CC BY
9
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2007 р. Вип. №17
ЗВАРЮВАЛЬНЕ ВИРОБНИЦТВО
УДК 621.791.92.03-52
Гулаков C.B.1, Бурлака В.В.2, Псарева И.С.3, Ярыза-Стеценко A.B.4
МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМЫ СВАРОЧНОЙ ВАННЫ
Рассмотрена методика создания модели сварочной ванны, при которой ванна представляется в виде наложения двух тел вращения - эллипсоидов. Управляя их деформацией и смещая координаты центров, возможно получение достаточно точных форм сварочной ванны, наблюдаемых при перемещении электрода.
При дуговой наплавке рабочих поверхностей проволочным электродом форма сварочной ванны оказывает существенное влияние на качество наплавленного слоя. Более того, в случае перемещения электрода по сложной траектории (при наплавке с его колебаниями), например, треугольной [1], форма сварочной ванны в местах резкого изменения направления перемещения электрода решающим образом сказывается на износостойкости рабочего слоя.
Известные аналитические методики расчета формы сварочной ванны [2] не обеспечивают достаточной точности. Расхождение расчетов с данными экспериментов может достигать сотен процентов [3]. Несколько лучшие результаты может дать представление сварочной ванны в виде совокупности отдельных зон, размеры и положение которых определяются в зависимости от силовых факторов, доминирующих в этих зонах [4], однако недостатком этого метода является отсутствие аналитических зависимостей, описывающих общие закономерности формирования сварочной ванны.
Целью работы является разработка модели, позволяющей с достаточной степенью точности описывать формирование сварочной ванны.
Учитывая, что сварочная ванна формируется за счет наличия в ней по меньшей мере двух потоков - поверхностного и глубинного [1], целесообразно рассмотреть условия ее формирования с учетом этих факторов. Для описания формы сварочной ванны предлагается представить ее в виде наложения двух эллипсоидов, один из которых соответствует поверхностному потоку жидкого металла с электрода, а второй - глубинному. Каждый эллипсоид строится как эквипотенциальная поверхность поля скоростей жидкого металла в ванне. При этом источники поля имеют смещение друг относительно друга, что необходимо для учета влияния перемещения электрода на форму сварочной ванны.
При перемещении электрода передняя стенка сварочной ванны искажает характер потоков, в результате чего ванна становится несимметричной в продольном сечении. Учет этого фактора в модели производится путем смещения центров эллипсоидов, имитирующих поверхностный и глубинный потоки, а также введением источника стороннего равномерного поля с интенсивностью F, силовые линии которого имеют направление, обратное направлению вектора скорости сварки.
Результаты, близкие к реальным, дает наложение полей скоростей поверхностного и глубинного потоков путем сложения модулей векторов скоростей.
Рассмотрим источник поля, имеющий координаты (xv, у s ). Для определения вектора потока в произвольной точке (х, у) сначала определяется пара относительных координат
1 ГТГТУ, д-р. техн. наук, проф.
2 ГТГТУ, аспирант
3 ГТГТУ, канд. техн. наук, ст. преп.
4 ГТГТУ, аспирант
х'=(х-хД/£ (1)
У'=(у-У*)-£ (2)
Здесь г > 1 соответствует поверхностному потоку, г < 1 - глубинному. После чего рассчитывается модуль радиус-вектора
т =
л/(х')2 + (/)2 (3)
и компоненты вектора скорости:
х
Vx=--I-mp+F (4)
т
К = — ■ I ■ т'' (5)
т
Параметр 1 определяет интенсивность источника, а параметр р является
коэффициентом затухания потока по мере удаления от источника. Параметр F - интенсивность стороннего равномерного поля, которое учитывает влияние перемещения электрода на форму ванны.
Модуль результирующего вектора скорости в данной точке будет
у = № +Уу2 (6)
Поверхность сварочной ванны строится исходя из условия
Fj + V2 = const, (7)
где Fj - модуль вектора скорости поверхностного потока, V-, - то же для глубинного. Предложенная методика при правильном выборе коэффициентов позволяет получить результаты, хорошо согласующиеся с данными экспериментов.
Авторами разработана программа, строящая на экране продольное сечение сварочной ванны по вышеизложенной методике. В процессе выполнения по формулам (1) - (6) рассчитывается модуль вектора V в разных точках сечения и результат записывается в двумерный массив размером 300x200 элементов. После расчета на экране строится картина сечения ванны, при этом ее границы определяются условием (7). Все рисунки являются копией рабочего окна программы моделирования.
На рис.1 а - в показаны результаты моделирования формы сварочной ванны при стационарном (а) и перемещающемся с разной скоростью электроде (б, в).
Рис. 1 - Результаты моделирования формы сварочной ванны при разных скоростях перемещения электрода
Управляя интенсивностями источников полей поверхностного и глубинного потоков, можно менять форму сечения ванны от показанной на рис. 2, а (большая плотность тока и глубина проплавления, мелкокапельный или струйный перенос металла) до показанной на рис. 2, б (меньшая плотность тока и глубина проплавления, крупнокапельный перенос).
Рис. 2 - Влияние плотности сварочного тока и типа переноса металла на форму ванны
Предложенные модели могут использоваться при проектировании технологического
процесса дуговой сварки и наплавки.
Одним из направлений дальнейших исследований является поиск путей создания модели
сварочной ванны, формирующейся при произвольной траектории перемещения электрода.
Выводы
1. Разработана модель сварочной ванны, в которой последняя представляется в виде наложения двух тел вращения - эллипсоидов. Путем управления их деформацией и смещения координат центров возможно получение достаточно точных форм сварочной ванны, наблюдаемых при перемещении электрода.
2. Приведенные результаты работы модели при неподвижном электроде, а также при его равномерном перемещении с различными скоростями показали достаточную сходимость расчетной и реальной форм сварочной ванны.
Перечень ссылок
1. Гулаков C.B. Наплавка рабочего слоя с регламентированным распределением свойств / C.B. Гулаков, Б.И. Носовский. - Мариуполь: ПГТУ, 2005. - 170 с.
2. Рыкалин H.H. Расчеты тепловых процессов при сварке ! H.H. Рыкалин. - М: Манн из. 1951. - 296 с,
3. Прохоров Н.Ник. Технологическая прочность сварных швов в процессе эксплуатации / Н.Ник. Прохоров. - М.: Металлургия, 1979. - 248 с.
4. Иванов В.П. Совершенствование математической модели формообразования сварочной ванны / В.П. Иванов II Вюник Приазов. держ. техн. ун-ту: 36. наук. пр. - Марпполь. 2003. -Вип. 13.-С. 214-217
5. Псарева И.С. Пути совершенствования технологии и оборудования для наплавки рабочих поверхностей с регламентированным распределением свойств I И.С. Псарева, В. В. Чигарев, В.П. Иванов II Вюник Приазов. держ. техн. ун-ту: 36. наук. пр. - Mapiyno.ib. 2003. - Вип. 13. -С. 185- 189
6. Гулаков C.B. Управление траекторией перемещения электрода при дуговой наплавке прокатных валков / C.B. Гулаков, В.П. Иванов, И.С. Псарева II Удосконалення процссш i обладнанння обробки тиском в металургн i машинобудуванш: 36. наук. пр. - Краматорськ, ДДМА. - 2000. - С. 322 - 324
Рецензент: В В. Чигарев
д-р техн. наук, проф., ПГТУ Статья поступила 20.05.07
