CC BY
6
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УНИВЕРСИТЕТУ
2002 р. . Вип.№ 12
УДК 621.791.92.03-52
Иванов В.П.', Размышляев А.Д.2
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ И НАПЛАВКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ УПРАВЛЯЮЩИХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
С использованием средств объектного программирования разработан базовый модуль системы проектирования технологии сварки и наплавки с применением управляющих магнитных полей. Расчет распределения электродинамических и гидродинамических параметров в сварочной ванне позволяет корректировать технологию по критерию формирования шва.
Одним из перспективных методов повышения эффективности технологии сварки является применение внешних магнитных полей (ВМП) для управления параметрами сварных швов [1,2]. Магнитное управление имеет ряд преимуществ по сравнению с механическими способами управления, осуществляется без непосредственного контакта управляющих средств с зоной сварки и его применение не требует существенных изменений стандартного оборудования и технологии сварки. Изменяя распределение электродинамических сил в сварочной ванне, можно влиять на гидродинамические процессы в сварочной ванне, которые в свою очередь определяют формирование шва, его структуру, химсостав и механические свойства. Так, регулирование скорости перемещения фронта кристаллизации за счет применения электромагнитного перемешивания расплава ванны способствовало получению однородной мелкозернистой структуры сварных швов. Отмечалось также улучшение показателей механических свойств и повышение технологической прочности швов, выполненных с использованием ВМП [1].
Для случая наплавки материалов, отличных от основного металла, главной задачей является уменьшение доли основного металла в наплавленном и улучшение коэффициента формы шва. Это целесообразно для рационального использования легирующих элементов, если они вводятся через электрод или флюс, а также для повышения производительности наплавочных работ, снижения затрат на механическую обработку наплавленной поверхности. В работе [2] экспериментально установлено влияние на движение жидкого металла в ванне взаимодействия постоянных магнитных полей ванны при дуговой наплавке, а также выполнена оценка возможностей управления формой и размерами поперечного сечения валиков и швов при наплавке электродной проволокой в поперечном и продольном магнитных полях.
Выбор оптимальных параметров электромагнитного воздействия (ЭМВ) на сварочную ванну в каждом конкретном случае определяются в результате проведения исследований для данного способа сварки при определенных параметрах режима, а также для используемых основных и сварочных материалов. Недостаточно полно представлены публикации, содержащие обобщающий материал по выбору и рекомендуемым режимам ЭМВ (хотя бы ориентировочным) в зависимости от поставленного технологического задания.
В связи с этим важным представляется решение задачи: обобщение экспериментальных данных и установление теоретических зависимостей для определения количественных зависимостей, связывающих параметры электромагнитного воздействия на шов и качества наплавленного металла при оптимальных режимах сварки.
Для реализации поставленной задачи с помощью средств объектно-ориентированного программирования (С++ Builder) разработан базовый модуль автоматизированной системы выбора и расчета параметров управляющего ЭМВ при дуговой сварке и наплавке (см. рис.). Разработанная структура системы позволяет накапливать текстовые файлы и расчетные данные
' Ш ГУ, канд. техн. наук, доц. 2 ПГТУ, д-р техн. наук, проф.
параметров ЭМВ и режимов наплавки, встраивать дополнительные расчетные модули для конкретных начальных условий и осуществлять оптимизацию технологического процесса. В качестве исходных данных используются параметры режима сварки и параметры ЭМВ, результатами расчета являются, в зависимости от способа сварки и вида ЭМВ, распределение значений составляющих электромагнитной индукции, объемных электродинамических сил или скоростей потоков жидкого металла.
Известно, что показатели качества сварного шва связаны со значениями максимальной скорости потока жидкого металла сварочной ванны и максимального продвижения потока расплава в хвостовую часть ванны. Для вычисления гидродинамических параметров сварочной ванны используется расчетная методика [1]
Л");
в которой эти параметры определяются как функции от режима сварки (Р/ ), режима ЭМВ ({р -интервал реверсирования) и эмпирических коэффициентов ( А" ), с режимами сварки не связанных.
