CC BY
88
© Д.А. Чинахов, А.А. Давыдов, 2010
УДК 621.791
Д.А. Чинахов, А.А. Давыдов
МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ ТЕПЛОВИЗИОННЫХ ТЕРМОГРАММ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ ЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ 30ХГСА
Рассмотрена методика обработки тепловизионных термограмм при сварке плавлением пластин из легированной стали 30ХГСА. Проведен сравнительный анализ экспериментальных и расчетных температурных полей. Установлено, что экспериментальные формы изотерм имеют более вытянутую форму вдоль сварного шва и раздвоение на краю удаленном от источника нагрева по сравнению с расчетными значениями.
Ключевые слова: сварка, температурные поля, эксплуатационные свойства, обработка экспериментальных данных.
Г7 ольшинство сварочных процессов предусматривает на-мЗ грев соединяемых деталей разными видами источников теплоты. В этом случае, качество сварного соединения во многом определяется условиями нагрева и охлаждения. Характер протекания тепловых процессов определяет производительность плавления основного металла и присадочного материала, направление и полноту протекания металлургических процессов в сварочной ванне, условия формирования структуры металла шва и зоны термического влияния, эксплуатационные свойства сварных соединений [1].
Управление тепловыми потоками (термическим циклом) в соединяемом материале является одной из основных задач технологий сварочного производства. Теоретические и экспериментальные исследования явлений тепло- массопереноса имеют большое практическое значение, наряду, с изучением сложных физико-химических процессов и структурных превращений, протекающих при сварке во время нагрева и охлаждения изделий. В теории сварочных процессов, описываемой отечественными и зарубежными исследователями, значительная роль отводится вопросам определения температурных полей и скоростей охлаждения, что важно при сварке сталей склонных к закалке.
Современные теории и работы [1-3] по изучению тепловых процессов при сварке, формулирующие основные понятия и зако-
ны распространения температурных полей при сварке, не учитывают ряд значимых факторов (теплообмен с окружающей средой, способ сварки и др.). Расчеты часто содержат сложные функции. Это влечет за собой увеличение времени выполнения расчета, привлечение сложного математического аппарата и вычислительной техники. К тому же, полученные расчетным путем данные часто не совпадают с практическими значениями.
Наиболее точно и адекватно описать тепловые процессы возможно по результатам экспериментальных исследований распределения температурных полей. Экспериментально получить картину распределения температурных полей можно с помощью термопар или тепловизионной аппаратуры.
Для определения распределения температурных полей при сварке плавлением провели лабораторные исследования. Осуществляли автоматическую сварку в СО2 пластин 300х150 мм толщиной 8 мм из стали 30ХГСА электродной проволокой Св-08Г2С диаметром 1,2 мм со скоростью 28-30 см/мин. В качестве источника питания использовался сварочный выпрямитель ВСЖ-303. Регистрацию полей осуществляли с помощью тепловизора ThermaCAM P65HS фирмы FLIR Systems, США (формат кадра 320х240 элементов, температурная чувствительность - 0,05 0С, частота кадров - 50 Гц). Съемку проводили на протяжении времени сварки одного прохода (60 с) и в течение 60 с после окончания сварки с частотой 5 кад/сек. В результате проведения эксперимента получили изображения температурных полей (термограмм) процесса нагрева (t = 60 с) и охлаждения свариваемого изделия (t = 120 с) (рис. 1).
На полученных термограммах отчетливо видна картина изменения температурных полей свариваемого изделия. Однако определить координаты точек, соответствующие конкретной изотерме, по полученным изображениям затруднительно. Это является следствием того, что тепловизионная съемка процесса сварки проводилась под углом к оси шва и под углом к плоскости свариваемых пластин.
С целью получения фронтальной картины температурных полей, пригодной для дальнейшего исследования, полученные данные были обработаны с помощью приложения ThermaCAM Researcher и системы математических расчетов MATLAB. Выбор MATLAB для обработки тепловизионных данных объясняется ориентацией данной системы на операции с матрицами,
А . [0] А/ ШЛш .
■ 200,0°С ■ ?пп пт
а) в)
Рис. 1. Изображения температурных полей, полученные тепловизором: а) сразу после сварки (нагрев) t = 60 c; б) через 60 с после сварки (охлаждение) t = 120 c
которыми и являются термограммы, полученные в процессе тепло-визионной съемки. Типичное использование MATLAB - это:
• математические вычисления;
• создание алгоритмов;
• моделирование;
• анализ данных, исследования и визуализация;
• научная и инженерная графика;
• разработка приложений, включая создание графического интерфейса.
Основные особенности MATLAB - это интерфейс, основанный на командной строке, встроенный язык программирования, ориентация на высокопроизводительные матричные вычисления, большое количество библиотек функций.
