Научная статья на тему 'Численный анализ дефектов формы сварного шва при дуговой сварке'

Численный анализ дефектов формы сварного шва при дуговой сварке Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
417
69
Поделиться

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Судник В. А.

Представлен анализ состояния моделирования и имитации формирования дефектов при дуговой сварке. Приведены формулировки стационарных математических моделей сварки неплавящимся и плавящимся электродами, а также нестационарной модели плавящимся электродом. Решение задач поиска параметров режима сварки, обеспечивающих бездефектные области, проиллюстрированы на примерах двухмерных областей для СНЭ и трехмерных областей СПЭ.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Судник В. А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Численный анализ дефектов формы сварного шва при дуговой сварке»

МАШИНЫ, ТЕХНОЛОГИИ И МОДЕЛИРОВАНИЕ СВАРО ЧНЫХ ПРОЦЕССОВ *

УДК 621.791.75

В.А. Судник (Тула, ТулГУ)

ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ ДЕФЕКТОВ ФОРМЫ СВАРНОГО ШВА ПРИ ДУГОВОЙ СВАРКЕ

Представлен анализ состояния моделирования и имитации формирования дефектов при дуговой сварке. Приведены формулировки стационарных математических моделей сварки неплавящимся и плавящимся электродами, а также нестационарной модели плавящимся электродом. Решение задач поиска параметров режима сварки, обеспечивающих бездефектные области, проиллюстрированы на примерах двухмерных областей для СНЭ и трехмерных областей СПЭ.

Введение. Возрастание скорости и тока дуговой сварки неизбежно приводит к формированию дефектов сварки, таких, как различные не-сплавления, подрезы, горбистость и т.д. Дефекты сварки плавлением классифицируются международным стандартом 1БО 6520-1 и с 2003 г. в России и странах СНГ ГОСТ 30242-97. В настоящей статье рассматриваются дефекты 4-й (несплавления и непровары) и 5-й групп (нарушения формы шва), воспроизводимые математическими моделями формирования сварного шва. Дефекты других групп типа трещин, пор и твердых включений описываются более сложными моделями, учитывающими реакции между газами и свариваемым металлом, явления кристаллизации, твердофазных превращений и остаточных напряжений.

При обработке данных натурных экспериментов используется вычислительный эксперимент, в котором по дополнительным косвенным измерениям делается вывод о внутренних связях явления. При известной структуре математической модели исследуемого процесса решается обратная задача идентификации. Если модели процесса или явления нет, то проводится обработка в режиме «черного ящика» и решается обратная ап-проксимационная задача [1].

♦Избранные труды Второй Международной электронной научно-технической конференции «КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СОЕДИНЕНИИ МАТЕРИАЛОВ - 2007». - 01.09.2007. - 01.02.2008, Тула.

Модели идентификации и аппроксимации, используемые в обратном моделировании [2] и полученные подобным путем, в САПР называют феноменологическими. Феноменологическое моделирование выделяют при моделировании сварочных процессов наряду с подходами регрессионного анализа и искусственных нейронных сетей [3].

Феноменологическое математическое моделирование может основываться на использовании косвенных экспериментов, контролирующих дефекты 4-й и 5-й групп, таких, как модели разрыва во времени и давления дуги Патона и др., [4] понижения уровня ванны на линии её максимальной ширины Ерохина и др. [5], гидравлического прыжка [6], строжки [7] и др. [8]. В работе [9] анализируются три типа дефектов при аргонодуговой сварке: бугристость, подрез и свищ. Явление бугристости изучено в работе [10]. Известны аналитическая модель Гратзке и др. [11] неустойчивости жидкой струи Рэлея для шва с дефектами при лазерной сварке и упрощенные модели подреза и горбления [12]. Среди численных математических моделей можно назвать трехмерные модели [13, 14] для сварки неплавя-щимся электродом, модели [15, 16] для сварки плавящимся электродом и модель [17] для импульсно-дуговой сварки одним и двумя электродами.

