CC BY
22
© H.B. Павлов, A.B. Крюков, Е.Г. Домнина, B.A. Полишук, A.M. Жуков, 2012
Н.В. Павлов, А.В. Крюков, Е.Г. Домнина, В.А. Полишук, A.M. Жуков
РАСЧЕТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ НА ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЯ И СКОРОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ НА ОСИ ШВА ПРИ ЗАДАННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ ДЛЯ ПРОЦЕССОВ СВАРКИ С УПРАВЛЯЕМЫМ КАПЛЕПЕРЕНОСОМ ЭЛЕКТРОДНОГО МЕТАЛЛА В СМЕСИ ГАЗОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ИЗДЕЛИЙ ГОРНО-ШАХТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Осуществлена адаптация существующих математических моделей распределения температурных полей на поверхности изделия и скорости охлаждения на оси шва при заданной температуре для процессов управляемого переноса электродного металла в смеси газов при производстве изделий горно-шахтного оборудования. Сравнение теоретических и экспериментальных значений показало адекватность полученных алгоритмов расчета. Ключевые слова: сварка, смесь газов, импульсная подача, распределение температурных полей.
Характер протекания тепловых процессов определяет производительность плавления основного и присадочного материалов, направление и полноту протекания металлургических процессов в сварочной ванне или полости ре-за, условия формирования структуры металла шва и зоны термического влияния. Условия нагрева и охлаждения во многом определяют характер и уровень остаточных напряжений в сварной конструкции, а также ее деформацию.
Однако существующие работы в данной области в основном направлены на процессы сварки со стационарным движением электродной проволоки и не всегда дают адекватную картину распределения температурных полей и скорости охлаждения на оси шва при заданной температуре.
В последние годы, при производстве сварных металл окон-струкций находят применение способы сварки с управляемым каплепереносом электродного металла (УКЭП) [2].
В основу процесса дуговой сварки с УКЭП, положено использование дополнительной силы (силы инерции, действую-
шей в период торможения электрода), которая прикладываясь к капле, резко изменяет характер плавления и переноса электродного металла аналогично импульсу электродинамической силы при импульсно — дуговом процессе.
Одним из путей повышения эффективности применения сварки с УКЭП является использование смеси (Ar+CO2). Это позволит обеспечить лучшее формирование шва и меньшую величину разбрызгивания электродного металла, чем при сварке в чистом углекислом газе [3].
Для определения оптимального соотношения зашитной газовой среды соотношения смеси газов было проведено ряд исследований в зависимости от потерь электродного металла на угар и разбрызгивание (уразб.) [4].
В результате было установлено, что получение качественного сварного соединения возможно на соотношениях от 70 % до 80 % аргона в обшем объеме.
На следуюшем этапе осушествлялась адаптация сушест-вуюших математических моделей распределения температурных полей на поверхности изделия и скорости охлаждения на оси шва при заданной температуре, созданные Рыкалиным Н.Н. для процессов стационарного движения электродной проволоки.
Базовыми были взяты:
• алгоритм расчета распределения температурного поля предельного состояния от линейного источника постоянной мошности, движушегося прямолинейно с постоянной скоростью, в бесконечной пластине с теплоотдачей [5]:
где q — эффективная тепловая мошность, определяемая по формуле:
где п — к.п.д. источника, X — коэффициент теплопроводности; а — коэффициент поверхностной температуропроводности; Ь — коэффициент поверхностной температуроотдачи, определяемый по формуле:
(1)
q = iUn,
(2)
b = -2a
cpS '
(3)
где а — коэффициент теплоотдачи; ср — удельная объемная теплоемкость; 5 — толщина металла; V — скорость сварки; х — расстояние вдоль оси Ох от источника до точки, берется со знаком плюс если точка находится впереди источника, и со знаком минус, если точка — позади источника. Ко(и) — коэффициент Бесселя нулевого порядка, берется по таблице в зависимости от величины аргумента и; г — расстояние от источника до точки, в которой определяется температура, определяется по формуле:
где у — расстояние вдоль оси Оу от источника до точки, берется со знаком плюс если точка находится впереди источника, и со знаком минус, если точка — позади источника.
• алгоритм расчета скорости охлаждения в зависимости от температуры:
Данные выражения требуют адаптации вследствие того, что в процессе сварки с управляемым каплепереносом электродного металла происходит постоянное изменение длины дуги и соответственно силы тока, амплитуда тока за один период каплепереноса изменяется в пределах от 64 до 368А. На основании этого среднее значение определяется в зависимости от длительности каждого из двух периодов (рис. 1).
Основываясь на полученных осциллограммах расчет эффективной тепловой мощности источника теплоты следует осуществлять согласно формуле:
где — длительность сварочного тока при коротком замыкании, с; — длительность сварочного тока в период образования капли электродного металла, с; 1:ц — длительность цикла сварки.
