Виртуальная лабораторная работа по изучению процесса осадки при стыковой контактной сварке оплавлением Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Malenko Pavel Igorevich, candidate of technical sciences, docent, malen-ko@tsu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Ilyichev Sergey Vladimirovich, engineer, sergil68@,mail. ru, Russia, Tula, LLC «Laboratory Intelligence»,

Relmasira Kapresi Jolan, postgraduate, winnerclass@,gmail. com, Russia, Tula, Tula State University,

Leonov Andrei Yurievich, postgraduate, leonov. emw @mail. ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 378.14

ВИРТУАЛЬНАЯ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА ПО ИЗУЧЕНИЮ ПРОЦЕССА ОСАДКИ ПРИ СТЫКОВОЙ КОНТАКТНОЙ СВАРКЕ

ОПЛАВЛЕНИЕМ

В. А. Ерофеев, И.Б. Пьянков, А. А. Мещеряков

Рассмотрена проблема организации лабораторного практикума при дистанционном обучении по технологии сварочного производства. В качестве примера рассматривается изучение процесса осадки при стыковой контактной сварке оплавлением. Задачей обучения является формирование навыка определения оптимальных параметров процесса методами компьютерного инженерного анализа, основанного на математическом моделировании объекта. При обучении предлагается построить зависимости критериев качества формирования соединения от параметров сварки при заданных параметрах стыка.

Ключевые слова: дистанционное обучение, виртуальная лабораторная работа, компьютерное моделирование.

Развитие дистанционных форм обучения требует создания виртуального лабораторного практикума. Задачами лабораторного практикума является формирование навыков исследования объектов изучения. При подготовке технологов сварочного производства основной задачей является обучение специалистов по формированию навыков оптимизации технологии, обеспечивающей качество сварных соединений. Решение этой задачи целесообразно выполнить методами компьютерного инженерного анализа, основанного на физико-математическом моделировании сварочного процесса.

В качестве примера рассматривается изучение процесса осадки при стыковой контактной сварке оплавлением.

130

При изготовлении крупных металлических конструкций контактная стыковая сварка оплавлением (КССО) имеет ряд преимуществ перед другими способами сварки, так как способ имеет исключительно высокую производительность, а сварные швы по всем свойствам почти не отличаются от основного металла ввиду отсутствия переплавленного металла в шве [1 - 4].

Для сварных соединений КССО характерно выдавливание металла при осадке в грат (рис. 1, а). Этот процесс определяет возможность возникновения характерных дефектов КССО: несплошностей (рис. 1, б), матовых пятен (рис. 1, в).

Рис. 1. Макрошлиф стыка КССО низколегированной стали (а) и характерные дефекты на изломе стыка: несплошность (б)

и матовое пятно (в)

Для типовых конструкций, например рельсовых путей и магистральных трубопроводов, разработаны технологии КССО, но часто этот способ сварки применяется при изготовлении небольшого количества изделий, когда опытная отработка технологии сварки практически невозможна.

Проблемой является определение параметров режима и оптимальных программ их изменения в ходе КССО, при которых обеспечивается отсутствие дефектов в сварном соединении и минимален расход энергии. Параметрами сварки являются профиль разделки кромок, температура предварительного подогрева, напряжение сварочного трансформатора, скорость оплавления, изменяемая по программе, припуски на оплавление и осадку.

Рекомендации по выбору режима КССО [1 - 6] позволяют выбирать параметры в очень широких диапазонах. Например, значение скорости оплавления может быть выбрано в пределах 0,5...6 мм/с, напряжение оплавления - 3.7 В, плотность тока оплавления - 1,5.25 А/мм2. скорость осадки 5.25 мм/с, припуск на осадку от 1 мм до диаметра свариваемых деталей. Столь широкий диапазон затрудняет выбор оптимальных значений параметров процесса.

