Сравнительный анализ расчетных значений распределения температур при сварке с экспериментальными Текст научной статьи по специальности «Физика»

_____________________________________ © Н.В. Павлов, Д.А. Чинахов,

Д.П. Ильященко, 2010

УДК 621.791.03

Н.В. Павлов, Д.А. Чинахов, Д.П. Ильященко

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РАСЧЕТНЫХ ЗНАЧЕНИЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР ПРИ СВАРКЕ С ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМИ

Для оценки величины и адекватности существующей теории расчета температурных полей экспериментальным данным было создано компьютерное приложение. Анализ температурных полей, показал, что расчетные температурные поля сильно упрощают реальную картину. Наиболее адекватно количественно-качественное построение расчетных температурных полней дает использование схемы нагреваемого тела для температурного поля предельного состояния в бесконечной пластине.

Ключевые слова: температурные поля, схема нагреваемого тела, режимы сварки, компьютерное приложение.

П еализация большинства сварочных процессов связана с -*■ нагревом деталей разными видами источников теплоты, а эффективность того или иного сварочного процесса определяется условиями нагрева и охлаждения основного и присадочного материала. Характер протекания тепловых процессов определяет производительность плавления основного и присадочного материалов, направление и полноту протекания металлургических процессов в сварочной ванне, 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. Поэтому рис у Принципиальная схема алгоритма ра-в инженерной практике боты программного приложения «Моделирования тепловых полей при сварке»

часто возникает необходимость расчетного определения температурно-временных параметров

Ширинцмм

а)

Ширинцмм

в)

Ширина,мм б)

г)

Ширина,мм

д)

Длинна, мм

1000-1020Г

600-620Т

1607.4‘С

В

200,0 "С

Рис. 2. Графическое изображение расчетного модуля: а -

мгновенный точечный источник в бесконечной пластине; б -мгновенный линейный источник в бесконечной пластине; в -температурное поле предельного состояния в массивном теле; г - температурное поле предельного состояния в бесконечной пластине; д - быстродвижущийся точечный источник на поверхности полубесконечного тела

Рис. 3. Изображения температурных полей, полученные тепловизором

428

термических циклов сварки в различных зонах свариваемых деталей, размеров зон нагрева, скоростей нагрева и охлаждения [1, 2].

В середине ХХ в. были получены теоретические выкладки для расчета температурных полей в телах при их нагреве различными источниками теплоты. Однако существующая классическая теория

[3]:

- не дает рекомендаций по выбору схемы нагрева соответствующей используемому способу сварки;

- не учитывает ряд значимых факторов (теплообмен с окружающей средой, способ сварки, тип источника питания и др.).

Для оценки величины и адекватности существующей теории расчета, температурных полей экспериментальным данным, было создано компьютерное приложение «Моделирование тепловых полей при сварке».

Для определения соответствия расчетной схемы нагрева процессу механизированной сварки плавлением пластин в расчетном модуле компьютерного приложения (рис. 1), использованы известные схемы нагреваемого тела [1]:

- мгновенный точечный источник в бесконечной пластине;

- мгновенный линейный источник в бесконечной пластине;

- температурное поле предельного состояния в массивном теле;

- температурное поле предельного состояния в бесконечной пластине;

- быстродвижущийся точечный источник на поверхности по-лубесконечного тела.

Для расчета температурных полей в свариваемых изделиях использовали входные параметры, представленные в таблице.

Данные параметры соответствуют механизированной свар-ке с постоянной подачей сварочной проволоки сплошного сечения Св-08Г2С-О (диаметром 1,2), на пластине из стали 30ХГСА толщиной 8 мм.

В компьютерном приложении был произведен расчет и построение температурных полей для различных режимов сварки по различным методикам, описанным выше (рис. 2). Интервал между расчетными точками в одной изотерме составляет 1 мм.

Для сравнительной оценки теоретических расчетов провели лабораторные исследования. Осуществляли автоматическую

Рис. 4. Температурные поля

Входные параметры для расчета температурных полей

I, А и, В П X, Вт/(см-К) а, см2/с ср, Дж/(см3-К) 5, см V, см/с

175 27 0,79 0,38 0,08 3,5^10-3 0,8 0,334

сварку в СО2 пластин 300x150 мм толщиной 8 мм из стали 30ХГСА электродной проволокой Св-08Г2С-0 диаметром 1,2 мм со скоростью 28-30 см/мин. В качестве источника питания использовался сварочный выпрямитель ВСЖ-303. Регистрацию полей осуществляли с помощью тепловизора ^егтаСАМ Р65Ж фирмы FLIR. Съемку проводили на протяжении времени сварки одного прохода (60 с) с частотой 5 кад/с (рис. 3).

Для обработки экспериментальных данных использовалась методика, описанная в работе [4]. После обработки были получены изображения температурных полей (термограмм) процесса нагрева ^ = 60 с) представленные на рис. 4.

Анализ температурных полей, полученных экспериментальным и расчетным путем, показал, что расчетные температурные поля сильно упрощают реальную картину.

Наиболее адекватно количественно-качественное построе-ние расчетных температурных полней при сварке пластин дает использо-

вание схемы нагреваемого тела для температурного поля предельного состояния в бесконечной пластине. Следует отметить, что расчетные и экспериментальные значения термограмм почти совпадают в диапазоне от 1100 до 1600 °С и только по ширине сварочного шва.

Экспериментально полученные изотермы имеют более вытянутую форму вдоль сварного шва и раздвоение на краю удаленном от источника нагрева по сравнению с расчетными значениями. В настоящее время идет разработка модели расчета температурных полей при сварке, учитывающей основные значимые факторы.

------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Фролов В.В. Теория сварочных процессов. М.:Высш. шк. 1988. - 559 с.

2. Теория сварочных процессов: Учебник для вузов / Под ред. В.М. Неровного. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2007. - 752с.: ил.

3. Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. - Москва 1951. -

291 с.

4. Чинахов Д.А., Давыдов А.А., Нестерук Д.А. «Методика обработки температурных полей при сварке плавлением» 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. - С. 78-83. И5гл=1

— Коротко об авторах --------------------------------------------------

Павлов Н.В. - инженер, Юргинский технологический институт Томского политехнического университета, E-mail: pavlin123@rambler.ru. Чинахов Д.А. - к.т.н., зам. директора по НР ЮТИ ТПУ, Юргинский технологический институт Томского политехнического университета, E-mail: zver73@rambler.ru

Ильященко Д.П. - инженер, Юргинский технологический институт Томского политехнического университета, т. (38451) 5-09-06