CC BY
78
УДК 621.791.927.5:537.63 В. В. ,Щ1ИТРШС,д-ртехн. наук
Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», г.Харьков
А. СО. МОВЮНОВА,инж.
ОАО «Турбогтом», г. Харьков
Предложено расчетное определение распределения электрического тока в расплавленном металле сварочной ванны,что явлжтся актуалънымдлямоделированиясварочного нагрева изготавливаем ыхсчнввче наН.аСптиманония сснаочнвганагрнвапонвоняет улуч шатътеходные нанеоткачаыгвчиуантырчетнал сзчмуитуры старатих сомдчдеыиН,что ненеснобравно два мнеаавгччя ихрссу^а.
Навыдесчpoвтяныокизeваснгчхвнятдвдгдiленнхензктричного струму в розплавленому метам ввлрюнaлънoїхааоu, щи н янmyялы^ат длямдлватедmы нватяхшхьвoгoнагpiвcmех е’чанлнь,няі внлomавляюmъcя.Onmатiхалiодеатювaеелдлoнacmiвивня дозвоняч пннращитг еихіїтякіані ха^нтл^стики cmаyкmырo гварнио н’єднаоь, ще (інщгьла ^ієб^ашняят їт
атлнтну.
Процессы, проходящие при эвектродуговой сворке в роспвоввекком метовве вонны, представляют весьмо сложный физический хороктер. Мзоимодействуют между собой гидродикомические, темперотурные и эвектромогнитные повя, о токже повя упругих копряжекий, обусвоввенные сивой гровитоции. Модевировоние токих процессов цевесооброзно двя оптимизоции порометров режимо сворки и повучекия сворных соединений с увучшенными кочественными хороктеристикоми.
Основная часть
Двя описокия процессов, проходящих в роспвоввекком метовве вонны, сведует совместно решоть невинейную систему уровкекий могкиткой гидродикомики движения вязкой жидкости, систему уравнений Максвелла распределения векторов напряженностей электрической Ж и магнитной В составляющих электромагнитных полей [1-6].
При построении мотемотической модеви двя удовветворекия физическим усвовиям темперотурного режимо в роспвоввекком метовве вонны, прикимови сведующие допущения:
- при росчетох процессов, проходящих в сворочкой вокке, исповьзовови цивикдрические коордикоты;
- фиксировонную форму вонны зодовови в виде геометрически однотипных фигур, копример поробовоидов врощения;
- роспредевекие токов в роспвоввекком метовве вонны зодовови с помощью формув (безикдукциоккое прибвижекие), кок это сдевоко в роботох [1, 2], вибо исходиви из донных экспериментов.
Допускови, что движение потоков жидкого метовво в роспвове вонны, рис. 1, не окозывоет ввияния ко роспредевекие эвектрического токо и могкиткого повя, т. е. не учитывови токи, индуцировонные в резувьтоте движения потоков жидкого метовво. Тогдо уравнения электродинамики
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА В РАСПЛАВЛЕННОМ МЕТАЛЛЕСВАРОЧНОЙВАННЫ
Введение
(1)
в силу стационарности токов имеют вид
гсЛ Е = 0, с1]¥ В = О
гаг Я = % с11у Е = 0. ’
где: Е и Я - напряженности электрического и магнитного полей; ]- плотность электрического тока, У = ае
ое - электрическая проводимость;
- магнитная проницаемость; ра- избыточный электрический заряд;
I - время.
Ф) 0 Яг) г
П: _
Г2/ /
Рис. 1. Схема аппроксимации поперечного сечения сварочной ванны двухпараметрическим семейством параболоидов вращения:
- область основного металла; область расплавленного металла ванны
При этом имеет место закон Ома
]=а0Е. (3)
Поскольку с!]у ] = 0 (закон сохранения заряда), то для определения тока имеем уравнения и краевые условия
(4)
здесь: L - толщина пластины (последнее условие выражает электрическую изоляцию пластины);
- эффективный радиус распределения тока.
Поскольку при Z=0 '
где I — полный ток, протекающий через свариваемую пластину. Вводя потенциал ф электрического тока
для определения <р решаем следующую задачу
(6)
Применив к уравнению и граничным условиям (7) интегральное преобразование Ханкеля нулевого порядка по г, для получения функции Ф, запишем
ф(гМ0(Аг)с1г,
где 1а(Аг) - функция Бесселя первого рода порядка 0. Переходим к следующей краевой задаче
i=i
= 0’
(9)
Штрихом обозначена производная по оси ъ. Решением задачи (9) является нахождение функции Ф(Х,г)
shAL
(10)
(11)
Потенциал тока ср восстанавливается применением к 3* (Х,г) обратного преобразования Ханкеля по X
Используя решение (11), получим выражение для компонент объемного тока где ^ (Аг) — функция Бесселя первого рода порядка 1.
Из-за наличия цилиндрической симметрии в распределении тока, магнитное поле имеет только составляющую
(12)
Из уравнения rot Н = J получим
й
(13)
Используя (12), для нахождения Нр имеем
сЬА(Ь-д)
shAL
ал,
(14)
Формулы (12), (13) приведены также и в работах [2,3], но требуют внимательного к себе отношения, т.к. выражения для ^ ^ и Нр в них имеют неточности.
