Диссертация (1024714), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Мощность (КПД) и параметры распределениятеплового потока этих источников определяют косвенно по опытным данным[105]. К данной группе относится и работа [106], в которой приведенырезультаты численного моделирования процессов импульсно-дуговой MIGсварки, позволяющие определить параметры нормально-распределённогоповерхностного потока теплоты, создаваемого дугой. В ходе работы КПД ирадиус действия дуги определяли, сравнивая численное решение уравнениятеплопереноса с опытными значениями размеров шва и термическим цикломсварки. В более точных моделях дуги рассматривают плазменный столб дуги,анодную и катодную области, что позволяет разделить тепловые потоки вплавящийся электрод и в изделие.
Теоретическая каналовая модельравновесия плазменного столба сварочной дуги [107] позволяет оценитьдиаметр дуги и влияние газовой среды на ее свойства.Физико-математические модели формирования дугового промежуткапри сварке плавящимся электродом учитывают взаимодействие скоростиподачи и плавления электрода и влияние характеристик источника питаниядуги на длину, напряжение и ток дуги. В работах [108, 109] эти параметрыпозволили воспроизвести изменение параметров дуги при импульснодуговой сварке.Авторы работ [110, 111] описали взаимодействие основных физическихявлений в электрической дуге на основе решения уравнений математическойфизики, что позволило им выполнить теоретическое исследование влияния76длины дугового промежутка, тока дуги, формы неплавящихся электродов, атакже поверхности сварочной ванны на распределение плотности тока,теплового потока и давления дуги при сварке в различных пространственныхположениях. Для описания теплового потока от дуги в металл и давления наего поверхность предложено использовать бимодальное распределение,позволяющее установить количественные соотношения и определить егопараметры в зависимости от длины и тока дуги, а также геометрииповерхности неплавящегося электрода и кратера, возникающего в сварочнойванне.Однакоэтоисследованиевыполненопридопущенииобосесимметричной форме кратера в расплаве, что не позволяет учитыватьреальную форму разделки кромок.Несмотря на важность адекватного описания сварочной дуги какисточника теплоты для решения тепловых задач, перечисленные физикоматематические модели сварочной дуги неучитывают влияние нахарактеристики дуги такого важного параметра, как геометрическая формасвариваемых кромок.
Поэтому они нуждаются в уточнении.1.5.3. Физико-математические модели процессов нагрева и плавленияэлектрода при переносе металла в сварочную ваннуФизико-математическая модель плавления электродной проволокивключает расчёт нагревания вылета и образования капли. Эта модельопределяет зависимость тока дуги от скорости подачи электрода.Температура нагрева вылета электрода определяется с достаточнойточностью по объёмному тепловыделению в металле электрода. Важнойособенностью расчёта является необходимость учёта изменения удельногоэлектросопротивленияметаллаоттемпературы,вследствиекоторогораспределение температуры вдоль вылета нелинейное.Среднеезначениескоростиплавленияэлектроднойпроволокиопределяется температурой капель, стекающих с электрода.
Мгновенное77значение скорости существенно отличается от средней, так как определяетсяформированием капли с последующим отрывом капли от электрода.Работы [112] и [113] посвящены расчету температуры металлаэлектродных капель при дуговой сварке плавящимся электродом. В работе[112] расчет осуществлялся на основе решения задачи по определениюмаксимальнойтемпературынагреваметаллаввылетеэлектроднойпроволоки теплотой Джоуля-Ленца и скорости плавления электроднойпроволоки, в предположении, что средняя температура металла электроднойкапли меньше температуры кипения (приблизительно равна полусумметемператур плавления и кипения).Температура нагрева вылета электрода определяет связь междупараметрами подачи электрода и током дуги, рис 1.23.Рис.
1.23. Зависимость тока дуги I и температуры нагрева вылета Tfот скорости Vf подачи (a) и вылета Lf (б) порошковой электроднойпроволоки диаметром 2,0 и 1.6 мм с сердечником из порошкатугоплавких металлов диаметром 1.4 и 1.0 мм: а) при вылете 16 мм,б) при скорости подачи 40 мм/с [113]В работе [113] использовался метод конечных элементов. В даннойработерассмотренодваслучаятеплопроводностичерезкаплю78расплавленного металла:- активное пятно сварочной дуги находится в нижней точке капли;- активное пятно охватывает всю свободную поверхность капли.Авторы работы [114] разработали физико-математическую модельвременных параметров процесса плавления электродной проволоки при ееимпульсной подаче. Данная модель адекватно отражает влияние на времяобразования капли заданного размера таких параметров как материалпроволоки, свойства сварочной дуги и источника сварочного тока, значенияимпульсаподачипроволоки.Уравненияпредставленноймоделиподтверждают, что постоянная времени сварочной цепи существенно влияетна скорость образования капли электродного металла, что позволяет ееиспользовать в качестве элемента регулирования процесса каплепереноса.Однако данная модель не учитывает нагревание вылета электрода, чтоособенно важно при сварке толстостенного металла по узкому зазору.Подобного недостатка лишена представленная в работе [115] физикоматематическая модель плавления проволоки, которая учитывает нагреваниевылета электрода, стадию формирования капли (её нагревание и ростдиаметра) и изменение действия сил гравитации, поверхностного натяженияи электродинамической силы по мере роста капли.
