CC BY
8
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УШВЕРСИТЕТУ
2006 р. Вип. №16
УДК 621.791.92.03-52
Гулаков C.B.1, Бурлака В.В.2, Псарева И.С.3, Дьяченко М.Д.4
ДИНАМИЧЕСКАЯ ДВУМЕРНАЯ МОДЕЛЬ СВАРОЧНОЙ ВАННЫ ПРИ СЛОЖНОЙ ТРАЕКТОРИИ ДВИЖЕНИЯ ИСТОЧНИКА ТЕПЛОТЫ
Рассмотрена упрощенная двумерная модель процессов тепло- и массопереноса, происходящих в сварочной ванне при наплавке рабочей поверхности валиками сложной формы. Траектория движения электрода может быть произвольной. Это дает возможность исследовать влияние траектории движения источника теплоты на параметры сварочной ванны.
Наплавка деталей и инструмента различного предназначения нашла в настоящее время широкое применение. Однако этой технологии присущ ряд недостатков, одним из которых является снижение эксплуатационных характеристик наплавленных изделий за счет неоднородности свойств упрочненного слоя. Так, рабочая поверхность валков станов горячей прокатки, наплавленная по известной технологии кольцевыми валиками [1] в процессе эксплуатации покрывается трещинами разгара (рис. 1), ориентированными преимущественно параллельно продольной оси этих валиков. Развитие трещин вглубь основы валка может привести к его поломке (рис. 2) [2].
Рис. 1 - Трещины разгара
Рис. 2 - Поломка валка
Уменьшить или полностью устранить вероятность поломки наплавленных изделий, повысить их эксплуатационные характеристики можно за счет совершенствования технологии наплавки.
Совершенствование технологии наплавки деталей прокатного и металлургического оборудования осуществляется разными путями (использование оптимально легированных электродных и присадочных материалов, применение модернизированного оборудования и др.), ресурсы которых в настоящее время практически исчерпаны.
Новым направлением в этой области является формирование рабочего слоя валиками регламентированной формы [3, 4], когда электроду во время наплавки изделия сообщаются колебания по определенному закону поперек вектора скорости сварки. Одним из вариантов
' ПГТУ, д-р. техн. наук, проф.
2 ПГТУ, ассистент
3 ПГТУ, канд. техн. наук, ст. преп.
4 ПГТУ, канд. техн. наук, доц.
такой наплавки является технология формирования рабочего слоя валиками зигзагообразной формы [5].
При формировании таких валиков наблюдается искажение их формы в местах резкого изменения траектории перемещения электрода, что отрицательно сказывается на качественных характеристиках наплавленного слоя.
Целью данной работы является создание математической модели сварочной ванны при сложной траектории движения источника теплоты. На основе этой модели появится возможность выявления путей управления качеством формирования валиков заданной формы. Указанная модель позволит управлять качеством формирования валика, оптимизировать траекторию перемещения электрода.
При исследовании динамики процессов, происходящих в сварочной ванне, необходимо учитывать тот факт, что основная часть переноса энергии в жидком металле ванны происходит за счет перемешивания. По этой причине методики, базирующиеся на классической теории теплопроводности, принципиально не могут дать корректных результатов [1]. В то же время учет конвекции приводит к очередной задаче: выяснение качественного и количественного характера потоков жидкого металла в сварочной ванне. Для решения этой задачи логично было бы воспользоваться системой уравнений Навье-Стокса и численным методом получить решение - поле скоростей жидкого металла в ванне.
Но при таком подходе возникает ряд сопутствующих задач: сложные взаимодействия жидкого металла на границах с фронтом кристаллизации приводят к усложнению описания граничных условий; необходимость моделирования также и процесса переноса материала электрода; необходимость расчета сил, действующих на жидкий металл со стороны магнитного поля сварочного тока (что сразу приводит к задаче расчета поля в ванне). Наконец, необходимо учитывать и взаимодействие жидкого металла поверхности ванны с флюсом.
Поэтому было предложено задаться полем скоростей жидкого металла в ванне, используя данные опытов [5].
В предлагаемой модели поле скоростей принято центральносимметричным. Влияние движения электрода при наплавке моделируется вычитанием из расчетного вектора скорости элемента массы металла в данной точке ванны вектора скорости электрода. Такой подход позволяет получать результаты моделирования, близкие к реальным.
^Для численного моделирования поля у температур используется метод конечных
разностей. Поверхность заготовки разбивается на элементарные квадратные ячейки со стороной с1х (рис.3). В пределах одной такой ячейки температура и вектор скорости металла постоянны. Электрод представляется в виде источника теплоты заданной мощности.
Как было указано выше, в модели учитывается перенос тепла посредством теплопроводности и конвекции. Уравнения в конечных разностях для теплопроводности получаются из классических:
1С)5
с)х
¿У
Рис. 3 - Иллюстрация метода конечных разностей
Поток теплоты через единицу площади, вызванный градиентом температуры:
= А,УТ,
где - поток теплоты, Вт/м , X - коэффициент теплопроводности, Вт/(мК). Скорость изменения температуры, вызванная притоком теплоты:
ах ^сй Я|УТс18
А " Сс1т " Ср(с1х)3 ' где С - теплоемкость, Дж/(кг-К), р- плотность, кг/м3. Перейдя к конечным разностям и умножив обе части на А, получим:
(1)
дт=—
м
2Т, - 4ТП
(3)
сР (ах)2
где Л1 - интервал времени, Т0 - Т4 - температуры металла в соседних ячейках (рис. 3).
