Диссертация (1024714), страница 15
Текст из файла (страница 15)
В электрической дугетрадиционно выделяют столб дуги, катодную и анодную приэлектродныеобласти [146, 147, 148]. Согласно каналовой модели сварочной дуги [107,148] свойства плазмы и ток дуги определяют анодное и катодное падениянапряжения, градиент потенциала и радиус столба дуги. Эти характеристикисправедливы и для сварки в зауженную разделку. Вследствие большойразницы температур между столбом дуги и опорными пятнами на электродах,изменяющиеся тепловые потоки из приэлектродных областей идут нанагревание либо электродной проволоки, либо кромок основного металла.Энергия в столбе динамически изменяющейся дуги выделяется излучением,которое идет как на нагрев кромок, так и на рассеивание в окружающем дугупространстве [149]. В зауженных разделках большая часть излучения дугипоглощается стенками разделки, повышая ее эффективность.
В свою очередь,тепло нагрева электродной проволоки, в конечном итоге, вместе с каплями97электродного металла практически полностью переносится в сварочнуюванну, так как потери тепла с брызгами относительно невелики. Приизменении параметров процесса сварки изменяются длина и диаметр столбадуги [150]. При сварке в СО2 анодное (Ua6 В) и катодное напряжения (Uk8В) и градиент потенциала (Е 4 В/мм) изменяются незначительно.Особое место занимает воспроизведение условий формированиямногопроходного шва, так как формирование каждого последующегопрохода зависит от геометрической формы стыка, сформированной присварке всех предшествующих проходов [151, 152].
Все отмеченныефизические явления и их взаимодействия должны учитываться приразработке обобщенной физико-математической модели и ее составныхподмоделей, учитывающих особенности формирования шва при двухдуговойсварке по узкому зазору.В этой связи, основными исходными параметрами должны являться:- марки свариваемой стали и электродной проволоки, т.е. иххимический состав и теплофизические свойства, как в твёрдом, так и жидкомсостоянии;- геометрические характеристики свариваемых кромок;- задаваемые параметры режима сварки (расстояние между дугами,диаметры и скорости подачи электродной проволоки, скорость сварки,напряжение и параметры источника питания дуги).Тогда в результате моделирования можно определить:- энергетические характеристики дуги (ток, мощности тепловыделенияна аноде, катоде и в столбе дуги, длина дуги и ее расположение относительноразделки кромок);- распределение теплового потока по поверхности кромок;- распределение температуры в металле свариваемых кромок;- форму поверхности сварочной ванны и шва;- строение поперечного сечения многопроходного шва;- химический состав металла шва;98- структуру и механические свойства металла шва и ЗТВ.Выполненныйанализизвестныхданныхотеориисварочныхпроцессов, физико-математических моделей сварочных процессов и методовиспользования данных моделей для решения инженерных задач позволяетконкретизироватьцелиизадачиисследования.Так,прирешенииинженерных задач сварки исходными данными являются требования кразмерам шва по ГОСТ и механическим свойствам сварного соединения поТУ при отсутствии в них дефектов.
Задача состоит в определении параметровсварки, при которых эти требования удовлетворяются. Решение этой задачидля случая многопроходной двухдуговой сварки по узкому зазору сводится кпоследовательному физико-математическому моделированию особенностейформирования шва: горения дуги, ее воздействия на свариваемые кромки,плавления металла и формирования сварочной ванны, формированияструктуры металла шва и ЗТВ, возникновению напряжённого состояния.Теоретическое описание дуги обычно сводится к описываниюраспределения теплового потока нормальным законом распределения, чтонеприемлемо в случае, когда дуга горит в зауженной разделке.Формирование сварочной ванны определяют путем решения уравнениятеплопроводности.
Хотя решение этого уравнения для случая нагреваниядвумя дугами не является проблемой, но при многопроходной сваркенепрерывноизменяетсягеометрическаяформакромокпомерееезаполнения. Изменение формы кромок при сварке каждого проходатрадиционно определяют решением уравнения равновесия поверхностисварочной ванны, но решения для случая сварки двумя дугами для узкойразделки неизвестны.Помимопрочностныхформированиясвойств.шваМетодыпроблемойтакойявляетсяоценкиоценкаразработаныегодляконструкционных сталей, отличием является только термический циклдвухдуговой сварки для проходов в узкой разделке, который можноопределить при моделировании формирования шва. Расчет напряженного99состояния металла в шве и ЗТВ основного металла можно выполнитьизвестными методами, использующими данные о геометрии кромок,мощности источника теплоты и скорости его перемещения. Эти данныемогутбытьполученыизрезультатовфизико-математическогомоделирования формирования шва.
