CC BY
65
торца проволоки, в результате чего капля перемещается на ее боковую поверхность. В описываемых условиях плотность плазменных потоков, как и в предыдущем варианте, моделируется как плотность окружающего воздуха.
Выводы
1. Сравнение видеограмм моделируемых процессов показывает, что при импульсном движении пипетки благодаря накопленной кинетической энергии скорость перехода капли в жидкую ванну на порядок выше, чем при неподвижно закрепленной с равномерно увеличивающейся в объеме каплей.
2. Приводимая модель дает возможность определить преимущество сварки с импульсной подачей сварочной проволоки перед сваркой с непрерывной подачей.
3. Увеличение длины капли поглощает энергию капли, уменьшая ее кинетическую составляющую на момент касания каплей с жидкой ванной, следовательно, при импульсном движении капли скорость ее перехода зависит от расстояния между остановившейся каплей и жидкой ванной.
4. Скорость перехода капли в жидкую ванну и ее отрыв от жидкого носителя зависит от энергии (потенциальной и кинетической), накопленной каплей до касания ее с жидкой ванной, поэтому при импульсной подаче капли жидкости скорость ее перехода на порядок выше, чем при нарастании массы без движения.
5. При сварке с короткими замыканиями сварочной дуги силы поверхностного натяжения играют положительную роль в переходе капли в сварочную ванну.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кухлинг Х. Справочник по физике. — М.: Мир, 1982. —519 с.
2. Гегузин Я.Е. Капля. — М.: Наука, 1973. —160 с.
3. Патапьевский А.Г. Сварка в защитных газах плавящимся электродом. — М.: Машиностроение, 1974. —240 с.
4. Лесков Г.И. Электрическая сварочная дуга. — М.: Машиностроение, 1970. —335 с.
УДК 548.4.001:621.791.052.08:620.179.16
МЕХАНИЗМ ЗАРОЖДЕНИЯ, ФОРМИРОВАНИЯ И ДИАГНОСТИКА НЕПРОВАРА В ПРОЦЕССЕ
СВАРКИ. Ч. 1
А.М. Апасов, А.А. Апасов
Юргинский технологический институт Томского политехнического университета E-mail:adm@ud.tpu.edu.ru
Приведены результаты модельных и экспериментальных исследований процесса зарождения, формирования и развития непровара в процессе сварки. Данные модели позволили затем одновременно осуществлять регистрацию непровара в реальном масштабе времени и формировать управляющие сигналы для коррекции параметров режимов сварки.
1. Анализ дефектов в сварных соединениях
Анализ причин отказов, выхода из строя и аварий машин, агрегатов и конструкций показывает, что в большинстве случаев это происходит в результате наличия дефектов в конструкционных элементах, допущенных в процессе их изготовления или возникших при эксплуатации [1]. Дефекты существенно сокращают долговечность конструкционных элементов, а период развития усталостных трещин в зависимости от условий эксплуатации, режима циклического нагружения и величины концентрации напряжений может составлять существенную, а в ряде случаев и преобладающую часть общей долговечности конструкционного элемента.
Весьма большую группу технологических дефектов составляют дефекты сварки. При циклическом нагружении непровары, поры, шлаковые включения и их цепочки оказывают значительное влияние
на сопротивление усталости сварных соединений металлов [2—4], особенно, если они расположены в зоне остаточных растягивающих напряжений [4]. Степень опасности таких дефектов для материалов, работающих при малоцикловом нагружении, принято оценивать по коэффициентам снижения усталостной прочности К [3] и коэффициентам деформаций Ке [5], используемых для расчета долговечности до зарождения трещины.
Полученные значения К для различных типов дефектов при ручной электродуговой сварке, выполненной различными сварочными материалами, применяемыми для исследования сталей, представлены в [1].