Стационарная модель сварки неплавящимся электродом. Трехмерная модель СНЭ, которая прогнозирует дефекты типа подреза и прожога при стыковой сварке, описывается системой уравнений:

1) сохранения энергии

дН

дх

где Хея(7) - эффективный коэффициент теплопроводности [18], зависящий от температуры Т и учитывающий конвекцию в сварочной ванне,

А.е^-(7')= А,£(2-(Т£ -Т0)/(Т-То)), А,[_ - коэффициент теплопроводности

при температуре ликвидуса и Го - окружающая температура,

pvw - div\keff(T )gradT ], (1)

с граничными условиями

л дТ r\Q - к— =---------—ехр

fe 2n<jj

-а ҐТ-Т0)-го0(Т4-T¿), (2)

где Нч - эффективная мощность источника теплоты, ст- параметр распределения теплового потока анодной мощности, остальные обозначения общепринятые;

2) сохранения массы соединения, где объём сварочной ванны при комнатной температуре равен объёму расплавленной ванны с учетом выпуклости при объёмном термическом расширении и фазовом превращении «твердое - жидкое», что учитывается через температурное изменение плотности р(7);

3) сохранения движения свободной поверхности [19, 20] сварочной ванны 2=1{х,у) с адаптацией для условий сварки [14]

± о(Т )V •

VZ

Vl + I vz

= peZ + П________________4- T-*.

г о Jt urc ■ »

(3)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

где о(Т) - поверхностное натяжение расплава, V •- оператор Гамильтона (набла-оператор), g - ускорение свободного падения, /?агс - давление дуги, Г - константа, обозначает вызванное деформацией поверхностей среднее

изменение давления в расплаве, или множитель Лагранжа в экстремальной постановке.

Распределенное давление дуги определяется как

Раге —

гг

1 arc

2 по

(

ехр

2а-

(4)

где Farc - полная сила давления дуги, ар - параметр её распределения, г - расстояние от оси дуги.

Расчетная и экспериментальная геометрия ванны. Сопоставление расчетной и экспериментальной геометрии ванны для режимов СНЭ ау-стенитной стали 12Х18Н10Т толщиной 2,2 мм вольфрамовым электродом с углом заточки 30° и диаметром притупления 1 мм приведено на рис. 1,

2. Рис. 1 иллюстрирует продольные сечения сварочной ванны на режиме: I- 265 А, 1агс- 2 мм и vw = 1,1 см/с. Продольные сечения шва получены при высокопроизводительной сварке на режиме: I = 410 A, larc = 1 мм и vw= 3 см/с.

Рис. 1. Сравнение расчетного (вверху) и натурного (внизу) продольных сечений соединения (режимы сварки приведены в тексте; р ы <7 - кривые распределения давления дуги и её теплового потока)

Математическая модель и её программное обеспечение хорошо воспроизводит подрез линии сплавления (рис. 2).

Рис. 2. Сравнение расчетного (слева) и натурного (справа) поперечных сечений шва (вверху), а также трехмерный вид (внизу) расчетной продольной половины сварного соединения

Уравнения решали численно методом контрольного объёма. Численная аппроксимация нелинейной математической модели реализована в 1988 г. На языке БоЛтал с операционной системой ОС ДВК на компьютере ДВК-3 с объёмом оперативной памяти 64К производства СССР. Визуализация трехмерной сварочной ванны и ее поверхности с подрезом выполнена и впервые в мире опубликована в 1991 г. Численный анализ формирования подреза линии сплавления выполнен в докторской диссертации автора [19], где показано, что двумя основными факторами, определяющими форму подреза, являются уровень жидкого металла перед фронтом кристаллизации и положение последнего. Первый фактор зависит от равновесия распределенных сил в сварочной ванне и гидродинамики ванны, а второй - от термических условий кристаллизации. Путями предотвращения подрезов являются: 1) перераспределение давления дуги отклонением катода вперед или использованием полого катода для уменьшения давления дуги и исключения строжки; 2) использование подогрева или снижения температуры ванны (для уменьшения градиента температур на фронте кристаллизации); 3) переход к двух- и многодуговым процессам, эффективно реализующим оба вышеназванные пути.

