CC BY
42
УДК 004.925.84
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ ОБУЧЕНИЯ ИНЖЕНЕРОВ-СВАРЩИКОВ
В. А. Ерофеев, С.С. Миллер
Рассмотрены возможности использования программного обеспечения для дистанционного обучения инженеров-сварщиков. Разработана математическая модель процесса ультразвуковой сварки на основе системы волнового уравнения и уравнения теплопроводности, в котором учтено тепловыделение вследствие рассеяния акустической энергии.
Ключевые слова: ультразвуковая сварка, компьютерное моделирование, дистанционное обучение.
В информационную эпоху электронные средства массовой информации, стали неотъемлемой частью нашей жизни. Они определяют способы передачи знаний, приносят новые формы преподавания и содержания образования и, следовательно, эти технологии не должны оставаться без внимания и в сфере образования.
На сегодняшний день существует целый ряд различных систем, которые имеют огромный потенциал для использования в практическом сварочном обучении. Разработано большое количество сварочных тренажеров, основанных на компьютерной симуляции и визуализации процесса дуговой сварки, которые позволяют экономить расходные материалы и проводить занятия в обычных учебных аудиториях. Однако, помимо практического обучения сварщиков, ещё одной важной задачей является подготовка квалифицированных инженеров-сварщиков. Так, например, в Германии 081 ежегодно готовит примерно 350 человек через системы дистанционного обучения [1]. На рис. 1 приведены предлагаемые ими пособия для дистанционного обучения.
GSISLV
ГШГТ
DISTANCE LEARNING
Рис. 1. Программы дистанционного обучения (Немецкое сварочное общество) IWE/IWTPart 1, 3
296
В настоящее время дистанционное обучение является частью образовательных программ во многих российских вузах. Однако сведения по дистанционному программному обеспечению, для обучения инженеров-сварщиков, отсутствуют. Целью проводимой работы является создание модуля такой программы на основе математической модели ультразвуковой сварки.
Ультразвуковая сварка является одним из методов создания неразъемного соединения материалов. Ультразвуковую сварку применяют при точечной, шовной и контурной сварке. Из-за ряда положительных технологических свойств (сварка разнородных материалов, сварка в труднодоступных местах, возможность сварки очень тонких деталей), процесс нашел особенно широкое применение в микроэлектронике [2]. Среди основных методов сварки микропроводников, наиболее широкое распространение получили термозвуковая сварка с использованием золотой проволоки и ультразвуковая сварка для алюминиевой проволоки [3]. На рис. 2 представлена схема ультразвуковой микросварки.
Рис. 2. Схема ультразвуковой микросварки: 1 - УЗ-преобразователь; 2 - держатель; 3 - волновод; 4 - инструмент;
5 - кристалл; 6 - микропроводник; 7 - зона моделирования
В зоне моделирования (7) можно выделить область металла инструмента, металла первой и второй детали, в которых свойства среды различны. Кроме того в зоне моделирования присутствует свободное пространство-воздух. Для описания строения пространства используется специальная дискретная функция (рис. 3).
М^ - пространство инструмента, М^ - пространство первой детали, М 2 - пространство второй детали, 0-воздушное пространство.
Акустические и теплофизические свойства среды определяются по указателю М(х,у,7) , в зависимости от принадлежности точки (х,у,7) металлу инструмента, деталям или воздуху.
Форма тела в зоне моделирования 7 описывается граничными условиями. Внешние воздействия описываются как граничными, так и начальными условиями.
М (х, у, г)--
Рис. 3. Область моделирования
Все акустические эффекты сводятся к перемещению волн сжатия-растяжения в сплошной среде м1,м1, м2. Движение акустических волн в сплошной среде описывается волновым уравнением. Для звуковых колебаний под этой функцией удобно понимать смещение вещества от точки равновесия, а уравнение записывать в виде, учитывающем затухание волны:
дди
дХ
ди
дХ
,2,
р—2 + 7— + £у и
0,
(1)
где и - смещение точки среды от равновесного состояния; р - плотность
3 2
среды, кг/м ; 77 - динамическая вязкость, Па- с; Е - модуль упругости, Н/м . V - оператор Лапласа; Х - время.