Сопоставление с расчетными значениями К^ демонстрирует достаточно хорошее совпадение результатов для одиночных дефектов типа пор и шлаковых включений. Для острых дефектов типа непровара и
цепочек шлаковых включении, имеющих нерегулярную форму, расчетные значения К^ оказываются выше, чем экспериментальные значения К. Значения коэффициентов К для различных видов сварочных дефектов в малоуглеродистых низколегированных сталях находятся в следующих пределах [3]: Поры 2...3
Шлаковые включения 3.5
Острые шлаковые включения 5.7
Цепочка шлаковых включении и пор 6,5.9
Непровар 9.15
Представление о степени снижения пределов выносливости в зависимости от размеров дефектов в сварных соединениях конструкционных сплавов дают результаты в табл. 1 и на рис. 1 [3], рис. 2, а, б [1].
Таблица 1. Коэффициенты снижения усталостной прочности для сварных соединений (ручная сварка) с дефектами при малоцикловом нагружении [3]
Марка Электроды Тип дефекта Размеры К.
стали дефекта, мм
15Х2МФА Н6 Шлаковые 1x3,5 1,60
включения 2x3 1,95
2,8x3 2,25
Непровар 4...5 4,00
Непровар 10 5,00
22К УОНИ - 13/45 Шлаковые 1x3,5 1,4
включения 2x3 1,55
2,8x3 1,85
Непровар 2.3 2,85
4.6 3,70
0Х18Н10Т 18 Сг 16 N1 2 Мо Шлаковые 2x3 1,18
включения 3x3 1,44
4x3 1,84
Непровар 5 2,70
ра) в непроварах [1] показала, что для глубокого непровара (занимающего 50 % толщины сечения) теоретическии коэффициент концентрации равен 23; действительные напряжения на расстоянии 0,5.1 мм от основания непровара превышают номинальные в 5,5.8,2 раз. При малом непроваре (6.7 % толщины сечения) максимальный теоретический коэффициент концентрации равен 4, а действительные напряжения на расстоянии 0,5.1 мм от поверхности дна непровара в 1,7.2 раза превышают номинальные.
Теоретическая оценка коэффициентов концентрации напряжений (с помощью решения Нейбе-
Малоцикловаяусталость сварных соединений из стали 15Х2МФА с внутренними технологическими дефектами [1]: 1 и 3) разрушение образцов без дефекта и с ним; 2) появление трещиныI в образцах без дефекта; 4-7) появление трещиныI в образцах со шлаком диаметром, равным 1,0; 2,0; 2,8 мм и непроваром
В целом вопрос о влиянии пор, неметаллических включений, непроваров на статическую и циклическую прочность конструктивных элементов в конечном счете не может с достаточной для практики точностью быть решен только расчетным способом и требует, как правило, экспериментального обоснования путем испытаний образцов, моделей, а в ряде случаев и натурных испытаний конструкций.
Обычно для контроля качества сварных соединений используют акустические методы: теневой,
300
, Сварное соединение Основной металл
1 Л .3 4
О 10 20 30 40 Глубина непровара, %
а
з
з о
а §
я Р
о Я
а Р
о и
а ^
т с-
£ 2
§ 3
я а.
а я
_ я
| &
О
а. |
в *
л я
Эг?
£ г § §
е-
3 I 3 2 £ в
= 1 шё
Ц 5
100
о о я = ы
я
80
60
40
20
10
20
30
Глубина непровара, % б
Рис. 2. Влияние глубины непровара на усталость сварных швов: а) влияние глубины непровара на предел выносливости сварных образцов — сталь марки 30ХГСА. Сечение: 1) ослабленное непроваром; 2) без учета ослабления, сталь марки 1Х18Н9Т: 3), ослабленное непроваром; 4) без учета ослабления, дуралюмин марки Д16Т; 5) ослабленное непроваром; 6) без учета ослабления; б) прочность стыковых швов при повторно-статических нагрузках — сталь марки 30ХГСА. Сечение: 1) ослабленное непроваром; 2) без учета ослабления, дуралюмин марки Д16Т; 3) ослабленное непроваром; 4) без учета ослабления, сталь марки 1Х18Н9Т; 5) ослабленное непроваром; 6) без учета ослабления
зеркально-теневой, эхо-импульсный [6]. Общим их недостатком является наличие временной мертвой зоны, представляющей собой неконтролируемый поверхностный слой, в котором эхо-сигнал от дефекта не отделяется от зондирующего. Кроме того, определение характера дефектов, в том числе особо опасных плоскостных дефектов с малым раскрытием (трещин, тонких непроваров), с точки зрения эксплуатационной надежности изделий -одна из наиболее трудных задач для ультразвукового контроля. До настоящего времени многие инструкции и нормы оценки качества изделия исходят из предположения о невозможности определить характер дефекта с помощью ультразвука [7].
