka elementów skończonych (HEX 8) (3)

33 Wyniki

34 Rozpatrywane obszary B C A

35 B C A

37 12 [s]_bok

38 12 [s]_góra

39 Zakres temperatur (20; 80 C) C B A

40 4,5 i 45 [s]_temperatura (35; 1235 C)

41 Porównanie wyników MRS-MARC x 0 0,0005 y 0,001 0,0015 0,002 0,0025 0,003 0,0035 0,004 0,0045

42 Porównanie wyników MRS-MARC 3[s] MRS_3 [s] Temperatura [ C] ,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050 0,055 0,060 0,065 0,070 0,075 0,080 0,085 0,090 0,095 0,100 Odle głość [m] 0,0 [m] 0,0005 [m] 0,001 [m] 0,0015 [m] 0,002 [m] 0,0025 [m] MES_3 [s] Temperatura [ C] ,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050 0,055 0,060 0,065 0,070 0,075 0,080 0,085 0,090 0,095 0,100 Odle głość [m] 0,0 [m] 0,0005 [m] 0,001 [m] 0,0015 [m] 0,002 [m] 0,0025 [m]

43 Porównanie wyników MRS-MARC 6[s] MRS_6 [s] Temperatura [ C] ,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050 0,055 0,060 0,065 0,070 0,075 0,080 0,085 0,090 0,095 0,100 Odległo ść [m ] 0,0 [m] 0,0005 [m] 0,001 [m] 0,0015 [m] 0,002 [m] 0,0025 [m] MES_6 [s] Temperatura [ C] ,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050 0,055 0,060 0,065 0,070 0,075 0,080 0,085 0,090 0,095 0,100 Odle głość [m] 0,0 [m] 0,0005 [m] 0,001 [m] 0,0015 [m] 0,002 [m] 0,0025 [m]

44 Porównanie wyników MRS-MARC 9[s] MRS _9 [s ] Temperatura [ C] ,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050 0,055 0,060 0,065 0,070 0,075 0,080 0,085 0,090 0,095 0,100 Odległ o ść [m ] 0,0 [m] 0,0005 [m] 0,001 [m] 0,0015 [m] 0,002 [m] 0,0025 [m] MES_9 [s] Temperatura [ C] ,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050 0,055 0,060 0,065 0,070 0,075 0,080 0,085 0,090 0,095 0,100 Odległ o ść [m ] 0,0 [m] 0,0005 [m] 0,001 [m] 0,0015 [m] 0,002 [m] 0,0025 [m]

45 Porównanie wyników MRS-MARC 12[s] MRS _12 [s ] Temperatura [ C] ,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050 0,055 0,060 0,065 0,070 0,075 0,080 0,085 0,090 0,095 0,100 Odległ o ść [m ] 0,0 [m] 0,0005 [m] 0,001 [m] 0,0015 [m] 0,002 [m] 0,0025 [m] MES _12 [s] Temperatura [ C] ,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050 0,055 0,060 0,065 0,070 0,075 0,080 0,085 0,090 0,095 0,100 Odległ o ś ć [m ] 0,0 [m] 0,0005 [m] 0,001 [m] 0,0015 [m] 0,002 [m] 0,0025 [m]

46 Procentowe różnice między MRS i MARC BL = MRS MARC MRS 100%

47 Błąd po 3 i 6 [s] B ŁĄD_3 [s] 0,6 0,55 0,5 0,45 0,4 Błąd % 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0, ,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045 0,05 0,055 0,06 0,065 0,07 0,075 0,08 0,085 0,09 0,095 Odległo ść [m ] 0 0,0005 0,001 0,0015 0,002 0,0025 B ŁĄD_6 [s] 0,4 0,35 0,3 0,25 Błąd % 0,2 0,15 0,1 0, ,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045 0,05 0,055 0,06 0,065 0,07 0,075 0,08 0,085 0,09 0,095 Odległo ść [m ] 0 0,0005 0,001 0,0015 0,002 0,0025

48 Wnioski

49 Istnieje możliwość symulacji ruchu w programach które nie posiadają takiej funkcji, Na podstawie przedstawionych wyników symulacji zauważono, że proces przebiega bardzo burzliwie zwłaszcza w swojej pierwszej fazie, następnie się stabilizuje. Po około 9 [s], od chwili rozpoczęcia procesu można zaobserwować ustalenie się maksymalnej temperatury na około 1234 [ C]. W dalszej fazie temperatura ta tylko nieznacznie wzrośnie o około +5 [ C]. Otrzymane wyniki pokazują stosunkowo niewielki obszar wtopienia na głębokości, a znacznie większy na spawanej powierzchni. Związane jest to z przyjętymi do symulacji parametrami spawania takimi jak, prędkość spawania czy wartość mocy cieplnej. Wyniki otrzymane metodą elementów skończonych oraz metodą różnic skończonych są zbieżne (błąd nie przekracza 1%). Różnice wynikają z metody obliczeniowej oraz przyjętych uproszczeń.

Podobne dokumenty

Metody łączenia metali. rozłączne nierozłączne:

Metody łączenia metali. rozłączne nierozłączne: Metody łączenia metali rozłączne nierozłączne: Lutowanie: łączenie części metalowych za pomocą stopów, zwanych lutami, które mają niższą od lutowanych metali temperaturę topnienia. - lutowanie miękkie