Для решения задачи оптимизации КССО целесообразно использовать методы компьютерного инженерного анализа (САЕ) [7,8], основанные на физико-математическом моделировании. В работах [9 - 10] разработана модель КССО, основанная на решении системы уравнений, описывающих электрические процессы в сварочной цепи и процессы образования перемычек в стыке. Модель позволяет оценивать при заданных параметрах стыка, сварочной машины и скорости оплавления значения тока оплавления, напряжения на стыке, его электрического сопротивления, а также оценивать толщину оплавленного слоя, частоту коротких замыканий, количество замыкающих перемычек в стыке. Но известные модели не рассматривают процесс осадки стыка.

В данной работе выполнен анализ пластического течения металла в стыке при осадке.

Постановка задачи и исходные данные. Качество соединения обеспечивается при осадке стыка, которую осуществляют, деформируя прогретый стык на припуск хв. Очевидно, что этот припуск должен быть больше максимальной неравномерности толщины слоя оплавления, включая глубину кратеров. Кроме того, нужно избежать появления трещин и расслоений металла в окрестности стыка. Последнее обеспечивается, если деформация металла при осадке заканчивается при температуре Т0, при которой металл имеет высокую пластичность (ниже температур красноломкости, возникновения пережога) (рис. 2). При сварке стали рекомендуют [11], чтобы осадка завершалась при температуре выше температуры рекристаллизации, что повышает прочность за счёт интенсивной диффузии, залечивающей дефекты структуры.

Исходными данными являются размеры и материал свариваемых деталей, распределение температуры, созданные в металле при оплавлении, и скорость осадки.

Модель деформируемого материала. Для описания процесса осадки использована модель вязкопластического тела Шведова - Бингама, которая широко применяется при описании высокоскоростного деформирования [12,13]. В этой модели принято, что пластическое течение возникает, когда напряжённое состояние достигает критического значения, а тело рассматривается как вязкая жидкость. Металл характеризуется пределом текучести, определяющим давление, необходимое для возникновения пластического течения, и динамической вязкостью, определяющей сопротивление

металла пластическому течению. В условиях контактной стыковой сварки металл имеет высокую температуру, значение которой убывает в ходе осадки от температуры плавления до значений 0,7...0,9 этой температуры, а предел текучести возрастает от нуля до значений, не превышающих 0,1 от значения в нормальных условиях. Динамическая вязкость деформируемого металла при этом возрастает от значения для жидкого металла до некоторого значения, зависящего от предела текучести.

а

О, Н/мм2 700

еоо

500 400 300 200 100 о

08ГЕ и МЛ

к. сг

\ 1

В, %; 70

ео

у/

50

40

30

10

200 400 600 300 1000 1200 1400

Т. Ос

б

^х

—з-

"о

в

----

/

Л-

Рис. 2. Зависимость предела прочности а и пластичности 8 стали 08ГН1МА от температуры (а), зона моделирования осадки (б)

и припуск на осадку хв (в)

Согласно модели вязкопластического тела для заданных условий необходимо определить расположение зоны пластического течения в свариваемых деталях по равенству предела текучести давлению, возникающему в зоне пластического течения. Давление в этой зоне зависит от вязкости и скорости течения. Скорость течения определяется скоростью осадки и зависит от геометрии зоны пластической деформации. Размеры этой зоны определяются распределением предела текучести, т.е. распределением температуры в зоне стыка (рис. 2, а).

Координаты и пространство моделирования. Тепловые и деформационные процессы опишем в декартовой системе координат х,у,2 для стержня прямоугольного сечения (рис. 2, б), в котором стык расположен в плоскости х=0, а ось симметрии - у=0, 2=0. Для упрощения положим, что свариваемые стержни имеют прямоугольное сечение размером а*Ь. Пространство моделирования ограничим длиной остатка хт установочного вылета после оплавления. Ввиду зеркальной симметрии рассматривали часть реального пространства х=0...хт, у=0...ут, 2=0...2т, охватывающую зону пластических деформаций без удаляемого грата.

