Диссертация (1026134), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Однако, в нашем случае вдиалоговой панели задавали значение радиуса пятна нагрева, так как модельпроцесса аргонодуговой наплавки является симметричной относительно осинаплавки (Рисунок 4.6).Рисунок 4.6.Диалоговая панель функции распределения источника нагрева в ПК«СВАРКА»Значения сварочного тока и напряжения на дуге для проведения расчетасоответствовали указанным в главе 2 для процесса наплавки, а КПД и радиуспятна нагрева подбирали эмпирически в ходе экспериментов.Неизменными при моделировании являлись следующие входные данные:111- геометрические размеры массивного тела (соответствуют геометрическимразмерам образцов для аргонодуговой наплавки);- теплофизические свойства материалов (теплоемкость, теплопроводностьпри различных температурах);- режимы наплавки (величина сварочного тока, напряжения на дуге,скорости наплавки).4.3. Верификация результатов моделированияДля экспериментального определения значений КПД и радиуса пятнанагрева необходимо создать условия, при которых в образце существуют точки,на температуру которых эти параметры влияют независимо друг от друга.Поэтому при выборе размеров образцов и точек измерения температуртермопарами учитывался принцип местного влияния.
В соответствии с этимпринципом, температурное поле существенным образом зависит от характерараспределения источника тепла лишь на расстояниях одного порядка сразмерами области, занятой источником нагрева. В области, удаленной отисточника нагрева на расстояние более 3d (где d размеры области, занятойисточником нагрева), температурное поле практически не изменяется еслизаменить распределенный на сосредоточенный источник тепла равноймощности. Вблизи дуги температурное поле в изделии любой формы являетсяпространственным и определяется в большей степени характером распределениятепла дуги [101].
Указанные допущения позволяют существенно упростить какрасчетные,такиэкспериментальныеметодыопределенияданных,ограничившись:- получением данных о термических циклах в зоне высоких температурвблизи и непосредственно в сварочной ванне в зависимости от коэффициентасосредоточенности;- получением данных температур в областях, удаленных от зоны наплавкина расстояние, превышающие размеры области, занятой источником нагрева.112Особое значение для решения тепловой задачи при моделированиипроцесса аргонодуговой наплавки и сварки приобретает движение жидкогометалла в сварочной ванне, которое приводит к выравниванию температур вобъеме ванны. Для учета этого явления при моделировании тепловых процессовприменяют специальный прием, согласно которому корректное поле температурдостигается за счет скачкообразного повышения теплопроводности материалапри его нагреве выше температуры ликвидуса [102].Точность решения тепловой задачи зависит от размеров конечныхэлементов, так как значения температур возможно установить только в узлахсетки конечноэлементной модели.
В тоже время следует учитывать, что чемменьше размер ячейки, тем большее их число входит в состав массивного телапри постоянных геометрических размерах и, соответственно, увеличиваетсяпродолжительность времени, необходимого для выполнения расчета. Поэтому вразработанной модели предусмотрены области со сгущением сетки конечныхэлементов: на расстоянии до 5 мм от оси наплавки в алюминиевом подслоеразмер ячеек составляет 100 мкм, на расстоянии от 5 мм до 10 мм 500 мкм, далеедо края образца 1000 мкм. Еще одним решением, позволяющим сократить времярасчета, является применение симметричных относительно оси наплавкиобразцов, что позволяет вести расчет только половины образца. Поэтомузадаваемая тепловая мощность подводимого источника при этом составлялаполовину величины тепловой мощности реального источника нагрева.Верификация модели заключалась в сравнении расчетных температурныхполей, полученных при моделировании, с экспериментально измереннымизначениями температур в контрольных точках образцов.
Определение радиусапятна нагрева проводили по ширине сварочной ванны на макрошлифах, так какизвестно, что на границе жидкой сварочной ванны и околошовной зонытемпература составляет 660°С, что соответствует температуре плавлениячистого алюминия АД1.Для определения значений КПД на первом этапе проводили экспериментыпо нагреву источником теплоты массивной пластины из алюминия марки АД1,113соответствующейматериалуподслоя,полученномусваркойвзрывом.Применение массивной пластины позволило устранить влияние теплоотдачи споверхности на результаты решения тепловой задачи и провести проверкуправильности решения тепловой задачи в ПК «СВАРКА». Радиус пятна нагревав этом случае не определялся, так как за счет размеров пластины сварочная ваннапрактически отсутствовала.Размеры алюминиевой пластины из материала АД1 составляли 250х160х15мм. Термопары устанавливались на алюминиевой пластине на расстоянии 10, 20,30 и 40 мм от оси наплавки на верхней и нижней стороне в две линии, а также наторцах пластины (Рисунок 4.7).Рисунок 4.7.Схема установки термопар в массивной пластине из алюминия марки АД1114Сравнение значений температур, полученных в результате моделированияв ПК «СВАРКА» и измеренных при проведении экспериментов позволилопроверить правильность выполняемых программой расчетов и предварительноустановить, что при значении КПД 0,68 разница между результатамимоделирования и эксперимента не превышает 5% (Рисунок 4.8).амоделированиеэкспериментбРисунок 4.8.Термические циклы, полученные при измерении и моделировании температурна расстоянии 20 мм (а), и 30 мм (б) от оси наплавки115На втором этапе была создана модель биметаллического соединенияразмерами 90х50 мм с толщиной стальной пластины и толщиной алюминиевогопромежуточного слоя 5 мм и 3,5 мм соответственно.