Вытекание ванны, или прожог, является следствием потери устойчивости ее нижней поверхности. Сила поверхностного натяжения пропорциональна кривизне. Радиус продольной кривизны нижней поверхности □ а радиус поперечной уменьшается по мере кристаллизации ванны и сужения её ширины. При этом на поперечном профиле неизбежно появление перегибов, приводящих к потере устойчивости. Появление вертикального перегиба нижней поверхности ванны ЪИду со приводит к расхо-

димости численного решения нелинейной задачи равновесия обратной стороны шва, в то время, как линейное решение сходится, что было отмечено ранее в литературе [13].

Если представленная выше модель в упрощенной линейной постановке воспроизводит формирование подрезов, то для расчетного прогноза образования прожогов модель должна строиться только в нелинейной постановке, т.е. с учетом зависимостей коэффициента теплопроводности от температуры и деформации поверхностей от кривизны. Путями предотвращения прожогов являются: 1) уменьшение массы ванны, 2) снижение температуры и давления отдачи пара, например, за счет введения присадочной проволоки или использования электромагнитного перемешивания,

3) наложение позади дуги внешнего поперечного магнитного поля, создающего при взаимодействии с током в сварочной ванне, вертикальные объёмные силы.

Двумерная область бездефектной СНЭ. Двумерная область бездефектного формирования шва и образования сварочных дефектов типа не-провара, а также прожога и непрерывного подреза, зависящих от скорости сварки и тока, приведена на рис. 3.

Рис. 3. Бездефектная рабочая область при СНЭ в аргоне в зависимости от скорости сварки и тока для аустенитной стали толщиной 2 мм, полученная моделированием теплопереноса и гидростатики

Стационарная модель сварки плавящимся электродом. Трехмерная численная модель МАГ сварки описывается системой уравнений энергии, массы и движения. В уравнении энергии электрическая мощность дуги является суммой мощностей, выделяемой в анодной и катодной областях, а также в плазме столба дуги AQC0/. Анодную мощность разделяли на две составляющие - объёмную qvo/, и поверхностную qsurf-

PVW “ = div[X(T )gradT] + qvo! (5)

OX

с граничными условиями

> \

+ Я шг/с + Я $иг/,со1 ” °С 5 (Т — ^0 ) 9 (6)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

г2

. дТ Чзиг/а -Я.— *-----------техр

& 2тга~

2

где дто/ = рУу,Ауу{сТ5 + Нт); - скорость подачи электродной проволоки;

Л„ - площадь ее сечения; Т5 - температура солидуса; Нт - энтальпия плавления; Ч$иг/а у)\ А#«, - энтальпия перегрева капель;

= 0,5(Тгар -Ті); Ттр и Г[ - температуры испарения и плавления

проволоки; Ста - параметр распределения анодной мощности капель.

Уравнение сохранения массы сварного соединения с учетом её локального увеличения от поступления капель электродного металла имеет вид

2

»ті ’р

Шрт0 - Ш Аф* + V ^ . (7)

где с!„ - диаметр электродной проволоки; скорость подачи проволоки; Ьу,р - средняя длина сварочной ванны.

Уравнение движения свободной поверхности сварочной ванны запишется так:

у 7

±ст(г)у--г====^ = р£<^-г;ч^агс+/>у + Л (8)

Ь'М

где И - высота столба расплава; р„ - давление отдачи паров.

Оптимизация параметров СПЭ и трехмерная область бездефектных швов. Выбор наилучшего значения основывается на решении оптимизационной задачи с учетом параметров сварки. Алгоритм поиска параметров сварки 1,1] и в области вольт-амперной характеристики дуги включает следующие шаги:

1. Выбор максимального сварочного тока.

