ВЛИЯНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ КОЭФФИЦИЕНТОВ НА МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.791.722

ВЛИЯНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ КОЭФФИЦИЕНТОВ НА МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ

С. О. Курашкин Научный руководитель - Ю. Н. Серегин

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: scorpion_ser@mail.ru

Представлены формулы пространственного состояния температурного поля при воздействии быстродвижущегося линейного и точечного источника. Рассмотрено влияние физических коэффициентов на моделирование параметров электронно-лучевой сварки.

Ключевые слова: сварка, электронно-лучевая сварка, моделирование, физические коэффициенты.

EFFECT OF PHYSICAL COEFFICIENTS ON MODELING PARAMETERS OF ELECTRON-BEAM WELDING

S. O. Kurashkin Scientific Supervisor - Y. N. Seregin

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: scorpion_ser@mail.ru

We describe formulas for the spatial state of the temperature field under effect of a fast moving linear and point source. The research effect of physical coefficients on modelling parameters of electron-beam welding.

Keyword: welding, electron-beam welding, modeling, physical coefficients.

Электронно-лучевая сварка - сварка, при которой нагрев и плавление изделий осуществляется потоком высокоскоростных электронов, движущихся под действием электрического поля в вакууме [1]. Цель данной работы заключается в исследовании влияния физических коэффициентов на моделирование параметров электронно-лучевой сварки. Это необходимо, чтобы узнать насколько физические коэффициенты оказывают влияние на моделирование параметров электронно-лучевой сварки. Модели мгновенных источников справедливы для металлов и сплавов при условии, что физические характеристики материала при нагреве не изменяются.

Для вычисления параметров электронно-лучевой сварки используется математический функционал. Использование математического функционала подразумевает использование двух формул из теории теплового поля. Это формулы пространственного состояния температурного поля при воздействии быстродвижущегося линейного и точечного источника.

Формула состояния температурного поля при воздействии быстродвижущегося линейного источника [2]:

tH 2 2 1

T (v, X, y, z, q, t) = T + —^ • exp(- f^) • j exp(-(4- + b) • t - ) -t, (1)

H 4 • n • о • A 2 • a 0 4 • a 4 • a • t t

где Тн - начальная температура изделия; 5 - толщина; X - коэффициент теплопроводности; q -эффективная мощность пламени; a - коэффициент температуропроводности; b - коэффициент

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2018. Том 2

температуроотдачи пластины; г - расстояние от направления движения источника до рассматриваемой точки; V - скорость сварки; г - время распространение теплоты.

Формула состояния температурного поля при воздействии быстродвижущегося точечного источника [2]:

2 • а . V • г . V2 • г Я2 ^йг Т2<ЛхУ'z'а,г) =-Т• ехР(-~—)• I ехР(-^--~л-)_Г, (2)

3 2 • а 0 4 • а 4 • а • г 3

с • р • (4 • п • а)2 0 г2

где Тн - начальная температура изделия; с • р - теплоемкость стали; а - эффективная мощность пламени; а - коэффициент температуропроводности; V - скорость сварки; г - время, отсчитываемое от момента прохождения источника через сечения, в котором находится рассматриваемая точка; Я - расстояние от направления движения источника до рассматриваемой точки. Ток сварки:

/ = (3)

и • п • 0.24

где и - ускоряющее напряжение; а - мощность; ^ - коэффициент полезного действия.

В формулах (1) и (2) некоторые параметры присутствуют в явном виде, например скорость сварки, другие величины присутствуют косвенно, например ток сварки (3) и также присутствуют ещё одна группа параметров, такие как ширина сварного шва, которые определяются в процессе вычисления. Также в формулах (1) и (2) присутствуют физические коэффициенты материала, которые в справочной литературе принимаются для разных температур и показаны в таблице [4]. Вычисление этих параметров осуществлялось для титанового сплава ВТ-14.

Физические коэффициенты

Температура, оС Коэффициент теплопроводности, Вт/(смК) Теплоемкость стали, Дж/(см3-К) Коэффициент температуропроводности, см2/с

400 0.131 2.8035 0.047

600 0.182 4.4685 0.04

800 0.182 4.4685 0.04

В ходе вычислений указанных параметров электронно-лучевой сварки принимается функционал в виде следующего выражения [3]:

^(Тн,) = < р- (Тш - Т")2 , (4)

\П -1 г=1Ч '

где Тн = Т ^ х ^ г), Т(у, х, у, 2, а, г) = Т^, х, у, 2, а, г) + Т2(у, х, у, 2, а, г), Тш. - среднее ариф-

Ттах

метическое.

Представление источника нагрева в виде двух мгновенных движущихся источников: точечного (Т^, х, у, 2, а, г)) и линейного (Т2^, х, у, 2, а, г)), вызвано необходимостью учета влияния на тепловое поле толщины изделия [3].

Для нахождения параметров в моделях (1), (2) и для их вычисления необходимо решать обратную задачу, что нереализуемо в силу их сложности, поэтому решение получено графическим способом. Поиск решений находится вычислением функционала при вариациях соответствующих параметров. Само решение принимается в точке минимума функционала.

Далее вычислим параметры, такие как ширина сварного шва и скорость сварки для титанового сплава ВТ-14 при различных коэффициентах при фиксированном токе сварки 50 мА. Сопоставим на рисунке полученные результаты. Представленный результат показывает, что значение отличаются при разных вариациях коэффициентов.

Выводы. Проведённое исследование по полученным результатам показало, что интересующие режимы электронно-лучевой сварки следует находить для физических коэффициентов, которые получены при температуре близкой к фазовому переходу.

График зависимости различных коэффициентов от времени интегрирования,

порога и скорости сварки

Библиографические ссылки

1. Электронно-лучевая сварка [Электронный ресурс]. URL: https://osvarke.com/ebw.html (дата обращения: 01.04.2018).

2. Теория сварочных процессов / В. Н. Волченко, В. М. Ямпольский, В. А. Винокуров и др. / под общ. ред. В. В. Флорова. М. : Высш. шк., 1988. 559 с.

3. Серегин Ю. Н., Курашкин С. О. Моделирование режима ЭЛС для прогнозирования параметров сварного шва // МЭИ : материалы II Междунар. науч. конф. (14-17 ноября 2017, г. Москва) / под общ. ред. В. К. Драгунов. М. : Изд-во МЭИ, 2017. С. 26-36.

4. Титан ВТ14. Физические свойства сплава ВТ14 [Электронный ресурс]. URL: http://metallicheckiy-portal.ru/marki_metallov/tit/VT14 (дата обращения: 01.04.2018).

© Курашкин С. О., 2018