Диссертация (Разработка расчетно-экспериментального метода оценки склонности сварных соединений к образованию горячих трещин при сварке тонколистовых металлических конструкций), страница 8

Для решения этой системы используется итерационный метод.2.4. Экспериментальная верификация модели теплопереноса2.4.1. Описание оборудованияИзмерительное оборудованиеЗапись термических циклов осуществлялась с помощью хромельалюмелевых термопар ТХА (Тип К), позволяющие проводить исследованиятепловых процессов при сварке до 1200 ºС [62].

Предельная температура прикратковременном применении составляет 1300 ºС. В качестве положительногоэлектрода используется сплав хромель (90,5% Ni +9,5% Сr), и отрицательного –алюмель (94,5% Ni + 5,5% Al, Si, Mn, Co). Данный тип термопар имеет 1 и 2класс точности по ГОСТ 6616-94 [63]. Класс 1 соответствует погрешности±0.004×T в диапазоне от 375 °C до 1000 °C. Для изоляции термопар в зонетеплового воздействия сварки используется керамический чехол и сдвоеннаярезиновая трубка в остальной части термопары. Для крепления термопар56используетсяконтактнаяконденсаторнаясварка.Длязащитынеизолированного керамическим чехлом места крепления термопары наисследуемом образе используется шамот.Для преобразования термо-ЭДС термопар и передачи данных накомпьютер использовалась измерительная установка LTR фирмы ЗАО «ЛКАРД» (г.

Москва). Общий вид измерительной системы представлен на Рис.2.18. Данная установка в используемой комплектации позволяет проводитьопрос до 10 каналов с частотой от 5 до 100 Гц на каждом канале. Передачаданных на персональный компьютер осуществляется через интерфейс USB 2.0High Speed с максимальной скоростью обмена данными до 20 MБ/c.Полученные данные с помощью программного обеспечения поставщикаоборудования сохраняется в файле MS Excell.Рис.

2.18. Общая схема установки для записи термических циклов.Измерительная установка имеет модульную структуру. Основнымэлементом установки является крейт, в который устанавливаются необходимыемодули. В используемой комплектации оборудования входит крейт LTR-EU-81, модуль LTR27 с установленными 8 субмодулями H-27T для оцифровкитермо-ЭДС термопар. Общий вид крейта представлен на Рис. 2.19, егоосновные характеристики – в Таблице 7.57Рис. 2.19.

Измерительная установка LTRТаблица 7.Основные характеристики крейта LTR-EU-8-1ХарактеристикаОписаниеМаксимальное количествоустанавливаемых модулей LTR8ПроцессорСигнальный процессор BlackfinADSP-BF537 (600 МHz)Объём ОЗУ, МБ32ИнтерфейсТип ПЛИСUSB 2.0 high-speed / Fast Ethernet(100BASE-TX)EP1С30, загружаемая привключенииFlash-память данныхНесъёмная 2 GB microSD (опция)Количество цифровых линийсинхронизации крейтаМаксимальная скорость передачиданных, МБ/с2 шт.

на вход;2 шт. на выходUSB high speed: 16;Ethernet: 10Конструкция крейтаПереноснаяНапряжение питания, В220Максимальная потребляемая мощность,80ВтГабарит корпуса ШхВхГ, мм236x133x37858У модуля LTR-27 (Рис. 2.20) имеется поканальная гальваноразвязкавходов-выходов модулей относительно корпуса и цепей питания крейта.Возможна установка до 8 субмодулей типа H-27x и соответственно до 16каналов (по 1 или 2 каналами на субмодуль), с частотой опроса по каждомуканалу от 5 до 100 Гц.Рис.