133

Для решения необходимо определить расположение границы зоны О пластического течения, которое определяется распределением предела текучести, зависящим от распределения температур, и давления, возникающего у указанной границы, которое зависит от скорости пластического течения и вязкости металла. Особенностью распределения температуры при стыковой сварке оплавлением является то, что изотермы температуры расположены почти параллельно плоскости стыка, соответственно предел текучести зависит только от расстояния от плоскости стыка. Это позволяет считать зону пластического течения слоем толщиной хР, положение которого определяется равенством предела текучести и давления, обусловленного сопротивлением пластическому течению. Среднюю скорость пластического течения металла в грат можно определить по условию сохранения объёма металла, подаваемого со скоростью осадки уО:

= У аЬ (1) (а + Ь)хр

где а,Ь - размеры сечения стержня.

Давление, создаваемое осадкой, ограничено пределом текучести металла в стыке о(То) со средней температурой Т0. Удельное сопротивление пластическому течению вдоль плоскости стыка определяется вязко-

ЦУг

стью и скоростью ——. Вязкость металла при снижении температуры уве-

аЬ

личивается. Принято, что вязкость изменяется пропорционально изменению предела текучести

ц = ц ь + кцв(Тр), (2)

где Пь - вязкость жидкого металла; кп - коэффициент пропорциональности, ТР - среднее значение температуры в зоне пластического течения.

Указанные соотношения позволяют определить расположение границы пластического течения

х = ГЦь + кц?(т(хР))^ уО (3)

ХР I °То) ) (а + Ь)

Если пренебречь вязкостью металла при температурах, близких к температуре плавления, и принять, что а(т (хР )) = а(Т0), то ширина зоны пластического течения

хр . (4)

(а + Ь)

Значение коэффициента кп можно определить по опытным значениям ширины зоны пластического течения (грата) и скорости осадки. Например, для круглого стального стержня диаметром d=1 см при скорости осадки уО=1 см/с ширина грата хР=0,3 см, соответственно

Ыхр

кц »-— = 10.5 см • с

Математическая модель теплового процесса. При оплавлении в металле создаётся значительный градиент температуры, соответственно прочность металла убывает до нуля по направлению к стыку. Положим, что поверхность стыка имеет температуру Ть плавления металла и убывает в соответствии с заданным градиентом gradT^.

Т(х, у, I) = Т^ - х gradT. (5)

В процессе осадки изменение температуры в зоне £ пластического течения описывается уравнением теплопереноса

ЭТ . со— = 1

Н Эг

Э 2Т Э 2Т Э 2Т

—^ + —^ + —тт

Эх2 Эу2 Эг2

+ ср

V

ЭТ

х

Эх

+ V

ЭТ ЭТ

У

Эу

+ V,

Э1

(6)

где Ср - теплоёмкость и плотность металла; vx, Vу, vz - составляющие скорости течения в направлении соответствующих координат. Граничные условия

ЭТ

. ЭТ ЭТ ЭТ х = 0, — = 0, — = 0, — = 0; х = х

Эх

Эу У = Ут:

Эг ЭТ

Э 2Т т, Эх2

= 0; I = I

ЭТ

т

Эу Эг

Математическая модель пластического течения. Пластическое те чение в зоне х,у,г е £ описано уравнением Навье - Стокса, которое в декар товой системе координат имеет вид

ЭvY Эр {Э 2v р—- = — + л Эг Эх

0,

= 0.

Эу

0, ЭТ = 0;

Эг

(7)

э v

Э V

Эv

Р-

у

Эр

Эг Эу 1

р

Эvz = Эр Эг Эг

^ Эх2 Эу 2 Э!2 ,

э ч ,Э Ч ,Э 2Vy

Эх 2 1 Эу2 ' Э! 2

Э ч Э^ , Э Ч 1

(8)

Эх 2 Эу

2

Эг

2

где р - давление в данной точке пространства.

Распределение давления в металле определяется при решении уравнения неразрывности

Эvz

Р = ЕI

г (Э*.. Эv - Л

0

+

у

Эх Эу Эг

dt,

(9)

где Е - модуль упругости.

Граничные условия для решения системы [2,3] заданы следующим образом.

В точках, расположенных на границе зоны пластического течения, металл перемещается со скоростью осадки VI).