Существует большое количество математических редакторов, например MathCad, Maple, Mathematica среди которых MATLAB занимает одно из лидирующих положений. Это связано с универсальностью, простотой и большой степенью расширяемости этого редактора. О высокой степени использования этого редактора говорит большое количество библиотек функций (toolboxes), которые были разработаны техническими специалистами для решения разнообразных задач науки и техники. Ориентация на матричные вычисления позволяет решать различные задачи, связанные с техническими вычислениями, в которых используются матрицы и векторы, в несколько раз быстрее, чем при написании программ с использованием языков программирования, таких как Си, Си++ или Фортран. Слово MATLAB означает матричная лаборатория (MATrix LABoratory).
Для получения координат точек изотермы, относительно реальных размеров свариваемых пластин были проведены необходимые преобразования. Для этого в MATLAB создается криволинейная системы координат X’O’Y’, которая задается вручную пользователем с помощью указателя мыши. Начало координат и направления осей привязываются к определенным точкам изображения свариваемых пластин. Например, ось O’Y’ направлена вдоль оси шва в направлении сварки, а ось O’X’ к торцам пластин (рис. 2, а). После поворота плоскости на угол а и поворота системы координат X’O ’Y’ на угол в (рис. 2, б) переходим к требуемой прямолинейной системе координат XOY (рис. 2, в).
File Edit View Insert Tools Desktop Window Help
D^H#| ЬІвІє^ФІ^ІРВИ
Рис. 2. Схема преобразования координат: а) исходное тепловизионное изображение свариваемых пластин; б) промежуточный этап преобразования; в) прямолинейная система координат; г) задание осей новой системы координат в ЫЛПЛВ
г)
В преобразованной системе координат, находятся координаты точек изотермы с последующим определением размеров путем умножения полученных координат на масштабирующие коэффициенты для введенных осей. Масштабирующие коэффициенты вычисляются исходя из размеров осей в пикселях на изображении и натуральных размеров свариваемых пластин. Данный алгоритм поиска координат был реализован в математическом пакете МЛТЬЛВ [4] в виде набора т-файлов. Картина температурных полей после обработки исходных термограмм представлены на рис. 3.
Для расчета температурных полей на поверхности пластины по известным формулам [1-3] была разработана компьютерная программа [5]. Распределение температурных полей, рассчитанное по экспериментальному режиму сварки, представлено на рис. 4.
а)
Ширина образца, мм б)
Рис. 3. Температурные поля после обработки: а) сразу после сварки (нагрев) t = 60 с; б) через 60 с после сварки (охлаждение) t = 120 с
Т = 500 С Т = 800 С Т = 1ЮО С Т=1400 С
3
2
~2
-3
-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2-10 1
Рис. 4. Расчетное распределение температурных полей
Анализ температурных полей, полученных экспериментальным и расчетным путем, показал, что расчетные температурные поля сильно упрощают реальную картину. Следует отметить, что расчетные и экспериментальные значения термограмм почти совпадают в диапазоне от 1100 до 1600 °С и только по ширине сварного шва. Экспериментальные формы изотерм имеют более вытянутую форму вдоль сварного шва и раздвоение на краю удаленном от источника нагрева по сравнению с расчетными значениями (рис. 4). Эти существенные отличия требуют дополнительного изучения и объяснения.
Разработанная методика может быть использована для обработки экспериментальных данных при исследовании распределения температурных полей на поверхности тел различной геометрической формы.
Работа выполнена в рамках АВЦП проект 2.1.2/875. ------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
в точке с координатами Х=—0.3 4^0.4 Т= 1680 С
1. Фролов В.В. Теория сварочных процессов. М.: Высш. шк. 1988. - 559 с
2. Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. - Москва 1951. -
291 с.
3. Березовский Б.М. Математические модели дуговой сварки: в 7 т. Том. 4. Основы тепловых процессов в свариваемых изделиях. - Челябинск: Изд-во ЮУр-ГУ, 2006. - 547 с.
4. Чен К., Джиблин П., Ирвинг А. МАТЬАВ в математических исследованиях: Пер. с англ.- М.: Мир, 2001.- 346 с.
5. Чинахов Д.А., Агренич Е.П. Автоматизированный расчет формы шва и распределения тепла в сварном соединении при сварке плавлением: Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2007612644 (РФ) // Бюл. «Программы для ЭВМ. Базы данных. Топологии интегральных микросхем». 2007. Н5гд=1
— Коротко об авторах --------------------------------------------------
Чинахов Д.А. - кандидат технических наук, доцент, Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета, E-mail: [email protected]
Давыдов А.А. - Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета,
E-mail: [email protected]