2. Расчет соответствующего напряжения дуги.

3. Задание некоторой начальной скорости сварки и поиск методом золотого сечения максимальной скорости сварки утах, при которой обеспечивается проплавление угла.

4. Поиск минимальной скорости сварки ут{п, при которой обеспечивается полное проплавление одной из деталей.

5. Оценка вероятности дефектов вытекания ванны и подреза с корректировкой при необходимости ут|„.

6. Расчет г'-го коэффициента вариации Р\.

7. Повторение процедур расчета, начиная с нового значения тока, и расчет нового коэффициента вариации.

8. Выбор наибольшего значения Р, как оптимального и запоминание оптимальных значений тока /50, напряжения Us и скорости сварки vso.

Экранная копия результатов нахождения оптимальной точки в допустимой области изменения тока и напряжения, а также скорости МАГ сварки в смеси СОг + 18 % Аг стыкового соединения низколегированной стали приведена на рис. 4.

"u.cnvraln

1 и. V

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Рис. 4. Экранная копия результатов нахождения оптимальной точки в допустимой области изменения параметров сварки

Нестационарная математическая модель сварки плавящимся электродом. Нестационарная модель МИГ/МАГ сварки отличается динамическим членом в уравнении энергии

cp^-pv.f = div\X(T )gradT ] ot ôx

(9)

-Æ =

dz

с граничными условиями

ґ 'У N

Qan

2 ко

exp

an

2a

an

2nocat

\

2a

cat y

-*S(T-T0),m

где п - доля мощности столба дуги, затрачиваемая на нагрев стенок кратера и поверхностей угловых соединений.

Уравнение сохранения массы и движения для режима сварки без программирования тока и скорости подачи проволоки не изменяются.

Выводы

1. Представлен анализ состояния моделирования и имитации формирования дефектов при дуговой сварке.

2. Приведены формулировки стационарных математических моделей сварки неплавящимся и плавящимся электродами, а также нестационарной модели плавящимся электродом, которые позволяют воспроизводить формирование дефектов типа подреза и прожога.

3. Решение задач поиска параметров режима сварки, обеспечивающих бездефектные области, проиллюстрировано на примерах двухмерных областей для СНЭ и трехмерных областей для СПЭ.

Библиографический список

1. Самарский А.А. Вычислительная теплопередача / А.А. Самарский, П.Н. Вабищевич - М: Изд-во УРРС. - 2002. - 782 с.

2. Норенков И.П. Основы САПР / И.П. Норенков - М: Изд-во МГТУ им. Баумана. - 2002. - 336 с.

3. Taiioring complex weid geometry through reliable heat-transfer and fluid-flow calculations and a genetic algorithm / A. Kumar, T. DebRoy // Met. and Mat. Trans. A. - 2005. - Vol. 36. - P. 2725 - 2735.

4. Патон Б.Е. Некоторые особенности формирования шва при сварке на повышенных скоростях / Б.Е. Патон, С.Л. Мандельберг, Б.Г. Сидоренко // Автомат, сварка. - 1971. - №8. - С. 3 - 10.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

5. Ерохин А.А. Влияние заточки электрода вольфрамового катода на формирование подрезов и газовых полостей при сварке / А.А. Ерохин,

В.А. Букаров, Ю.С. Ищенко // Автомат, сварка. - 1972. - №5. - С. 10-16.

6. Чернышов Г.Г. О движении металла в сварочной ванне / Г.Г. Чернышов, А.М. Рыбачук, С.Ф. Кубарев // Известия вузов. - М.: Машиностроение. - 1979. - №3. - С. 123 - 129.

7. A study on bead formation by low pressure TIG arc and prevention of undercut bead / W. Shimada, S.A. Hoshinouchi // J. Jap. Weld. Soc. - 1982. -Vol. 51. - № 3. - P. 125- 130.