Выбранные размерыпозволяли определять значения КПД по значениям температур на торцахобразца, удаленных на 25 мм от центра тяжести приложенного источниканагрева и коэффициента сосредоточенности по размеру сварочной ванны изначениям температур, измеренных в точках, расположенных в близи ксварочной ванне. Контрольные точки верификации располагались как под осьюнаплавки, так и на боковых поверхностях биметаллического образца. Расстояниемежду ними с установленными термопарами составляло 20 мм (Рисунок 4.9).абРисунок 4.9.Схематичное изображение образца из стали с алюминиевым промежуточнымслоем из алюминия (а) и его вид перед наплавкой (б)116Однако, для термопар, расположенных под осью наплавки, отсутствовалавозможность определения точного значения глубины их установки.
Поэтомупосле наплавки образцы разрезались по сечению А-А (Рисунок 4.9Рисунок, а),для определения фактического значения глубины установки термопар, которое вдальнейшем учитывалось при сравнении измеренных температур с расчетными.Также проводили измерения ширины сварочной ванны в этом сечении.Полученные значения ширины сварочной ванны не превышали 10 мм, арасстояние от нее до боковой поверхности образца удовлетворяло условиюнезависимого определения КПД и радиуса пятна нагрева.Термические циклы процесса аргонодуговой наплавки алюмокремниевогослоя строили по среднему значению показаний двух термопар, установленныхнапротив друг друга. Полученное значение КПД для процесса аргонодуговойнаплавки неплавящимся электродом составило 0,64, что меньше такового,определенного в экспериментах на первом этапе (0,68). Разница значений КПДобусловлена, по-видимому, затратами тепла на плавление присадочногоматериала.Сравнение термических циклов процесса наплавки алюмокремниевого слояна биметаллический образец, полученных при моделировании и по результатамизмерения температур термопарами, расположенными на боковой поверхностиобразца, представлено Рисунке 4.10.
Видно, что расходимость результатовмоделирования с результатами экспериментального измерения значенийтемператур не превышает 8%.Сравнениеразмеровэкспериментально,ссварочнойразмерамиваннызоны,наобразцах,нагретойвышеполученных660ºСвконечноэлементной модели, показало, что при значении радиуса пятна нагрева 6мм различия этих значений не превышают 8%, что является удовлетворительным(Рисунок 4.11Рисунок ).117амоделированиеэкспериментбРисунок 4.10.Термические циклы процесса наплавки алюмокремниевого слоя набиметаллический образец, полученные при моделировании и по результатамизмерения температур термопарами, расположенными на расстоянии 40(а) и80(б) мм от начала наплавки на боковых поверхностях образцов118Рисунок 4.11.Ширина сварочной ванны, полученная при моделировании (слева) иэкспериментально (справа)При сравнении показаний термопар, расположенных под осью наплавки срезультатами моделирования, обнаружено превышение более чем на 10%значений температур нагрева, определенных в результате моделирования посравнению с фактическими, что является недопустимым (Рисунок 4.12).70060067660850040030020010000,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5моделированиеэкспериментРисунок 4.12.Термические циклы процесса наплавки алюмокремниевого слоя набиметаллический образец, полученные при моделировании и по результатамизмерения температур термопарами, расположенными под осью наплавки нарасстоянии 60 мм от ее начала119Такие различия в температурах нагрева могут быть связаны с образованиемв процессе аргонодуговой наплавки на границе раздела между сталью иалюминием сплошного слоя, состоящего из интерметаллидов и обладающеготеплофизическими свойствами, отличными от алюминиевого подслоя.
Поэтомув геометрию модели был добавлен слой интерметаллидов системы Fe-Alтолщиной 50 мкм с теплофизическими свойствами, значения которыхприведенными в Таблице 13.Таблица 13.Теплофизические свойства интерметаллидов Fe-Al в зависимости оттемпературы нагрева [103,104]Температура, ºС20100200300400500600700800СвойстваС, Дж/(кг·К)λ, Вт/(м·К)56010,460011,262012,465013,666014,468015,270016,172216,676017,2Это позволило уменьшить различия в значениях между расчетными иизмеренными термопарами температурами до 8% (Рисунок 4.13)Такимобразом,послеверификациисходимостьразработаннойматематической модели температурных процессов с результатами экспериментапо значениям температур и размерам сварочной ванны не превышает 8%, чтоявляется сопоставимым с погрешностями других программных комплексов длямоделирования сварки и наплавки и позволяет применять данную модель дляопределения температур нагрева границы раздела сталь-алюминий принанесении покрытий из КМ.120абмоделированиеэкспериментРисунок 4.13.Термические циклы процесса наплавки алюмокремниевого слоя набиметаллический образец, полученные при моделировании со сплошным слоеминтерметаллидов системы Fe-Al на границе раздела сталь-алюминиевыйподслой, и по результатам измерения температур термопарами,расположенными под осью наплавки на расстоянии 60 мм (а) и 80 мм (б) отее начала.4.4.
Определение предельной температуры нагрева, обеспечивающеймаксимальную прочность соединенияМоделирование тепловых процессов, происходящих в образце приаргонодуговой наплавке показало, что диффузионные процессы, приводящие кувеличению размеров интерметаллидной фазы, представляющей собой осколкив виде включений, расположенных как в алюминиевом подслое, так и на границераздела сталь-алюминий, активируются и приобретают значительное влияниепри температурах нагрева выше 620°С. Меньшие значения температур нагрева,наблюдаемые на расстояниях, превышающих 450 мкм от границы сварочнойванны (точка 3, Рисунок 4.14) не приводят к изменениям размеров илихимического состава интерметаллидного слоя по сравнению с исходным,образованными в процессе нанесения промежуточного слоя алюминия марки121АД1 на сталь сваркой взрывом (Рисунок 4.14).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