х, у, 2 € S, ух = VD, Vy = 0, vz = 0. (10)

В стыке x=0 металл может перемещаться только по направлениям

у,2, т.е.

x = 0, ^ = 0, у,, = 0, ^ = 0, ^ = 0. (11)

дx дх дх

На боковой поверхности стержня круглого сечения радиусом Я

2 2 ~ дух Л дух Л дуу Л дуу Л ду2 Л ду2 Л

у2 + 22 = Я2, р = 0, ^ = 0,^ = 0, = 0, = 0, = 0, = 0, (12)

ду д2 ду д2 ду д2

Начальные условия 1=0, ух=0, уу=0, у2=0. (13)

Процедура моделирования. Моделирование осадки начинается с расчёта начальных условий (5), (13) и определения начального расположения границы зоны пластического течения (3). Далее в общем цикле времени с малым шагом (0,001.0,01 с) решается система уравнений (9) - (12), определяющих изменение температур и скоростей течения металла при непрерывном уточнении распределения предела текучести и вязкости (2) в соответствии с изменением температуры. Цикл завершается или по условию перемещения на заданный припуск на осадку, или при достижении заданного усилия сжатия стыка. Усилие сжатия определяется как

FD = Це(Т^,у, 2))dydz. (14)

Ут, 2т

Оценка результата осадки. Образование дефектов сварки (рис. 1) связано со степенью деформации металла в плоскости стыка, а также со значением температуры, от которой зависят деформационные свойства металла (рис. 2, а) и требуемые усилие и припуск на осадку.

Степень деформации металла в плоскости стыка оценивается суммарной деформацией металла в точках этой плоскости х=0 за время осадки относительно среднего размера стыка

2

D(y, 2) = -^= V* + V2 уг. (15)

Показателем степени удаления окислов является суммарная деформация относительно площади стыка

1 2т ут

Do =- } | D(y, 2)Лудх . (16)

ут2т 0 0

В качестве дополнительного критерия формирования стыка можно использовать долю площади стыка, в которой относительная деформация (15) не достигает 100 %, т.е. недостаточна для полного удаления начального металла, содержащего окисные плёнки, из стыка:

1 2тУт Ш2 Э(у, 2)< 1,

SD<1 =- ] ] 1 Л (17)

ут2т 0 0 ^ 0 D(У,2)- 1.

136

Формирование стыка характеризуется также распределением количества металла, выдавленного из стыка и определяющего форму грата. Распределение объёма выдавленного металла по границам стыка оценивается функциями

70 (x, 2) = I Уу Ут, 2№ 20 У) = | y, 2т . О 0

(18)

Качество формирования соединения определяется степенью разрушения и удаления окисных включений из плоскости стыка, которые оцениваются относительной деформацией О0 (16), а также долей площади стыка с недостаточной деформацией Бв<1 (17). Деформация Б0 металла нарастает практически с постоянной скоростью, а площадь зоны с недостаточной деформацией начинает снижаться после некоторого порогового значения, а затем плавно убывает обратно пропорционально времени осадки.

Постановка виртуальной лабораторной работы. Описанная физико-математическая модель позволяет изучать закономерности процесса осадки при КССО. Целью изучения является установление закономерности, определяющей качество сварки. Для этого обучаемому предлагается выполнить анализ влияния параметров процесса на показатели формирования стыка, например, при осадке двух стальных стержней прямоугольного сечения 10х7 мм со скоростью 10 мм/с. Принято, что при оплавлении в стержнях был создан градиент температуры 100 оС/мм. Ввиду зеркальной симметрии стержней уравнения решали для % поперечного сечения. С этой целью обучаемому предлагается выполнить следующие задания.

Предлагается рассмотреть изменение распределений температуры, скоростей пластического течения и давления в зоне стыка при осадке. На рис. 3 показаны полученные для разных моментов времени осадки распре-

деления в осевом ху-сечении: температуры Т, скорости уГ1, =Л+ у, пластического течения и давления р.