8. Березовский Б.М. Математические модели дуговой сварки: в 4 т. Т. 3. Давление дуги, дефекты сварных швов, перенос электродного металла / Б.М. Березовский. - Изд-во ЮУрГУ. - 2003. - С. 486.

9. Effect of Arc Force on Defect Formation in GTA Welding / W.F. Savage, E.F. Nippes, K. Agusa // Weld. J. - 1979. -Vol. 58. - № 7. -P. 212-24.

10. The humping phenomenon during high speed GMAW / T.C. Nguyen, D.C. Weckman, D.A. Johnson, H. W. Kerr // Sci. and Techn. of Weld, and Joining. - 2005. - Vol. 10. - № 4. - P. 447 - 459.

11. Theoretical approach to the humping phenomenon in welding processes / U. Gratzke, P.D. Kapadia, J. Dowden // J. Phys. D: Appl. Phys. - 1992. -Vol. 25-P. 1640- 1647.

12. Penetration and defect formation in high-current arc welding / P.F. Mendez, T.W. Eagar // Weld. J. - 2003. - Vol. 82. - No 10. - P. 296 - 306.

13. Mathematical modelling of a molten pool in arc welding of thin plates / T. Ohji, K. Nishiguchi // Rep. of Osaka Univ. - 1983. - Vol. 33. -№ 1688.-P. 35-43.

14. Sudnik W.A. Digital and experimental temperature distribution in the weld zone when subjected to the effect of a defocused energy beam /' W.A. Sudnik // 2nd Int Conf “Beam Technology”, Düsseldorf, DVS Verlag. - 1985. -P. 158-161.

15. Судник В.А. Программное обеспечение MAGSIM для анализа, оптимизации и диагностики процесса сварки тонколистовых соединений плавящимся электродом в активном газе / В.А. Судник, В.А. Иванов, O.A. Мокров // Свароч. пр - во. - 1995. - №11. - С. 19-24.

16. Судник В.А. Моделирование и численная имитация импульсно-дуговой сварки алюминиевых сплавов / В.А. Судник, A.C. Рыбаков,

С.В. Кураков /'/' Свароч. пр-во. - 2002. - №3. - С. 9 - 15.

17. Судник В.А. Теплофизические модели и прикладные программы расчётов на ЭВМ температурных полей при сварке плавлением тонколистовых соединений / В.А. Судник // Сварка цветных сплавов. - Тула: Тул-ПИ.- 1985.-С. 18-28.

18. Ландау С.Д. Теоретическая физика: в 3 т. Т. 3. Механика сплошных сред. / С.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц - М-Л: ОГИЗ. - 1944. - 450 с.

19. Судник В.А. Прогнозирование качества сварных соединений на основе численных моделей формирования шва при сварке плавлением тонкостенных конструкций: дис. ... д-ра техн. наук / В.А. Судник - Л., 1991.-340 с.

20. Судник В.А. Расчеты сварочных процессов на ЭВМ / В.А. Судник, В.А. Ерофеев. - Тула: ТПИ, 1986. - 100 с.

Получено 23.04.08

УДК 621.791.92:658.58

Ю.Ю. Левин, В.А. Ерофеев, В.А.Судник (Тула, ТулГУ)

ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ПОЛУЧЕНИЯ БЕЗДЕФЕКТНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ ИМПУЛЬСНОЙ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКЕ

Рассмотрены физические закономерности ИЛС и установлены физикотехнологические условия возникающих дефектов сварки, отражающие связь появления выплесков в начале импульса, пустот в корне шва в конце импульса, усадочных раковин в паузе между импульсами, герметичности шва с параметрами режима импульсной лазерной сварки. Установлено, что причиной возникновения выплеска является быстрое заглубление луча, вызывающее вытеснение расплава и создающее скоростной напор, который может преодолеть силы поверхностного натяжения.

Анализ конструктивных особенностей изделий в приборостроении и требований, предъявляемых к ним, показал, что наиболее эффективным способом получения неразъемных соединений малых толщин является ис-