CC BY
13УДК 621.791
Антонов Ю.А.
Студент
Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю. А. (Россия, г. Саратов)
Кожухов В.С.
Студент
Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А. (Россия, г. Саратов)
Зоркин А.Я.
д.т.н., доцент Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А. (Россия, г. Саратов)
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ АРГОНОДУГОВОЙ СВАРКИ МЕДИ
Аннотация: в данной статье рассмотрено моделирование аргонодуговой сварки неплавящимся электродом медных пластин.
Ключевые слова: аргонодуговая сварка, неплавящийся электрод, медь, моделирование тепловых процессов.
Сварной шов выполнен согласно ГОСТ 14771-76 «Дуговая сварка в защитном газе.
Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размер».[1]
291
Мощность электрической дуги, передаваемая в анод, состоит из трех основных составляющих:
-электронная составляющая; -кондуктивная составляющая; -конвективная составляющая. Формуле, по которой производится расчет электронной составляющей мощности, передаваемой в анод:
где I- ток сварочной дуги, к-постоянная Больцмана, Те- температура плазмы, ефа-работа выхода электронов, Д^а- прианодное падение напряжения.
Электронная составляющая мощности , передаваемой в анод равна:
Кондуктивная составляющая мощности электрической дуги.
В основе этой составляющей передачи мощности в анод лежит перенос тепла через пограничный прианодный слой механизмом кондуктивной теплопередачи плазмы.
Для расчета кондуктивной составляющей используется формула, полученная из закона теплопроводности Фурье:
г5% - условный радиус пятна нагрева. Удельный тепловой поток на этом радиусе равен 5% от наибольшего теплового потока в центре. Условный радиус пятна нагрева обратно пропорционален квадратному корню из коэффициента сосредоточенности кз!
Площадь анодного пятна, то есть, поверхности, через которую происходит передача тепла, определяется по формуле:
(^ I ^
Р =300 А- -1,38 10 " -20000--г + 4,36+5 =4102
1,6-10-"
S =х-г
Кондуктивная составляющая анодной мощности равна, может быть посчитана согласно формуле (3.2), с использованием значений, посчитанным по формулам (3.3) и (3.4):
Конвективная составляющая мощности электрической дуги подразумевает под собой нагревание анода высокоскоростным потоком атомов и ионов, ускоренных в столбе дуги.[2]
Осевую скорость выдуваемой из плазмотрона плазмы Vz piasm принимаем равной 100м с.
Конвективный тепловой поток, нагревающий анод, определяется уравнением:
4cf>nv Рplasm piasm ^ plasm
Вычислим критерий Рейнольдса для рассчитываемых исходных данных.
Диаметр анодного пятна определяется пятипроцентным радиусом и равен: D=2*rs%.
Число Рейнольдса вычисляется по формуле:
Рассчитаем числo Рейнольдса:
Закон зависимости критерия Стантона от критерия Рейнольдса:
Ю1 10* 103 ю4 Ие
Рис.1 График зависимости критерия Стантона от критерия Рейнольдса. По критерию Рейнольдса (3.6) определим критерий Стантона : Б^Яе)
Конвективная составляющая мощности в анодном пятне равна:
^сапг ^сп1Г1: ^ пятна ^
По формуле найдем конвективную составляющую: РС0Пу= 360,5 Вт . Полная мощность, передаваемая в анод, является суммой всех составляющих (электронной, кондуктивной и конвективной) и равна:
Решение тепловой задачи. Распределение теплового потока
Используем модель, изображенную на рис.2, для расчёта тепловых процессов в детали.
Рис. 2. Модель для расчёта процессов локальной дуговой термообработки
сварных соединений неплавящимся электродом
Распределение теплового потока обычно приближенно описывается законом
нормального распределения. Экспериментально с помощью термопар можно
294
определить распределение мгновенной температуры в направлении, перпендикулярном к оси шва на тонкой пластине[3].
Простейший пример распределенного источника - схема нормально кругового источника. Тепловой поток источника распределен по кругу симметрично оси источника (рис. 3, а, ось z) так, что в любой плоскости, проходящей через ось z, удельный тепловой поток на расстоянии г от оси описывается законом нормального
распределения, где q2m - максимальное значение удельного потока; к = ^ -
коэффициент сосредоточенности, характеризующий заостренность кривой нормального распределения, увеличивающуюся с повышением к (рис. 3 б).
Рис. 3. Схема нормально распределенного кругового источника тепла Эффективная мощность нормально кругового источника связана с его параметрами соотношением:
Удельный тепловой поток такого источника тепла:
где ку ,к2 - коэффициенты сосредоточенности теплового потока по осям Y и 7. Если принять пятно нагрева, ограниченную значениями д2(г)=0.05д2, то, можно получит, что удельный тепловой поток на границе пятна:
Отсюда, диаметр пятна нагрева:
что вносит определенность при выборе источника тепловой энергии для выполнения технологической операции. Влияние параметров режима на сосредоточенность теплового потока мощной углубленной дуги необходимо рассматривать как нормально эллиптический источник, т. е. источник, распределенный по нормальному закону по ширине у и глубине z зоны сварки или резки металла [4]. Удельный тепловой поток такого источника описывается уравнением:
Температурный коэффициент at характеризует процесс выравнивания температуры при нестационарной теплопроводности. Он вычисляется по формуле:
аг = —, и для меди равен аг =-317—- = 7*10 5 (м2/сек3).
^р * Р 525*8.6*10
Для нашего технологического процесса примем L=100мм, Ус=2 мм/с. Тогда, время, затраченное на весь разрез: t = — . Подставим параметры процесса, получим: t =
= 50 с. На протяжении всего времени происходит 13 импульсов, следовательно,
длительность одного импульса: ^=3,8 а
Для проверки достаточности мощности, передаваемой в анод, и получения картины температурного поля заготовки была составлена программа в среде Mathcad с использованием рассмотренных выше формул. Полученные результаты представлены на рисунках 4 и 5.
Рис.4 Температурная картина поля
Рис.5 Температурная картина поля в глубину заготовки
по поверхности заготовки
Для сваривания деталей необходимо практически полное проплавление металла. Из картин температурного поля, смоделированных с помощью системы МаШсаё, видно, что при используемой мощности достигается необходимая глубина проплавления.
1. ГОСТ 14771-76 Дуговая сварка в защитном газе. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размер- Введ. 30.06.1977. - М.: Изд-во стандартов, 2018. - IV, 38 с. : ил.
2. Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке / Н.Н. Рыкалин. - М : Машгиз, 1951. - 296 с.
3. Язовских В.М. Моделирование тепловых процессов при сварке с предварительным подогревом / В.М. Язовских // Сварка и контроль.: сб. науч. тр. -Пермь, 2004. С. 225-232.
4. Китаев, А. М. Дуговая сварка: учебное пособие / А. М. Китаев. — М.: Машиностроение, 1979. — 240 с, ил.
Список литературы
