Автореферат (1024711), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Н.Э. Баумана(Москва, 2015).Публикации. По материалам диссертации опубликовано 38печатных работ, из них 29 работ в журналах, рекомендованных ВАК, изданамонография, получено четыре патента РФ на изобретение и полезныемодели.3Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шестиглав, общих выводов, списка литературы и 4 приложений.
Диссертациянаписана на 391 стр., и содержит 180 рисунков, 46 таблиц. Списоклитературы состоит из 310 наименований.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫВо введении раскрыта актуальность работы, сформулированы научнаяновизна и основные положения, выносимые на защиту.В главе 1 рассмотрены проблемы обеспечения требуемого качествасварных соединений при сварке корпусных конструкций специальнойтехники. Значимый вклад в исследование процессов сварки деталей и узловспециальной техники из высокопрочной стали внесли разработки ИЭС им.Е.О.
Патона, в содружестве с ведущими научными организациями ипредприятиями. Научные основы сварки высокопрочных сталей создавалисьЕ.О. Патоном, Б.Е. Патоном, А.М. Макарой, Э.Л. Макаровым, Б.С.Касаткиным и др. Показаны этапы совершенствования процессов сваркикорпусных конструкций, в которых используются как стыковые соединения,так и соединения под острыми и тупыми углами. Короткие стыковые исоединения под острыми углами, а также труднодоступные соединениясваривают однодуговой механизированной сваркой, более протяженные автоматической сваркой.Эффективным путем дальнейшего повышения производительностисварки является применение при сварке корпусных конструкций разделокособой, зауженной формы, с общим углом раскрытия 8-120.
Другойвозможностью повышения производительности является дальнейшеерасширение областей применения многодуговых процессов. Дляпромышленного применения таких прогрессивных технологий сварки ирешения проблем обеспечения стабильно высокого качества сварныхсоединений необходимо развитие теории формирования сварныхсоединений при многопроходной многодуговой сварке по узкому зазору.К настоящему времени накоплен опыт по разработке методик анализаи моделей процессов сварки плавлением (В.А.
Судник, Э.Л. Макаров, В.А.Ерофеев, В.И. Махненко, С.И. Полосков, A.B. Коновалов, A.C. Куркин, K.Yoshiyama, T. Ueyama и др.), опираясь на который возможно дальнейшееразвитие научных и технологических основ многопроходной сварки поузкому зазору конструктивных элементов и узлов специальной техники.В главе 2 описана обобщенная физико-математическая модельпроцесса многодуговой сварки по узкому зазору, которая учитываетформирование шва, прочностных характеристик, напряженного состояниясварного соединения при многопроходной сварке по узкому зазору рис. 1.Для оценки механических свойств металла шва и напряженного состояниясварного соединения применены известные из анализа литературных4источников модели.Модель формирования многопроходного шва включает подмодельформирования отдельных валиков, условно разделённую на подмоделигорения дуги и формирования сварочной ванны.Рис.
1. Последовательность определения параметров режима двухдуговойсварки по узкому зазоруПодмодель горения дуги определяет распределение мощноститеплового потока дуги по криволинейной поверхности стыка и сварочнойванны в зауженной разделке кромок.5Новым элементом подмодели является определение длины L arc дуги,как среднего расстояния от торца электродной проволоки Z f до поверхностиметалла Z T (x,y) в пределах круга радиусом, равным радиусу столба дуги R arc :Larc2= 2rarcrarc∫ (Z (r ) − Z (r ))2Tf+ r 2 r dr0Электрическая цепь питания сварочной дуги включает источник тока,индуктивность и активное сопротивление R w источника, а такжесопротивление вылета проволоки, зависящее от температуры его нагрева, исамой дуги.
Дуга рассматривается как три составляющих мощностиисточника теплоты: тепловыделение в катодном пятне, столбе и наэлектроде (анодном пятне и вылете) с учётом значений падения напряженияв анодной U a , катодной U k областях и градиента потенциала в столбе дуги E.Решение известных уравнений, описывающих электрические процессы взависимости от длины дуги, позволило оценить устойчивость горения дуги вразделке кромок, расположения дуги в разделке и распределения тепловоймощности дуги по поверхности металла, необходимых для прогнозированиясостава и структуры наплавленного металла и металла зоны термическоговлияния.Сравнение экспериментальных данных и результатов решениясистемы уравнений, описывающих влияние электрических процессов в дугена изменение скорости плавления электродной проволоки, которыевоспроизводят динамические процессы при возбуждении дуги посленачального короткого замыкания, позволяют сделать вывод об ихадекватности.