Рис. 3. Распределение температуры Т, компоненты скорости пластического течения уху и давления р в осевой плоскости х, у в различные моменты времени осадки стыка

137

Перемещение металла к стыку и его выдавливание в грат приводят к сильному изменению температуры в зоне деформирования металла. Несмотря на значительные скорости перемещения металла в направлении грата градиент температуры сохраняет своё осевое направление, и температура в плоскости стыка практически одинакова. Скорости пластического течения распределены очень неравномерно. В центре стыка скорость течения незначительна (равна нулю) и постепенно возрастает по мере приближения к краям сечения. При постоянной скорости осадки распределение скоростей пластического течения относительно стыка почти не изменяется. Небольшое снижение этой скорости к концу осадки связано с увеличением ширины xP (3) зоны пластического течения.

Хотя форма поперечного сечения практически не влияет на распределение температуры, но оказывает очень сильное влияние на направление и величину скоростей пластического течения и на давление в зоне стыка (рис. 4). Это заметно даже в рассмотренном случае сварки стержня некруглого сечения.

Т,°С Р> „ см/с КН/СМ2

1.75 _ 1400 2.8

■ 1300 2.6 1.5 ■ 1200 2.4

■ 1100 2.2 1.25е 1000 2

■ 900 1.8 800 1.6 700 1.4 0.75 _ 600 1.2

™ 500 1 0 5 400 0.8 ■ 300 0.6 0.25 Н 200 0.4

Л 100 0.2

о ■ о

Рис. 4. Результат расчёта распределения температур Т, скоростей пластического течения v и давления p в осевых плоскостях стыка xy, yz и xz в момент окончания осадки на 5 мм

Скорости направлены из точек сечения к его ближайшему краю и достигают наибольшего значения в точках края, ближайших к центру сечения. Давление имеет наибольшее значение в центре стыка и убывает до нуля на его периферии по закону, близкому к параболическому распределению.

Обучаемому предлагается построить графики, показывающие изменение основных параметров процесса осадки во времени (рис. 5).

Моделирование воспроизвело постепенное снижение температуры металла стыка T0,TP и формирование слоя пластического течения металла шириной xP. По мере снижения температуры стыка предел текучести а0, aD, давление p в слое течения и усилие сжатия F увеличиваются.

Для усвоения причин, приводящих к дефектам стыка, обучаемому предлагается изучить распределение относительной деформации в плоскости стыка при разном припуске на осадку (рис. 6).

Г, кН Г, °С 1.4

кН/см2

1 1250

0.8 1000

0.6 750

0.4 500

0.2 250

/

г /

/ >

/ /

°0

4.5

3.75

2.25

1.5

0.75

О, 300

250 200 150 100 50

/

/

/ / /

/ /

> / V < ><1

/

мм 6

5

4

3

2

1

0.07 0.14 0.21 0.28 0.35 0.42 0 5

I, с

0.07 0.14 0.21 0.2В 0.35 0.42 0 5

Г, с

Рис. 5. Изменение параметров процесса осадки: температур в стыке Т0 и на границе зоны пластического течения ТР и соответствующих значений предела текучести а0, ар, усилия сжатия ¥, ширины хР зоны пластического течения, относительной деформации Б0 (16) и доли площади стыка (17) с недостаточной

деформацией 8В<1

2мм 3мм 4мм 5мм КV. %

«0 = 130% яв<1=30% в0=180% 5В<1=16% »0=240% ЯВ{1=10% »„ = 380% 5Д<1 5%

Рис. 6. Распределение относительной деформации Щу,г) (15) металла в стыке при разной осадке (2...5 мм) со скоростью 10 мм/с

Деформация минимальна в центре стыка и быстро возрастает к его краям, что соответствует скоростям пластического течения.

В конце лабораторной работы предлагается рассмотреть влияние пластического течения из стыка на форму грата (рис. 7).

Рис. 7. Распределение скорости ууг пластического течения в плоскости стыка и количества выдавленного металла (18) в грат к моменту

завершения осадки

Рассмотренный пример показывает, что для организации виртуальных лабораторных работ эффективно использовать теоретические модели процессов, позволяющие заменить реальный объект. Специфическим требованием является необходимость создания интуитивно понятного интерфейса и программных средств, для наглядного представления результатов выполнения заданий и формирование отчёта. Также необходимо обеспечить доступ к теоретическому описанию изучаемого объекта. Необходимо использовать подсистему контроля освоения учебного материала по данной работе.