2.20. Компоненты модульной системы крейта: модуль LTR-27 и субмодульH-27TСубмодульH-27T(Рис.2.20)используетсядляизмерениямилливольтовых сигналов от -25 до 75 мВ. Имеет два гальваноизолированныхизмерительных канала с асимметричным милливольтовым диапазоном,адаптированным для прямого подключения и измерения сигналов с термопар.Каждый измерительный канал имеет индивидуальный интегрирующий АЦП.Крейтовая система LTR внесена в Госреестр средств измерения.Оптические приборыДля визуального контроля наличия горячих трещин и измерения ихразмеров использовался инвертированный микроскоп GX51 фирмы Olympus(Рис. 2.21).

Данный микроскоп позволяет проводить исследования в режимахсветлого и темного поля, дифференциально-интерференционного контраста,простом поляризованном свете. Управление объективами осуществляется спомощью револьверного держателя. Имеющийся набор объективов позволяетвести исследования с увеличениями 50, 100, 200, 500 и 1000. Предметныйстолик имеет ход по 50 мм в плоскости по осям X и Y. С помощью цифровой59камеры DP20 осуществляется вывод изображения в реальном времени на экранперсональногокомпьютера.Программноеобеспечениепоставщикаобеспечивает возможность выполнения необходимого анализа изображений иих сохранение для дальнейшей работы.Рис.

2.21. Инвертированный микроскоп Olympus GX51Первичный визуальный контроль и измерения в ходе проведенияэксперимента осуществлялся с помощью микроскопа отсчетного типа МПБ-2 сувеличением 25 крат и погрешностью измерения 0,02 мм.Сварочный источникПрименялся источник TransPuls Synergic 2700 TIG австрийской фирмыFronius (Рис. 2.22).Рис. 2.22. Сварочный источник TransPuls Synergic 2700 TIG60Диапазон регулирования сварочного тока от 3 до 270 А, напряжениехолостого хода 50 В, рабочее напряжение от 14,2 до 27,5 В. Источник позволяетустанавливать время горения дуги, нарастания и спада с точностью до 0,5 сек.Установка исследования тепловых процессовДля проведения экспериментов использовалась установка, построеннаяна базе винторезного станка (Рис. 2.23).Рис.

2.23. Общий вид экспериментальной установкиУстановка позволяет выполнять сварку с управляемой скоростьюпрямолинейных,кольцевыхшвовишвовсколебателем.Диапазонрегулирования скорости перемещения рабочей поверхности при выполнениипрямолинейных швов от 1 до 60 мм/с. Рабочая поверхность позволяетрегулировать теплоотвод и применять оснастку для изменения жесткостиобразца.2.4.2. Верификация модели при нагреве неподвижной дугойВ качестве образцов использовались пластины из стали, толщиной 15 мм.Эксперименты проводились для различных режимов с силой тока от 160 до 220А и интервалов времени горения дуги от 0,5 сек до 6,0 секунд, с шагом 0,5секунды.Контроль геометрических размеров проплавления осуществлялся посканированной поверхности шлифа [13, 64, 65].

Полученные контуры61сварочных ванн аппроксимировались эллипсоидом (Рис. 2.24). Значениявеличины полуосей эллипсоида для различных моментов времени горения дугипередавались в конечно-разностную модель с помощью программы, описаннойв параграфе 2.3. Макрошлифы сварочных ванны для режимов с силой тока 160,180 и 200 А для времени горения дуги от 0,5 до 5,0 секунд представлены наРис.

2.26.Рис. 2.24. Аппроксимация контура сварочной ванны эллипсоидомТермическийциклизмерялсяспомощьюхромель-алюмелевойтермопары, закрепленной согласно параграфу 2.3 на расстоянии 8 мм от центраванны (Рис. 2.25).Рис. 2.25. Схема размещения термопарыПример сравнения расчетных и экспериментальных термических цикловдляразличноговременигорениядугипредставленнаплакате.62Время горения дуги 0,5 сВремя горения дуги 1,0 сВремя горения дуги 1,5 сВремя горения дуги 2,0 сВремя горения дуги 2,5 сВремя горения дуги 3,0 сВремя горения дуги 3,5 сВремя горения дуги 4,0 с0Время горения дуги 5,0 са)б)в)Рис. 2.26. Макрошлифы сварочных ванн для различных интервалов горениядуги и силы тока: а – 160 А; б – 180 А; в – 200 А.63НаРис.2.27представленыпримерысравнениярасчетныхиэкспериментальных термических циклов.а)б)в)г)Рис. 2.27. Расчетные и экспериментальные термические циклы (режим I=180 А,U=11 В) для различных интервалов времени горения дуги:а – 3,0 с., б – 3,5 с., в – 4,0 с., г – 5,0 с.2.4.3.