В дальнейшем результаты решения уравнений положены воснову оценки устойчивости горения дуги в зауженной разделке (рис.2).Рис. 2. Результат моделирования процесса возбуждения дуги в СО 2проволокой диаметром d f =1.2 мм при длине вылета L f =15 мм. U arc , L arc , I arc –напряжение, длина и ток дуги, R f , T f – электрическое сопротивление итемпература нагрева вылета6Распределение теплового потока в катодном пятне дуги определялипри допущении, что плотность тока j в дуге убывает по мере удаления отторца электродной проволоки:(1j = k j exp − 2 (Z T ( x, y ) − Z f Rarc)2)+ x 2 + y 2 ,где R arc – радиус дуги по каналовой модели Лескова, Z f – координата концаэлектрода, Z T (x,y) – координаты поверхности металла кромок, k j –коэффициент, значение которого определяется итерационно для получениязаданного тока дуги I arc :k j =var∫ j dZT →I arcZTРаспределение мощности теплового потока в катодном пятнеопределяли по уравнению q k =jU k , а создаваемое излучением столба дугиP r =I arc EL arc – по соотношению:Pqr = r 2 cos ϕ ,4πrгде r 2 = x 2 + y 2 + (Z f − Z ( x, y ) )2 , ϕ - угол падения излучения на поверхность.Распределение мощности соответствует формированию наплавляемогослоя при допущении, что электродный металл мгновенно переносится в этотслой, то есть капля, переместившаяся в сварочную ванну, мгновенновыдавливается из-под дуги ее электромагнитным давлением:q f (x.
y ) =Pf vx dZ (x, y )πrf2v f dxгде v x , v f , r f – скорость сварки, скорость подачи проволоки и радиусэлектродной проволоки.Принятая модель распределения теплового потока дуги на плоскойповерхности металла близка к общепринятому нормальному закону. Расчетпо модели учитывает характерное изменение распределения тепловогопотока в разделке кромок, рис. 3.7Рис. 3.
Результаты расчетаплотности тока в катодном пятнедуги на плоской поверхностиметалла и в V-образной разделкепри токе 200 А и длине дуги 6 ммОсновой подмодели формирования сварочной ванны являетсяуравнение теплопроводности, граничные условия которого учитываютфактическую геометрию стыка, изменяющуюся по мере его заполнения иплавления кромок дугами в стыке.
Геометрия стыка Z(x,y) при плавлениикромок и переносе электродного металла определяется решением уравненияравновесия давлений на поверхности сварочной ванны. При двухдуговойсварке при образовании общей ванны необходимо учитыватьгидродинамическое давление течения расплава в ванне, создаваемой первойдугой: ∂pv = ρ vx Z (x, y ) ∂x2Особенностью многопроходной сварки в узкую разделку являетсяпространственное расположениегранице плавления, соответствующейизотерме температуры плавления T L на поверхности кромок. Это вынуждаетописывать её неявной функцией Z T (x,y), определяемой по решениюуравнения теплопроводности T(x,y,z) в соответствии с соотношением:T(x,y,Z T (x,y))=T LСовместное численное решение уравнения равновесия давлений наповерхности сварочной ванны и теплопроводности позволяет определитьформу сварочной ванны, рис.
4.8Рис. 4. Распределение составляющих давления (капиллярного p σ ,гравитационного p g , электродинамического p i , гидродинамического p v ивнутреннего p w ) на поверхности сварочной ванны (а) и ее продольноесечение в плоскости симметрии (б)Решение уравнений подмодели формирования валика позволяетвоспроизвести профиль каждого последующего валика многопроходногошва, рис. 5.Рис. 5. Результаты последовательного моделирования формированиямногопроходного шва при двухдуговой сварке: а) исходная геометриякромок, 1)…11) профили проходов, б) строение многопроходного шваПрочность сварного соединения определяется не только геометриейсечения сварного шва, но и свойствами металла шва и ЗТВ. Металл шваобразуется в результате перемешивания в сварочной ванне основного и9присадочного металлов и реакций взаимодействия нагретого металла сгазами атмосферы и защитной среды, а также с расплавленным шлаком наповерхности металлической ванны.Содержание легирующих элементов в шве можно с достаточнойточностью оценить по долям участия наплавленного электродного металла иметалла свариваемых кромок с учетом коэффициентов перехода элементов всварочную ванну.Решение уравнения теплопроводности позволяет определитьквазистационарное распределение температуры не только в сварочной ванне,но и вокруг нее.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