Наиболее перспективен способ контроля качества сварного соединения, заключающийся в приёме сигналов акустической эмиссии (АЭ), рождаемых исследуемым швом, подсчёте количества импульсов и их интенсивности, по которым судят о качестве сварного шва, причём с целью повышения достоверности и уменьшения трудоёмкости при контроле сварных соединений типа труба - трубная доска, прием сигналов АЭ осуществляют в момент производства сварного шва в двух точках отдельных частей сварной конструкции пьезопреобразователями, один из которых устанавливается на трубе, а другой - на трубной доске, и по соотношению количества импульсов АЭ и их интенсивности на разных пье-зопреобразователях судят о качестве сварного соединения, в частности, о наличии непровара [8]. Отметим недостатки данного способа:
1. Не рассматривается физическая природа источников, объясняющих причину зарождения непровара.
2. Не разработан механизм зарождения, формирования и развития непровара.
3. В качестве информативного параметра используется интенсивность импульсов АЭ, характеризующая скорость появления дефектов, но не установлен тот тип параметра АЭ-излучения, который непосредственно свойственен процессу зарождения и развития непровара, в частности, при импульсной аргонодуговой сварке изделий из однородного металла.
Поэтому основной задачей исследования является выявление механизма зарождения, развития и формирования непровара в процессе сварки.
2. Решение динамической задачи термоупругости на границе основного и наплавленного металла
Поставленная задача решается следующим образом [9]. По границе сплавления основного и наплавленного металла шва при импульсном нагреве и интенсивном охлаждении при сварке изделий из однородного металла изменение температурного поля вызывает термические напряжения (пики). Поэтому данная задача относится к категории нестационарной, в связи с чем необходимо учитывать инерционные члены, так как они будут вносить существенный вклад в окончательное решение. В данном случае решается одномерная задача термо-
упругости. При этом учитываются инерционные члены в уравнениях движения упругой среды, а искомое выражение сводится к уже известному решению задачи Даниловской [10].
Предположим, что температура упругой среды задана как функция координаты х и времени ¡, т.е. Т=Т(х,/). Напряжения, возникающие из-за неравномерного распределения температуры, будут зависеть от координаты х и времени ¡. При этом принимаем напряжения Ху, Х1 и смещения V, ^ равными нулю. Тогда два уравнения движения упругой среды удовлетворяются тождественно и остаётся лишь одно уравнение
дХх
дх
= Р
д и д(2 "
(1)
Дифференцируя обе части ур. (1) по х и подставляя вместо производной её выражение через напряжения согласно обобщенного закона Гука, получим:
2 д2X д2Х д2Т
а -х--— сЫ-к-
д(2
дх2
д( 2
(2)
Я + 2л
где а =--— скорость распространения упру-
V Р
гой волны; Я и ¡л - постоянные Ламе; р - плотность; з=а(2/л+3Х) - постоянная, имеющая размерность напряжения; а - коэффициент линейного расширения.
Решим задачу о импульсном нагреве границы упругого полупространства, основываясь на ур. (2). Прежде всего, будем исходить из условия, что температура Т(х, ¡) полупространства удовлетворяет: - уравнению теплопроводности
§=* дТ-Лх **0);
- начальному условию
Т ( х t )| ,=0 = 0
граничному условию
Т (х,( )| х=0 = То.
(3)
(4)
(5)
Тогда решение ур. (3) при условиях (4) и (5) в символах операционного исчисления будет иметь вид:
Т * =—ехр(-х, Р
где
Т *( х, р) = | Т (х,( )е - Р'Ж.
(6)
(7)
Напряжение Хх, возникающее вследствие мгновенного нагрева, удовлетворяет:
- ур. (2);
- начальным условиям
Х| =дХх
х1,=0 д,
= 0;
(8)
- граничному условию
(9)
- предельному условию, т.е. Хх остаётся конечным при х^да.