Для учета переноса теплоты посредством конвекции рассчитаем количество теплоты, которое уйдет в направлении оси х из элемента объема жидкого металла размером ах за время А со скоростью Ух:
V А
= (4)
ах
Это количество теплоты перейдет в соседний элемент. Аналогичные рассуждения применимы и к оси у. Таким образом, для учета конвекции нужно осуществить перенос теплоты между соседними ячейками в соответствии с проекциями векторов скорости движения жидкого металла в этих ячейках.
Поле скоростей рассчитывается следующим образом:
У(К) =
Я-Я,
к к
-V*
1
(5)
я-я,
Здесь УЕ - вектор скорости электрода, Я и ЯЕ - радиус-вектор точки, для которой рассчитывается вектор скорости, и радиус-вектор электрода.
Показатель к определяет, насколько быстро снижается скорость движения жидкого металла по мере удаления точки наблюдения от электрода. В ходе анализа экспериментальных данных было установлено, что хорошую сходимость результатов дает к = 0,5. Формула применима в точках, не принадлежащих проекции электрода на поверхность ванны.
Результаты работы программы моделирования формы поверхности сварочной ванны приведены на рис. 4. Показан фронт кристаллизации (внешняя кривая) и несколько изотерм на поверхности жидкого металла. Анализ рис. 4 дает возможность исследовать влияние различных факторов на ее формоизменение, выявить пути целенаправленного воздействия на нее, технологические или энергетические параметры процесса, обеспечивающие заданные ее геометрические характеристики при формировании валиков сложной формы.
Рис.4 - Изотермы на поверхности сварочной ванны при изменении направления движения электрода на 90 В голове ванны виден высокий градиент температуры. Заметно проплавление с внутренней стороны угла.
Рис. 5 - Изменение площади поверхности сварочной ванны в функции времени
Интерес представляет кривая изменения площади поверхности сварочной ванны (рис. 5). После начала наплавки площадь быстро возрастает до стационарного значения (область 1 на рис. 5). При изменении на 90 ° направления движения электрода площадь поверхности ванны сначала уменьшается (область 2). Это сопровождается локальным перегревом жидкого металла в приэлектродной области.
Затем с течением времени площадь поверхности увеличивается, причем это происходит за счет удлинения хвоста ванны (область 3). После затухания переходного процесса площадь возвращается к своему установившемуся значению. Изменения площади поверхности ванны приводят к изменениям взаимодействий жидкого металла ванны с флюсом, что в конечном итоге может привести к неоднородности химического состава наплавленного валика.
Различия между экспериментальными данными и результатами моделирования не превышают 30 %.
Эти данные необходимы при разработке механизмов перемещения (колебания) электрода, систем автоматического управления их работой. При этом обеспечивается надежная работа электропривода и заданные характеристики перемещения электрода.
Дальнейшие усовершенствования модели могут заключаться в следующем:
переход к трехмерной модели ванны с учетом глубинных потоков; учет взаимодействия поверхности расплава с флюсом;
учет влияния сил, действующих на расплав со стороны магнитного поля сварочного тока; учет изменения параметров металла в зависимости от температуры.
Выводы
1. Приведена упрощенная модель, позволяющая качественно оценить изменение формы сварочной ванны при управлении траекторией движения электрода в процессе наплавки рабочей поверхности. В расчете используется учет переноса теплоты не только за счет теплопроводности, но и за счет перемещения масс жидкого металла в ванне.
2. Разработанная модель позволяет оптимизировать траекторию движения электрода для получения требуемых параметров наплавки рабочего слоя.
Перечень ссылок
1. Прохоров Н.Ник. Технологическая прочность сварных швов в процессе эксплуатации / Н.Ник. Прохоров. - М.: Металлургия, 1979. - 248с.
2. Чигарев В. В. Повышение работоспособности деталей и инструмента наплавкой гетерогенного слоя / В.В. Чигарев, В.П. Иванов, И.С. Псарева II Захист мсталурпйних машин вщ поломок: 36. наук. пр. - Mapiyno.ib. ПДТУ. - 2003. - Вип. 7. - С. 234 - 237
3. Гулаков C.B. Управление траекторией перемещения электрода при дуговой наплавке прокатных валков / C.B. Гулаков, В.П. Иванов, И.С. Псарева II Удосконалення процсав i обладнанння обробки тиском в металургн i машинобудуванш: 36. наук. пр. - Краматорськ, ДДМА. - 2000. - С. 322 - 324
4. Псарева И. С. Пути совершенствования технологии и оборудования для наплавки рабочих поверхностей с регламентированным распределением свойств /И. С. Псарева, В. В. Чигарев,
B.П. Иванов II BicHHK Приазовського державного техшчного ушверситету: 36. наук. пр. -Mapiynonb, 2003. - Вип. 13. - С. 185 - 189
5. Гулаков C.B. Наплавка рабочего слоя с регламентированным распределением свойств /
C.B. Гулаков, Б.И. Носовский. - Мариуполь: ПГТУ, 2005. - 170с.
6. Фрумин И.И. Технология механизированной наплавки 1И.И. Фрумин, Ю.А. Юзвенко, Е.И. Лейначук. - М.: Высшая школа, 1964. - 306 с.
Статья поступила 26.03.2006