Выводы

1. Для организации виртуальных лабораторных работ по изучению контактной стыковой сварки оплавлением предложена математическая модель процесса осадки стыка, в которой металл стыка рассматривается как вязкопластическое тело, что позволяет применить для описания пластического течения систему уравнений Навье - Стокса и неразрывности, граничные условия которых учитывают параметры сварочного процесса.

2. Задачей обучения является усвоение знаний о влиянии параметров осадки на степень деформации металла, от которой зависит удаление окисных включений из стыка.

Список литературы

1. Катаев Р.Ф., Милютин В.С., Близник М.Г. Теория и технология контактной сварки: учеб. пособие. Екатеринбург: Изд-во Уральского университета, 2015. 144 с.

2. Кучук-Яценко С.И., Лебедев В.К. Контактная стыковая сварка непрерывным оплавлением. Киев: Наукова думка, 1976. 212 с.

3. Гельман А.С. Основы сварки давлением. М.: Машиностроение, 1970. 312 с.

4. Кучук-Яценко С.И. Контактная стыковая сварка оплавлением. Киев: Наукова думка, 1992. 236 с

5. Кучук-Яценко С.И., Мосендз И.Н., Казымов Б.И. Программирование режимов контактной сварки оплавлением деталей с большими развитыми сечениями // Автомат. сварка. 1987. № 6. С. 14-18.

6. Контактная стыковая сварка трубопроводов / С.И. Кучук-Яценко [и др.]. Киев: Наукова думка, 1986. 208 с.

7. Журавлев С.И., Ерофеев В.А., Полосков С.И. Физико-математическая модель оплавления в процессе контактной стыковой сварки // Сварка и диагностика. 2013. № 4. С. 26 - 30.

8. Оптимизация параметров технологии контактной стыковой сварки оплавлением магистральных трубопроводов больших диаметров / С.И. Журавлев, Н.А. Коновалов, В. А. Ерофеев, С.И. Полосков // Сварка и диагностика. 2014. № 1. С. 10-14.

9. Tawfik D., Mutton P.J., Chiu W.K. Experimental and Numerical Investigations: Alleviating Tensile Residual Stresses in Flash-Butt Welds by Localised Rapid Post-Weld Heat Treatment // Journal of Material Processing Technology. 2008. Vol. 196. Issue 1-3. P. 279 - 291.

10. Коновалов А.В. Определяющие соотношения для упругопласти-ческой среды при больших пластических деформациях // Известия Российской Академии наук. Сер. Механика твердого тела. 1997. N 5. С. 139-147.

11. Коновалов А.В., Смирнов А.С. Вязкопластическая модель сопротивления деформации стали 08Х18Н10Т при температуре горячей деформации // Металлы. 2008. N 2. С. 55-59 .

Ерофеев Владимир Александрович, канд. техн. наук, проф., va_erofeev@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Пьянков Игорь Борисович, ген. конструктор, piankov. i. b@mail. ru, Россия, Москва, АО ««НТЦ «Системная динамика»,

Мещеряков Артур Александрович, асп., mesherykov. artur@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

VIRTUAL LABORATORY WORK OF UPSETTING PROCESS IN RESISTANCE FLASH -

BUTT WELDING

V.A. Erofeev, I.B. Piankov, A.A. Meshcheryakov

The organization problem of laboratory practicum with distant studying on welding fabrication technology has been considered. As an example the studying ofprocess of settling at butt contact by flash-off had been presented. The aim of studying is skill acquisition that allows to find out optimal parameters of process by computer and engineering analysis. This one is based on the math modeling of object. In studying a construction of dependences of quality criteria of connection from welding parameters with given joint parameters has been suggested.

Key words: distance studying, the virtual laboratory work, computer model operation.

Erofeev Vladimir Aleksandrovich, candidate of technical sciences, professor, va_erofeev@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Piankov Igor Borisovich, Chief Designer, piankov. i. b@, mail. ru, Russia, Moscow, Science & Technology Center «System Dynamics»,

Meshcheryakov Artur Aleksandrovich, postgraduate, mesherykov. artur@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University