В результате анализа полученного решения установлено, что до момента времени 1=х/а напряжение Хх растёт от 0 до некоторого отрицательного значения, величина которого всегда меньше, чем sT0. В момент времени 1=х/а (т.е., в тот момент времени, когда упругая волна, начавшая свое движение от границы полупространства в момент 1=0, достигнет фиксированного сечения) напряжение Хх делает скачок на величину sГ0 в область положительных значений и затем быстро убывает до 0.
На рис. 3 представлена графическая зависимость изменения напряжения Хх с течением времени в сечении £=1.
^ТоХх
х_ 2х Зх 4х
а а а а
+1
-1
Рис. 3. Зависимость изменения напряжения Д. с течением времени в сечении =
Следовательно, при мгновенном (импульсном) нагреве границы упругой среды в ней возникают кратковременные растягивающие и сжимающие напряжения порядка sT0. Без учета инерционных членов в уравнениях движения упругой среды напряжения Хх были бы равными 0.
Схема непровара представлена на рис. 4.
Следует отметить, что сварочный процесс представляет собой технологическую операцию, в результате которой реализуется атомарная связь на контактных поверхностях двух сварочных заготовок. В связи с этим на рис. 5 представлена сферо-литная модель непровара, на которой наглядно представлено распределение сил межатомного взаимодействия. В частности, внутри кристалла каждый атом удерживается в своем положении силами связи, симметрично распределенными между окружающими его со всех сторон соседними атомами. На свободной поверхности кристалла, имеющейся в результате образования непровара, атом находится рядом с другими, лежащими с ним в одной плоскости и в плоскости, находящейся непосредственно ниже, однако над ним отсутствуют соседние атомы. Вследствие этого силы, удерживающие поверхностные атомы, несимметричны, и эти атомы не могут принять положения, соответствующего равновесному состоянию и наименьшей энергии кристалла.
Рис. 4. Схема непровара
Рис. 5. Сферолитная модель непровара с распределением сил межатомного взаимодействия
Таким образом, структура кристалла на его свободной поверхности и непосредственно под ней оказывается искаженной. Локальное искажение является признаком запасённой энергии точно так же, как если бы подобные искажения возникли в результате действия внешней нагрузки. Такая форма энергии наблюдается на всех свободных поверхностях кристалла, поэтому её называют поверхностной энергией. Следовательно, силы межатомного взаимодействия атомов, находящихся на свободной поверхности кристаллов, неуравновешены, а сами атомы на поверхности непровара уже находятся в напряженном состоянии и, тем более, те, которые расположены в устье непровара.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Трощенко В.Т., Красовский А.Я., Покровский В.В., Сосновс-кий Л.А., Стрижало В.А. Сопротивление материалов деформированию и разрушению. Ч. 2. -Киев: Наукова думка, 1994. -704 с.
2. Большова К.М. Магнитный метод определения предела усталости // Заводская лаборатория. - 1947. — № 1. - С. 58-64.
3. Лебедев Г.А., Маринец Т.К., Ефремов А.И. Исследование циклической прочности металлов методом записи диаграмм усталости / Циклическая прочность металлов. - М.: Изд-во АН СССР, 1962. -С. 141-146.
4. Писаренко Г.С., Красовский А.Я., Йокобори Т. Экспериментальное изучение и анализ кинетики пластической зоны. -Киев, 1980. - 66 с. (Препр. АН Украины ИПП).
5. Голуб В.П. Циклическая ползучесть жаропрочных никелевых сплавов. — Киев: Наукова думка, 1983. — 224 с.
6. Неразрушающий контроль металлов и изделий. Справочник под ред. Г.С. Самойловича. — М.: Машиностроение, 1976. — 456 с.
7. Неразрушающий контроль. В 5 кн. Кн. 2. Акустические методы контроля: Практ. пособие / И.Н. Ермолов, Н.П. Алёшин, А.И. Потапов; под ред. В.В. Сухорукова. — М.: Высшая школа, 1991. — 283 с.