Нагрев тонких пластин движущейся дугойДальнейшаяэкспериментальнаяверификациячисленноймоделипроводилась на листовых пробах из аустенитной хромомарганцевистой стали12Х15Г9НД (AISI 201), толщиной 2,0 мм; 2,5 мм и аустенитнойхромоникелевой стали 12Х18Н10Т (AISI 321), толщиной 1,0 мм. Химическийсостав сталей определен с помощью эмиссионного спектрометра и приведен вТаблицах 8 и 9.64Таблица 8.Химический состав стали 12Х15Г9НДCSiMnPSCrMo0,097 0,253 9,502 0,068 0,003 14,78 0,057NiAlCuTiNbVB1,023 0,029 1,254 0,002 0,013 0,027 0,001Таблица 9.Химический состав стали 12Х18Н10ТCSiMnPSCrMo0,132 0,430,8 0,036 0,017 18,96 0,16NiAlCuTiNbVB10,09 0,057 0,229 0,62 0,003 0,038 0,0002Сварочныйнагревпроизводилсяаргоновойдугойнеплавящегосяэлектрода на незакрепленных листах, шириной (W) 80 мм. Схема образца дляиспытаний представлена на Рис. 2.28.Рис. 2.28. Схема эксперимента: 1 – технологическая планка; 2 – прихваткаРежимы сварки, представленные в Таблице 10, подбирались такимобразом, чтобы обеспечить полное проплавление пластин и сохранитьпостоянным значение величины ширины ванны b.

Закрепление хромельалюмелевых термопар на образце осуществлялось согласно параграфу 2.3 нарасстоянии h от 1,0 до 2,0 мм от края шва с шагом hi от 1,5 до 2,0 мм.65Таблица 10.Параметры исследуемых режимов сваркиI, АU, В, ммv, мм сРежимСерия 1 (Сталь 12Х15Г9НД,   2,0 мм )1.119514,010,01.214012,57,52,01.321015,010,0Серия 2 (Сталь 12Х15Г9НД,   2,5 мм )2.121015,38,52.224016,010,02,52.326016,012,52.427016,213,5Серия 3 (Сталь 12Х18Н10Т,   1,0 мм )3.18010,66,83.29511,27,91,03.312512,110,5Серия 4 (Сталь 12Х18Н10Т,   1,0 мм )4.19511,010,54.29511,012,51,04.39511,27,9Полученные для каждого из исследуемых режимов термические циклыиспользовались в качестве исходных данных при численном моделированиисварочного нагрева при подборе неизвестных геометрических параметровмоделируемой сварочной ванны.Путемвизуально-измерительногоконтролянаходятсяполуосиэллипсоида b и с (Рис.

2.29). Для определения полуоси с измерялась ширинапроплавления 2b´ на обратной стороне пластины.Рис. 2.29. Определение геометрических параметров сварочной ванны66Т.к. ванна аппроксимируется эллипсоидом, то контур в поперечномсечении шва описывается выражением:y2z2 1.b2 c 2Выразив с из 2.17 получаем:c  z 1y2b2(2.17).(2.18)Подставляя в 2.18 координаты b,   точки 1 на Рис. 2.28 получаем:b2(2.19)c  1 2 .bДалее выполнялся поиск неизвестной длины передней af и хвостовойчасти ab сварочной ванны, используя алгоритм, описанный в параграфе 2.3.Определение af и ab осуществлялось путем сравнения и минимизации разницымежду реальными и расчетными термическими циклами.