CC BY
54
_____________________________________ © 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: [email protected]. Чинахов Д.А. - к.т.н., зам. директора по НР ЮТИ ТПУ, Юргинский технологический институт Томского политехнического университета, E-mail: [email protected]
Ильященко Д.П. - инженер, Юргинский технологический институт Томского политехнического университета, т. (38451) 5-09-06