(4)
(5)
(6)
Рис. 1. Осциллограмма процесса сварки с управляемым каплепере-носом электродного металла в смеси газов
На основе выражения (6) алгоритмы расчета распределения температурных полей на поверхности изделия (Т и скорости охлаждения на оси шва при заданной температуре (ю(Т)) будут выглядеть следующим образом:
Т =
((1А) +(/2 2 ) )и п
( А 'и П V г
2п5Х
Ко(-
2а
1+#),
(7)
ю(Т)= -2%кср-
(Т - Тн )3
((1111)1(1212) )ил
(8)
2
ц
"ев б
Проверка адекватности модели. Проверка адекватности моделей выполнена при сварке серии образцов стыкового соединения без зазора. В состав экспериментальной установки входили: автоматическая сварочная головка ГСП-2, укомплектованная механизмом обеспечивающим управляемым перенос электродного металла [6], источник питания ВС-300Б, смесительное оборудование, состоящее из трех ротаметров и смесительной камеры.
Для исследования, использовались пластины, из стали 12Х18Н9Т (толщиной 3 мм);
Ширина, им
Ширина, мм
в
а
3
Рис. 2. Температурные поля: а, а — сварка с УПЭП в среде чистого Аг стали 12Х18Н9Т (экспериментальные); б, е — сварка с УПЭП в среде защитных газов 70 %Аг+30 %СО2 стали 12Х18Н9Т (экспериментальные); в, ж — сварка с УПЭП в среде чистого Аг стали 12Х18Н9Т (расчетные); г, з — сварка с УПЭП в среде защитных газов 70 %Аг+30 %СО2 стали 12Х18Н9Т (расчетные)
Таблица 1 Режимы сварки
Способ свар- Марка ма- I, А и, В п 1, а, ср, Дж/ V, см/с
ки териала Вт/(см •К) см2/с (см3К)
Сварка с 12Х18Н9Т 70 18 0,7 0,25 0,06 4,7 0,14
УПЭП в сре-
де Дг
Сварка с 12Х18Н9Т 70 18 0,72 0,25 0,06 4,7 0,2
УПЭП в сре-
де защитных
газов
70 %Дг+30 %
СО2
При сварке стали аустенитного класса использовалась сварочная проволока 12Х18Н9Т (диаметром 1мм).
Режимы сварки представлены в табл. 1.
Экспериментальные значения распределения температурных полей и скорости охлаждения были получены по средствам тепловизионной аппаратуры ТЬегшаСДМ (формат кадра 3204240 элементов, температурная чувствительность -0,05°С,), с частотой 1 кад/сек.
Для обработки экспериментальных данных использовалась методика, описанная в работе [7], заключающаяся в том, что имеющееся исходное тепловизионное изображение обрабатывается по средства математического пакета МДТЬДБ, в результате чего получаются изображения температурных полей (термограмм).
Теоретические значения распределения температурных полей были получены с помощью компьютерного приложение «Моделирование тепловых полей при сварке» [8].
Экспериментальные и расчетные значения распределения температурных полей представлены на рис. 2.
Вывод: Получены адаптированные алгоритмы расчета распределения температурных полей на поверхности изделия и скорости охлаждения на оси шва при заданной температуре учитывающие процесс изменения длины дуги за один период каплепереноса электродного. Сравнение экспериментальных и расчетных значений распределения температурных полей на
поверхности изделия показало адекватность модели при 8 % уровне значимости, а адекватность расчета скорости охлаждения на оси шва при заданной температуре — 7 %.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Геловани В.А. Компьютерное моделирование/ В.А. Геловани, В.В. Юрченко // Математическое моделирование. -1989. Т.1, -№1. -С. 3 — 12.
2. Патон Б. Е. Проблемы сварки на рубеже века / Б. Е. Патон // Автоматическая сварка. -1999. -№1. -С. 4 — 14.
3. Языков Ю.Ф. Преимущества сварки в защитных газовых смесях / Ю.Ф. Языков, И.В. Алексина // Сварочное производство. -2008.-№9. -С. 29 — 30.
4. Павлов Н.В. Сварка с импульсной подачей проволоки в смеси газов / Н.В. Павлов, А.В. Крюков, Е.А. Зернин // Сварочное производство. -2010. -№4. -С. 27 — 28.
5. Теория сварочных процессов: Учебник для вузов по спец. «Оборудование и технология сварочного производства» // под ред. В.В. Фролова. — М.: Высш.шк., 1988. 559с.
6. Механизм импульсной подачи сварочной проволоки: пат. 2254969 Рос. Федерация. заявл. 15.03.2004; опуб. 27.06. 05, Бюл. № 18. — 5 с.
7. Чинахов Д.А. Методика обработки температурных полей при сварке плавлением / Д.А. Чинахов, А.А. Давыдов А.А., Д.А. Нестерук // Сборник трудов Международной научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения профессора А.А. Воробьева «Становление и развитие научных исследований в высшей школе»: — Том 2/ Томский политехнический университет. — Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. — 462с.
8. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2010612255 от 25.03.2010г. Моделирование тепловых полей при сварке. Павлов Н.В., Крюков A.B., Чинахов Д.А.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Павлов Николай Викторович — старший преподаватель, е-шаП: ра^т123@гашЬ1ег.ги,
Крюков Артем Викторович — кандидат технических наук, доцент, е-шаП: еагеп<Ш@ша1115.еош,
Юргинский технологический институт Томского политехнического университета
Домнина Елена Геннадьевна — старший преподаватель е-шаИ: 0Б_3011@ша11.ги, Полищук Василий Алексеевич — студент, Жуков Александр Михайлович — студент.
Юргинский технологический институт Томского политехнического университета.