Если прочностные свойства илинапряженное состояние не удовлетворяют предъявляемым требованиям, тонужно изменить исходные параметры сварки и повторить моделированиеформирования шва и анализ результатов. Необходимо учитывать, чтозначения параметров сварки при практической реализации технологии немогут быть точными. Поэтому необходима оценка допустимой погрешностизначений технологических параметров.Такую оценку можно выполнить, численно решая известные уравненияматематической физики. Но для этого нужно уточнить:- особенности горения дуги при сварке по узкому зазору, в частностиусловий устойчивости ее горения, а также распределение тепловой мощностидуги по поверхности кромок и ванны;- условия формирования сварочной ванны и шва, в частностираспределение температуры по ее поверхности в зауженной разделке кромок.Оценку механических свойств и напряженного состояния можновыполнить по известным физико-математическим моделям [138, 139, 144],используя результаты моделирования формирования шва.Изложенноепоказывает,чторешитьпроблемыоптимизациидвухдуговой многопроходной сварки высокопрочных сталей по узкомузазоруможнопутемпоследовательногофизико-математическогомоделирования формирования проходов многопроходного шва.
Процедураанализа и оптимизации процесса двухдуговой сварки по узкому зазору сиспользованием обобщенной физико-математической модели представленана рис. 2.1. Для визуальной оценки объема необходимых работ, на рис. 2.1желтым цветом выделены модели, требующие уточнения, зеленым –100заимствованные модели, голубым – интерактивные процедуры анализа иоптимизации, выполняемые с участием исследователя.Рис.
2.1. Алгоритм анализа и оптимизации процесса двухдуговой сваркипо узкому зазору101Таким образом, для определения условий обеспечения стабильновысокого качества сварных соединений корпусных конструкций необходимаинтеграция в обобщенную физико-математическую модель трех моделей:- физико-математической модели формирования многопроходного шва;- физико-математической модели формирования прочности шва и ЗТВ;- физико-математической модели оценки напряженного состояния.2.2.
Модель формирования многопроходного шва при двухдуговойсварке по узкому зазору2.2.1. Пространство моделирования и система координатФормирование сварочной ванны (рис. 2.2) описано в декартовойнеподвижной системе координат x,y,z с центром в точке пересечения осидуги в начальный момент времени [153].Рис.
2.2. Геометрические характеристики зоны формированиясварочной ванны в сечении стыка (a) и поперечного сечения шва (б); 1 свариваемые кромки, 2 - подкладка, 3 - шов102В этом случае дуга движется по координате x со скоростью сварки vw.Строение зоны формирования шва (рис. 2.2,а) описывается координатамихарактерных поверхностей раздела сред: zT (x,y) между дугой и наружнойповерхностью сварочной ванны, шва, zB - между проплавом и подкладкой дляпринудительного формирования корня шва или закристаллизовавшемсяметаллом шва, zL - между жидким металлом сварочной ванны изакристаллизовавшемся металлом шва.
Одновременно условия плавленияэлектродной проволоки диаметром df, подаваемой со скоростью vf поддействием напряжения U0 и тока Iarc определяются ее вылетом Lf изтокоподвода и длиной дуги Larc. Длина Larc. и ток Iarc дуги определяетсяпроцессом плавления электродной проволоки диаметром df и вылетом Lf,которая подается со скоростью vf, а также напряжением источника U0.Распределение температуры и энтальпии представлено как множествозначений T(x,y,z), H(x,y,z)в множестве точек пространства моделированияx,y,z. Свойства металла в этих точках представлены маркерами М(х,y,z),определяющими температуру в зависимости от энтальпии T(x,y,z)=T(H(x,y,z),М(х,y,z)) и теплопроводность в зависимости от температуры (x,y,z)=(H(x,y,z),М(х,y,z)).Учитываетсятакжепредельноераспределениетемпературы Tm(y,z)=maxT(x=var,y,z) и форма поверхности сварочной ванныпосле кристаллизации ZT(x=xm,y).Распределениетемпературыирасположениехарактерныхповерхностей раздела позволяет определить геометрические характеристикишва (рис.
2.2,б):- высоту наплавляемого слоя H;- выпуклость (вогнутость) hz кромок его наружной поверхности;- глубину проплава hp по предельным распределениям температуры иmaxT(x=var,y,z);- ширину h и глубину gL зоны сплавления на кромках;- ширину hd и глубину gy возможного подреза или непровара;- условияgy=0 и gL>0, при которых шов формируется без подрезов103(непроваров) или межслойных несплавлений.С учетом этого, в пространстве моделирования формированиямногопроходного шва должны реализовываться следующие подмодели:формирования валиков (слоев) шва, горения дуги в разделке и подмодельформирования сварочной ванны каждого валика, что позволяет осуществлятьрасчет химического состава шва и параметров термического цикла сварки.2.2.2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