8. А.с. 567128 СССР. Способ контроля качества сварного соединения / В.М. Белов, Ю.И. Болотин. Бюлл. изобр., 1977, № 28.
9. Пат. 2212030 РФ. Способ обнаружения непровара / А.М. Апа-сов, А.А. Апасов. Бюлл. изобр., 2003, № 25. — С. 564.
10. Даниловская В.И. Температурные напряжения в упругом полупространстве, возникающие вследствие внезапного нагрева его границы // Прикладная математика и механика. — 1950. — Т. 14, вып. 3. —С. 316—318.
Опыт эксплуатации кабельных линий показывает, что электрическая прочность кабельной арматуры ниже прочности самих кабелей. К кабельной арматуре относят кабельные заделки и соединительные муфты. Заделки предназначены для соединения кабельной линии с электрическими аппаратами и электроустановками.
При разделке кабеля часть его оболочки (или экрана в случае экранированного кабеля) удаляют, что приводит к искажению силовых линий в геометрии кабеля и увеличению напряженности электрического поля (НЭП) в месте среза оболочки, которые проявляются в трех измерениях. Для уменьшения НЭП электрического поля в месте среза оболочки существует несколько методов. Наиболее простой из них разбортовка свинцовой (алюминиевой) оболочки. Однако из-за неравномерности толщины металлической оболочки по диаметру, которая может привести к ее разрыву по краю, и из-за недостаточной величины радиуса отгибания, не всегда удается снизить НЭП до желаемых пределов.
Другим методом является применение полупроводящих покрытий по поверхности разряда между жилой и оболочкой кабеля. Снижение НЭП в месте обреза оболочки с применением полупроводящего покрытия связано с тем, что это покрытие предопределяет большие потери электрической энергии, что может привести к электротепловому пробою изоляции [1].
Наиболее распространенным способом снижения НЭП у обреза оболочки кабеля является продолжение металлизации до большего диаметра, т.е. использование выравнивающего конуса (ВК). Соответствующим профилированием экрана и применением различных изолирующих материалов мож-
но достичь равномерного распределения силовых линий электрического поля в кабельной заделке.
Электрическое поле в изоляции кабельной арматуры существенно отличается от поля в изоляции кабеля, где действует только его радиальная составляющая. В кабельной арматуре наряду с радиальной составляющей электрического поля действует тангенциальная составляющая. Регулирование радиальной составляющей цилиндрического поля в изоляции кабеля и кабельной арматуры, как правило, не вызывает трудностей. Регулирование тангенциальной составляющей является одной из основных проблем при конструировании кабельной арматуры.
Распределение НЭП в кабельной арматуре определить точным аналитическим расчетом невозможно, но эту задачу можно решить, применяя натурное моделирование или различные численные методы. Натурное моделирование имеет ряд существенных недостатков, описанных в [2]. С появлением современных ПЭВМ стало возможным решение подобных задач с использованием численных методов расчета. Для моделирования электромагнитных полей зачастую применяют метод конечных элементов. Одна из реализаций этого метода стала возможной с появлением программы FEM-ЬАВ, предназначенной для решения широкого круга задач, формулируемых системами уравнений с частными производными. Особенностью программы является возможность решения трехмерных задач применительно к расчету электрических полей.
В системе FEMLAB дифференциальные уравнения в частных производных решаются проекционным методом Галёркина с конечными элементами [3]. Этот метод является одним из частных слу-
УДК 621.315.687.3:519.863
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ РАЗМЕРОВ ВЫРАВНИВАЮЩЕГО КОНУСА КАБЕЛЬНОЙ ЗАДЕЛКИ
Г.М. Лебедев, Д.М. Мешков, Е.М. Мешков*
Кемеровский технологический институт пищевой промышленности *Томский политехнический университет E-mail: meshkov@tpu.ru
Рассмотрены вопросы моделирования электрического поля в трехмерном пространстве для трехжильных кабелей с металлической оболочкой напряжением 10 кВ. С целью уменьшения максимальной напряженности электрического поля в кабельных заделках предлагается использовать выравнивающий конус. Для оптимизации размеров выравнивающего конуса использованы методы планирования эксперимента и нелинейного программирования.
