Диссертация (1026134), страница 15
Текст из файла (страница 15)
При этом из трех параметров(максимальная температура нагрева; время охлаждения и дифференциальнойхарактеристики произведения максимальной температуры на время охлаждения)определяющихпроцесссоединениясприменениемнаибольшийэффектнаполучениянеразъемногоконцентрированногоскоростьростасталеалюминиевогоисточникаинтерметаллидовнагрева,оказываетмаксимальная температура нагрева диффузионной зоны [85]. В связи с этимглавной задачей, решаемой в данной работе при моделировании, являлосьопределение максимальных значений температур нагрева, при превышениикоторыхвпроцессеаргонодуговойнаплавкиалюмокремниевогослояпроисходит развитие диффузионных процессов на границе раздела стальалюминиевый промежуточный слой, приводящих к изменению структурыдиффузионной зоны.Работы по определению зависимости между изменениями структурыдиффузионнойзоныитермическимвоздействиемнанеепроцессааргонодуговой наплавки проводили в следующей последовательности:1.
Создание математической модели процесса аргонодуговой наплавки наповерхность массивного тела с применением известных в сварке принциповмоделирования;2. Верификация созданной модели на массивной алюминиевой пластине;1023. Адаптация математической модели к условиям аргонодуговой наплавкиалюмоматричного КМ на биметаллическое основание с промежуточным слоемиз алюминия на поверхности стали;4. Верификацияадаптированнойматематическоймоделинабиметаллических образцах, имитирующих основание подшипника скольжения;5.
Определениетемпературныхусловийвобластиактивациидиффузионных процессов.4.1. Программное обеспечение для создания математической моделиМоделированиетермическоговоздействияпроцессааргонодуговойнаплавки на образец проводилось в программном комплексе «СВАРКА» (далееПК «СВАРКА»), разработанном на кафедре «Технологии сварки и диагностики»МГТУим.Н.Э.Баумана.Данныйкомплекспозволяетосуществитькомпьютерное моделирование физических процессов, происходящих в металлахпри сварке или наплавке [93]. Расчеты значений требуемых величин в ПК«СВАРКА» проводятся по методу конечных элементов, который в настоящеевремя признан одним из наиболее эффективных для компьютерногомоделирования [94].Исходными данными для проведения расчетов тепловых процессов в ПК«СВАРКА» являются [95]:- геометрические параметры объекта моделирования;- таблица соответствий между номерами элементов и номерами материалов,заполняющих элементы объекта моделирования;- таблицы теплофизических свойств материалов объекта моделирования;- параметры тепловых нагрузок источника нагрева;- граничные условия объекта моделирования для температурной задачи;- вспомогательные параметры, определяющие порядок выполнениярасчетов.Решение задачи моделирования разделено на несколько этапов.
На первомиз них происходит подготовка данных для решения, заключающаяся в создании103геометрической модели и задании свойств материала, а также граничныхусловий объекта моделирования.Создание геометрической модели объекта начинается с построения егоплоского сечения в интерактивном графическом редакторе ПК «СВАРКА».Объемная модель строится автоматически, путем выдавливания из контурапостроенного плоского сечения по прямой или круговой траектории. Примоделировании процесса аргонодуговой наплавки алюминиевого сплава наповерхность стали, имеющей промежуточный слой из алюминия, полученныйпроцессом сварки взрывом, геометрическая модель задается в виде единого тела,состоящего из различных материалов (Рисунок 4.1).Рисунок 4.1.Биметаллический образец из стали с промежуточным слоем алюминия в видеконечноэлементного объекта, созданного в ПК «СВАРКА».1 – наплавленный валик из алюмокремниевого сплава; 2 – алюминиевыйпромежуточный слой АД1, полученный сваркой взрывом; 3 – диффузионныйслой на границе раздела сталь-алюминий; 4 – подложка из стали 20Каждомуконечномуэлементугеометрическоймоделиобъектаприсваивается соответствующий номер материала, определяющий его свойства.104Конечныеэлементы,которыезаполняютсяматериаломвпроцессемоделирования, например, наплавляемый валик, получают отрицательныезначения номера и, таким образом, при расчете отличаются от основногоматериала.