Скорость волны определяется как
Е
с
Р
а коэффициент затухания колебаний - кинематической вязкостью металла:
7
V =
Р
Свойства тела описываются значениями плотности, динамической вязкости и модуля упругости.
Граничные условия
г = 2ш П(х,у,г) е М1 ,и = ит зт(юХ), где ит - амплитуда колебании инструмента, ю- частота колебаний инструмента,
г = гт п (х, у, г) е 0
л д 2и п
х = 0, —^ = 0,
д 2и
дг 2
д 2и
0
у = 0,
дди д2
0, у = у,
дх 2
д 2и
т ^2
ду
х = х
дх
= 0,
0, г =0
д 2и
дг2
=0
д 2и
г = 2„
дг2
=0.
При моделировании используем нестационарное нелинейное уравнение теплопроводности с граничными условиями, которое определяет скорость изменения энтальпии в разных точках свариваемого металла:
(
дн д
1№Л+-
дх V dx) ду
д Г „ дТЛ
1
ду
+ ^ ГлдТ + dz V
Г Л2
ди
дх
+
Г V
ди
ду
+
Г Л
ди
дz
2 Л
(2)
где Н - объемная энтальпия; X - коэффициент теплопроводности, равный
ди
Х(Т); Т - температура; ] - динамическая вязкость; и =
смещения.
Граничные условия
а
скорость
х = 0.
у = 0,
0,
д 2Т дх 2 д 2Т
0, х
ду2
дт
= 0
0,
у = Уп
z = z„
д 2Т
г -
п, дх2 д 2Т
ду 2 д 2Т
= 0.
0
Пластическая деформация металла происходит под действием усилия инструмента. Площадь контакта инструмента с изделием 8 определяется формулой
Р0 + Ри
8
о(Т)
(3)
где Б0 - статическая сила прижима инструмента; Би - динамическая сила создаваемая колебаниями; о(Т) - сопротивление пластической деформации свариваемого металла.
Соотношение (3) позволяет определить деформацию деталей в ходе сварки по мере нагревания металла и снижении его пластической деформации.
Решение системы уравнений при заданных граничных условиях позволяет воспроизвести распространение ультразвуковых волн в свариваемых деталях и их нагревание вследствие рассеивания акустической энергии. При решении необходимо учитывать изменения свойств металла с ростом температуры.
Результат решения можно оценивать деформацией металла в плоскости контакта между деталями по соотношению (3).
Выводы
1. Современные методы дистанционного образования требуют создания компьютерной программы для удалённого обучения инженеров -сварщиков.
0
z
2
2. Разработана математическая модель процесса ультразвуковой сварки на основе системы волнового уравнения и уравнения теплопроводности, в котором учтено тепловыделение вследствие рассеяния акустической энергии.
Список литературы
1. Кайтель С., Ахренс С., Молл Х. Использование компьютерных технологий в обучении сварщиков // Автоматическая сварка. 2014. №10. C. 54-58.
2. Холопов Ю.В. Ультразвуковая сварка пластмасс и металлов. Л.: Машиностроение, 1988. 224 с.
3. Ланин В.Л., Петухов И., Мордвинцев Д. Повышение качества микросварных соединений в интегральных схемах // Технологии в электронной промышленности. 2010. № 1. С. 48-50.
4. Ланин В. Л., Петухов И., Шевцов В. Ультразвуковое оборудование для сварки микропроводников: компоненты и технологии. 2009. № 8. С. 124-128.
Ерофеев Владимир Александрович, канд. техн. наук, проф., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Миллер Сергей Сергеевич, асп., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
SOFTWARE FOR LEARNING WELDING ENGINEERS
V.A. Erofeev, S.S. Miller
The article discusses the possibilities of using software for distance training of welding engineers. The mathematical model of ultrasonic welding process on the basis of the wave equation and the heat equation, which takes into account the dissipation due to scattering of acoustic energy.
Key words: ultrasonic welding, computer simulation, distance learning.
Erofeev Vladimir Aleksandrovich, candidate of technical sciences, professor, va_erofeev@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Miller Sergey Sergeevich, postgraduate, sergeymiller92@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