Помимо этого даннаяфизико-математическаямодельучитываетнагревторцаэлектроднойпроволоки стационарным и импульсным источника тепла при образованиикапель электродного металла. Данная физико-математическая модельвоспроизводит изменение периода образования капель в зависимости от токадуги для проволок малого диаметра, что необходимо для определенияоптимальной длительности и периода импульсов тока дуги.На рис. 1.24. показаны результаты моделирования на основе модели,представленной в работе [115] процесса сварки в СО2 с периодическимикороткими замыканиями (КЗ) при подаче электродной проволоки диаметром1,2 мм со скоростью 90 мм/с.79Рис. 1.24. Результаты физико-математического моделирования процессасварки в СО2 с периодическими КЗ [115]В работе[116] предложеныкачественно новыеэмпирическиезависимости, описывающие зависимость скорости плавления (подачи)сварочной проволоки от тока, температуры предварительного подогрева,диаметра и вылета электрода при сварке в углекислом газе током обратнойполярности, а также зависимость эмпирических коэффициентов формулы отпараметров процесса и раскрыто их физическое содержание.Недостатком известных физико-математических моделей плавленияпроволоки является трудность определения критерия отрыва капель отэлектрода.
Это соотношение зависит от состава защитного газа, материалаэлектродной проволоки и тока дуги. Обычно оно определяется на основеэкспериментальных данных [117].Однакоизложенныеподходымогутиспользоватьсяисследовании особенностей многодуговой многопроходной сварки.ипри801.5.4. Физико-математические модели тепловых процессов при нагревесвариваемых кромокФизико-математические модели и алгоритмы расчета распределениятемпературныхполейнаповерхностиизделияявляютсянаиболеераспространенными и представляют собой уравнение теплопроводности сграничными условиями, соответствующими форме разделки кромок ихарактеристикам источника теплоты.Автором работы [118] предложены аналитические решения уравнениятеплопроводности для расчёта температурных полей для процессов сварки итермическойрезкиповерхностями.изделий,Дляограниченныхупрощениярасчетовкривымибыллиниямииспользованилиметодкриволинейных координат.Вработетемпературы[119]нагрева,предложенавремениметодикапребываниярасчетаметалламаксимальнойвышезаданнойтемпературы, мгновенные скорости нагрева и охлаждения.
Для определениявсех указанных характеристик использовалось общее графоаналитическоерешение на основе термического цикла нагрева металла в заданной точке.В исследовании [120] осуществлена корректировка аналитическогорасчета температур, а также основных параметров термических циклов точекпри автоматической сварке и наплавке с учетом влияния скрытой теплотыплавления, перегрева основного металла в процессе плавления, перемещениярасплавленного металла в хвостовую часть сварочной ванны под влияниемтока и скорости сварки.Вработеформирования[121]сварочнойпофизико-математическомуванныиспользуетсямоделированиючисленноерешениенелинейного уравнения теплопроводности с учётом изменения формысвариваемых кромок при плавлении металла и возникновении кратера поддействием давления дуги, а также вследствие подачи присадки, чтопозволяет прогнозировать возникновение различных дефектов. В работе81[122] тепловой процесс сварки моделируется путем численного решениянестационарного уравнения теплопроводности при воздействии импульсовтока дуги и при ее поперечных колебаниях, рис.
1.25.Рис. 1.25. Формирование сварочной ванны и шва при сварке споперечными колебаниями: а) сечение шва перед началом сварки, б)вид на стык сверху, в) сечение шва, г) сечение по плоскости симметриистыка. 1 – исходный металл, 2 – зона периодического проплавления, 3 –зона периодического удаления расплавленного металла в сварочнуюванну, 4 – зона устойчивого проплавления, 5 – сварочная ванна [122]В работе [123] для объяснения грибовидной формы поперечногосечения шва при сварке плавящимся электродом предложена физикоматематическая модель воздействия дуги на ванну, в которой поток теплоты,создаваемый каплями электродного металла, быстро переносится на дносварочной ванны.В работе [124] представлена нестационарная физико-математическаямодель процесса сварки под флюсом, в которой учтены ее основныефизические явления в гидростатической постановке.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