Причем при наплавке валика заполнение соответствующихэлементов происходит следующих образом: теплота от источника энергиирасходуется как на нагрев основного металла, так и на нагрев валика до тех пор,пока температура ячейки не достигнет значения температуры плавлениянаплавляемого материала. В этот момент отрицательный комбинированныйномер преобразуется в положительный внутренний – соответственно элементвключается в расчет [96].Возможности ПК «СВАРКА» позволяют пользователю загружать свойстваматериалов из базы данных, или, в случае их отсутствия, добавлять материалы иих свойства при различных температурах нагрева самостоятельно, что позволяетувеличить точность решения тепловой задачи (Рисунок 4.2).Рисунок 4.2.Внешний вид диалоговой панели «Редактирование таблиц свойств материала»105Для материалов стального основания и алюминиевого промежуточного слоязначения теплопроводности и теплоемкости единицы массы вещества припостоянных давлении и объеме в зависимости от температуры приведены вТаблице 11 и Таблице 12 соответственно.Таблица 11.Теплофизические свойства материала промежуточного слоя из алюминиямарки АД1 в зависимости от температуры нагрева [97]Температура, ºС27127227327427527627660,6660,7727927СвойстваС, Дж/(кг·К)λ, Вт/(м·К)903,7237951,3240991,82361036,72301090,22251153,82181228,22101255,82081176,798,11176,7100,61176,7106,4Таблица 12.Теплофизические свойства Стали 20 в зависимости от температуры нагрева [98]Температура, ºС27127327527727927ИсточникнагреваСвойстваСρ, Дж/(кг·К)λ, Вт/(м·К)461585045358648691425123467327задаетсяследующимипараметрами:скоростьюдвижения, мощностью, распределением вдоль и поперек шва, а также наличиеми маркой присадочного материала.
Кроме того, в диалоговой панели106дополнительно задаются условия окружающей среды на границе образца итраектория движения источника нагрева (Рисунок 4.3).абРисунок 4.3.Внешний вид диалоговой панели «Редактирование сварочных источников играниц материала» ПК «СВАРКА»1074.2. Математическое описание условий процесса аргонодуговой наплавкиОбразцы, на поверхность которых наносили алюминиевое покрытиепроцессомаргонодуговойнаплавкиалюмокремниевогопокрытия,примоделировании представляли собой массивное тело, состоящее из изотропныхматериалов.
В процессе наплавки на поверхности этого тела действуетдвижущийсяисточникнагреваипроисходиттеплообменсосредой(Рисунок 4.4).Рисунок 4.4.Схема взаимодействия объекта моделирования с окружающей средойРаспространение тепла в образце происходит в соответствии с уравнениемтеплопроводности:с=+++( , , , )(4.1)где λx(x, y, z, T), λy(x, y, z, T), λz(x, y, z, T) – функции, описывающие распределениетеплопроводности материала по направлениям осей декартовой системыкоординат, cρ = cρ(x, y, z, T) – функция, описывающая распределение объемнойтеплоемкости материала; q3 (x, y, z, t) – функция, описывающая распределениеудельной мощности объемных источников (стоков) теплоты.Решение полученного дифференциального уравнения теплопроводностивозможно только в случае задания начальных и граничных условий,108описывающих соответственно распределение температур в начальный моментвремени и взаимодействия массивного тела с окружающей средой на егограницах (Рисунок 4.4).В соответствии с граничным условием второго рода кривая температуры награнице между источником нагрева и массивным телом может иметь любуюординату при обязательно заданном градиенте.Взаимодействиемеждумассивнымтеломиокружающейсредойхарактеризуется граничным условием третьего рода:qн=H(T-Tср)(4.2)где qн – тепловой поток, вызванный теплоотдачей с поверхности, Вт/см2; H –коэффициент теплоотвода с поверхности, Вт/(см2 ºС); T – температураповерхности тела, ºС; Тср – температура окружающей среды, значение которойдля моделирования принимали 20 ºС.Для процесса аргонодуговой наплавки неплавящимся электродом расчетраспространения тепла целесообразно проводить по схеме с нормальнокруговым источником теплоты (НКИ), расположенным на поверхности плоскогослоя, испытывающего ограничивающее влияние нижней плоскости листа.Выбранная расчетная схема отражает все основные особенности процессааргонодуговой наплавки, когда тепло сварочной дуги вводится в массивное телос его поверхности, а давление дуги сравнительно невелико и не приводит кзначительному погружению активного пятна дуги в жидкий металл.
Кроме того,данная схема позволяет учесть распределенность теплового потока источника,что имеет особое значение для определения при моделировании размеровсварочной ванны и значений температур в близкой к ней области. Распределениемощности НКИ на поверхности массивного тела (q2(r)) описывается выражением[99]:( )=∙п.н.(4.3)где q2m – максимальный удельный тепловой поток в центре пятна нагрева,Вт/см2;k–коэффициентсосредоточенности,характеризующий109распределенность теплового потока в пятне нагрева, см-2; r – радиус пятнанагрева, см (Рисунок 4.5).Рисунок 4.5.Распределение удельного теплового потока q2 при нагреве поверхностимассивного тела НКИ теплотыМаксимальное значение удельного теплового потока (q2m) определяется поформуле [100]:=∙(4.4)где q – эффективная тепловая мощность источника теплоты, зависящая оттехнологических режимов аргонодуговой наплавки:=(4.5)где I – величина сварочного тока, А; U – величина напряжения на дуге, В;КПД процесса аргонодуговой наплавки.–110Коэффициент сосредоточенности (К) связан с диаметром пятна нагрева(dп.н.) по формуле:=3,46(4.6)п.н.Диаметр пятна нагрева является предельным значением функциираспределения вдоль и поперек шва в ПК «СВАРКА».
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