ЭЛЯ & л] ** Ш - Л
Э- [га
[яхГ
Параметры магнитного ют Параметры сварки
и- & Уса=|а
ПяркрО
электрод]
| ' ! ; ! | П в
Рис.- Вид экрана при работе модуля
Поскольку коэффициенты, используемые в указанных формулах, рассчитаны для случаев сварки аустенитных сталей неплавящимся электродом, для расчета гидродинамических параметров при наплавке углеродистых сталей, когда наличие ферромагнитных масс значительно влияет на картину распределения магнитной индукции, использовали численное решение распределения составляющих магнитной индукции с использованием функции потока: В1; ~/(у) ■ Результаты расчета по приведенным в [3] зависимостям показывают достаточно
хорошую сходимость с экспериментальными данными. В совокупности с использованием эмпирических соотношений для пространственного распределения плотности тока это позволило решить задачу о распределении объемных электродинамических сил в жидком металле свароч-
нзй ванны. Распределение скоростей потоков жидкого металла ванны на данном этапе работы было определено путем введения эмпирических коэффициентов соответствия распределения электродинамических и гидродинамических параметров, полученных путем обработки экспериментальных данных работы [2].
Корректная методика расчета влияния параметров ЭМВ на гидродинамические потоки жидкого металла должна основываться на теоретических зависимостях, однозначно описы-вакхцих физические явления, в том числе и гидродинамические, происходящие в сварочной ванне. Разработка детерминированной модели гидродинамики сварочной ванны сдерживается та обстоятельством, что аналитическое решение уравнения Навье-Стокса для случая трехмер-шо распределения скоростей потоков жидкого металла в настоящее время не получено. Поэтому целью дальнейших исследований является совершенствование математических моделей, корректно связывающих параметры ЭМВ с гидродинамическими параметрами сварочной ванны и, следовательно, служебными характеристиками сварных и наплавленных изделий.
Выводы
1. Разработан модуль расчета распределения электродинамических и гидродинамических параметров сварочной ванны, который может быть использован для построения на его основе автоматизированной системы проектирования технологии сварки и наплавки с применением ЭМВ.
2. Численным решением уравнений для магнитного потока были, определены составляющие электромагнитной индукции при наличии ферромагнитных масс для случая сварки и наплавки конструкционных сталей. Введение эмпирических коэффициентов соответствия позволило учесть влияние ферромагнитных масс на скорости потоков жидкого металла.
Перечень ссылок
1. Сварка с электромагнитным перемешиванием / В.П.Черныш, В.Д.Кузнецов, А.Н.Брискман и др. -Киев-Техника, 1983. -127с.
2. Размышляев АД. Магнитное управление формированием швов при дуговой сварке. -Мариуполь: ПГТУ, 2000. - 245 с.
3. Лазаренко М.А., Размышляев АД., Чичкарев Е.А. Расчет на ЭВМ управляющих магнитных полей для процессов сварки и наплавки // Вестник Приазовского государственного технического университета' Сб. науч. тр. - Мариуполь, 1999. - Вып.8. - С.
147-150.
Иванов Виталий Петрович. Канд. техн. наук, доцент кафедры "Оборудование и технология сварочного производства", старший научный сотрудник ОНИЛ наплавки. Окончил Ждановский металлургический институт в 1986г. Основные направления научных исследований - разработка материалов и технологии для наплавки деталей прокатного и металлургического оборудования, создание программного обеспечения в области сварки и наплавки.
Размышляев Александр Денисович. Д-р техн. наук, проф. каф. "Оборудование и технология сварочного производства", окончил Ждановский металлургический институт в 1964 г. Основные направления научных исследований - разработка научных основ и средств управления формированием сварных швов и валиков при дуговой сварке и наплавке.
Статья поступила 05.03.2002