Учитывая тождество J1(z)= - J0'(z) для электромагнитной силы имеем
? = fx§ = Вф^еЕ -В^ьеи тогда
Последнее равенство имеет место в силу условия rot У = 0. Учитывая (13), окончательно получаем
Чтобы избежать численного преобразования Ханкеля (11), (12), (14) на наш взгяд предпочтительней пользоваться приближенным выражением, например, как в [2].
р(-$)] 0-Є).
(16)
где - эффективный радиус распределения тока в плоскости г=0;
Lr - ширина ванны; Lz - глубина ванны.
Расчетное значение электромагнитных сил подтвержденное экспериментально позволило установить, что такие силы являются главными при формировании конвективных потоков в расплавленном металле ванны. Установили, что конвективные потоки переносят из головной части ванны в хвостовую до 10 % тепла дуги, введенного в основной металл.
Именно такие потоки обеспечивают формирование удлиненных зерен а - фазы ( рис.
—¥
2 а), в наплавленном металле. и Р, форму и скорость потоков целесообразно оптимизировать (рис. 3), что обеспечит формирование однородной мелкозернистой структуры металла шва ( рис. 2 б).
На основе данных, характеризующих поля температур расплавленного металла ванны на стадии ее охлаждения, представляется возможным определять границу раздела между жидкой и твердой фазами, а также температурный режим процесса кристаллизации, что позволяет оптимизировать условия формирования структуры металла шва и участков зоны термического влияния.
100 -400 х 7000
Рис. 2. Структура металла шва. Сплав 09ХМФА. Отпуск при 730°С, 3ч: а) автоматическая сварка на штатных режимах; б) автоматическая сварка на
оптимизированных режимах
мм мм
а) б)
Рис. 3. Фрагмент расчетных значений полей потоков жидкого металла в расплавленном металле ванны а), а также температур в расплавленном металле ванны и в зоне термического влияния б)
Количественный анализ конвективных потоков в расплаве ванны представляет значительный практический интерес, так как, в частности, теплота, переносимая потоками, обеспечивает дополнительное проплавление кромок основного металла, расходуется на перегрев расплава ванны и ЗТВ, соответственно оказывает воздействие на формирование структуры сварных соединений.
Можно показать, что учет, при решении данной тепловой задачи суммарного воздействия на расплав ванны электромагнитных сил, сил поверхностного натяжения и выталкивающих сил обеспечивает формирование движения потоков жидкого металла из головной части ванны в хвостовую с одновременным закручиванием их против часовой стрелки, что согласуется с работой [2]. В отличие от данных работ [2-3] максимальная скорость металла имеет место у основания вертикального (струйного) потока (см. 3 а), где наибольшее воздействие на расплав оказывают электромагнитные силы и силы тяжести. Выявили, что скорость потоков жидкого металла в расплаве ванны зависит от параметров режима сварки (в том числе основных 1св и Усв).
Выводы
1. Моделирование физических процессов, протекающих в расплавленном металле сварочной ванны, позволило уточнить температурный режим для получения сварных соединенийс улучшенными качественнымихарактеристикамиихструктуры.
2. Установили, что электронные силыявляются главными приформировании конвективных потоков в расплавленном металле сварочной ванны и обеспечивают формирование в расплавленном металле удлиненных зерен а - фазы.
Список литературы
1. Дмитрик В. В., Калиниченко В. И. Моделирование процесса электродуговой сварки // Известиявузов.Машиностроение.Москва.- 2003. -№4.-С.59-64.
2.Tsai N. S., Eagar N.W. Distribution of the heat and current fluxes in gas tungsten arcs// Metallurgical Transaction.- 1985.-№12.-P.841-846.
3. Bu K. C. Tsao and Wu C. S. Fluid Flow and Heat Transfer in GMA Weld Pools// Welding ResearchSupplement.- 1988. Vol.67.-№3.-P 70-75.
4. Dmitrik V. V. A method of determining the temperature condition in the molten pool// Welding International. - 1999. - Vol. 13. - № 2. - Р. 159-161.
5. Дмитрик В. В. Разработка аппроксимаций решений сопряженных тепловых задач
дуговой сварки с точным удовлетворением всем граничным условиям. // Новые решения в современных технологиях. Вестник Харьковского национального политехнического университета. Выпуск № 47. - Харьков. - 1999. - С. 60-63.
6. Дмитрик В. В. Разработка метода определения температурного режима расплава ванны // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. Москва. - 1999. - № 1. - С. 76-80.
7. Акулов А. И., Дмитрик В. В., Бабушкина В. А. Способ определения направления движения потока жидкого металла из головной части в хвостовую часть сварочной ванны: А.с. 1776524 СССР, МКИ В23К 31/12 .- № 4826879; Заявлено 05.03.90; Опубл. 23.11.92; Бюл. № 43. - 5 с.
DISTRIBUTING OF ELECTRIC CURRENT IS IN MOLTEN METAL OF WELDING BATH
V V. DMITRIK, D-r Scie. Tech.
A. S. MIRONOVA, engineer
Proposed design definition the distribution of electricity in the molten metal weld pool that is relevant for simulation of welding heat produced compounds. Optimization of the welding heat input can improve the qualitative characteristics of the structure of weldedjoints; it is expedient to increase their share.
Поступила в редакцию 24.06.2011
