Диссертация (1143872), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Математическая модель локальных кратковременных нагревов приреализации технологий сварки, наплавки и ремонтаПри изготовлении деталей и элементов конструкций из низколегированныхсталей для судового, газонефтехимического машиностроения и других отраслейпромышленности с применением локальных концентрированных источников теплоты(при сварке, наплавке, тепловой строжке при удалении дефектов и ремонте) в ЗТВпротекают процессы, существенно влияющие на работоспособность деталей в составеизделий и конструкций. Наблюдаемая в ЗТВ эволюция структуры и деградация свойствматериала под воздействием кратковременных нагревов определяются при прочихравных условиях, в первую очередь, характеристиками термического цикла исвойствами материала.Учитываяважностьвышеотмеченныхобстоятельств,построениенаучно-исследовательской части работы начинается с третьей главы, которая посвященавопросам математического моделирования процессов распространения тепла прикратковременных локальных тепловых воздействиях на материал.
В дальнейшем этопозволило, с использованием разработанной модели, расчетным путем выполнитьоценку влияния основных технологических факторов (режимов сварки и строжки,последовательности наплавки валиков, геометрии изделия, подогрева и пр.) натермический цикл. Модель дает возможность определить все параметры термическихциклов, возникающих в процессе технологических нагревов при изготовлении деталейили их ремонте (максимальную температуру цикла; время пребывания металла вопределенном температурном интервале, например, выше критической точки Ас3;длительности и скорости охлаждения в температурном интервале превращенияаустенита и др. характеристики.Физическая картина всех процессов нагрева, например, при реализации дуговыхтехнологий сварки и ремонта имеет много общих черт.
Это, в первую очередь, движениеисточникатеплотыотносительнообрабатываемогоматериала.Посколькувмашиностроении, широко используются полуфабрикаты и детали больших толщин, то ипри сварке, и при воздушно-дуговой строжке получить сварное соединение или удалитьметаллзаодинпроход,какправило,невозможно.Поэтомуприменяетсямногопроходная наплавка металла или послойное его удаление. При многопроходнойсварке или наплавке валики накладываются последовательно в определенном порядке в49зависимости от формы соединяемых или наплавляемых деталей. В отличие от сваркиили наплавки при воздушно-дуговой строжке физическая картина меняется напротивоположную, т.е. происходит послойное снятие металла: дуга постепеннозаглубляется в металл, чтобы достичь, например, дефектного места. При ремонте чащевсего реализуются оба эти процесса.Сформулируемраспространенияусловиятеплотыразработкивметаллематематическойприменительномоделикпроцессавышеупомянутымпромышленным технологиям изготовления и ремонта деталей с применениемконцентрированных источников нагрева [101], опираясь на ранее полученныерезультаты в работе [96].При построении модели предполагается:-распространениетеплотывметаллеизделияподчиняетсязаконунестационарной теплопроводности;- источник теплоты действует на поверхности, ограниченной радиусом r, впределах которой распределение плотности мощности задано;- движение источника теплоты осуществляется по заданной траектории;- в процессе движения в месте теплового воздействия происходит дозированноенанесение на поверхность дополнительного металла (или удаление металла изделия).Из предположения произвольного расположения деталей, рассмотрим задачу втрехмерной области XYZ (X-продольная координата в направлении движения источникатеплоты, Y-ширина, Z-высота).
При действии термического цикла температуру Tц влюбой точке ЗТВ в декартовых координатах XYZ в течение времени t обычнопредставляют в виде функции:Tц = Tц (x,y,z,t)(3.1)В пределах сварочной ванны движение жидкого металла не учитываем.Физические характеристики металла в данной модели зависят от температуры. Итак,уравнение нестационарной теплопроводности: Cp гдеdT div( grad (T )) S 0dx(3.2)ρ – плотность, Ср – теплоемкость, λ – теплопроводность, S – объемныеисточники тепла, Т – температура, x – направление движения источника теплоты.50В отличии от работы [96] при построении данной модели выделение илипоглощение тепла, связанное с фазовыми переходами при плавлении и затвердеванииметалла, учитывается в объемном источнике теплоты.Граничные условия при сварке или наплавке.
Для задания граничных условий,принимаем следующую методику расчета. Наплавляемый на поверхность слой металлаподразделяется в соответствии с технологией на n валиков. Причем поверхность (иличасть поверхности) предыдущего валика является верхней поверхностью формируемойнаплавки. Если в точке с координатами Х0, Y0, Z0 действует поверхностный источниктеплоты на площади срадиусом r, в пределах которой заданно распределениеплотности мощности, тогда:(3.3)где: q – плотность теплового потока от сварочной дуги (источника теплоты); Lи –скрытая теплота испарения; Lп – скрытая теплота плавления; m – удельный поток паровметалла (с единицы поверхности).При расчетах в рамках принятой модели используем следующие допущения играничные условия:- сечение и размеры каждого из валиков остаются постоянными по всей длине;- металл поступает в начале координат в плоскости Y-Z в направлении оси Х соскоростью движения источника теплоты V и заполняет все сечение валика;- начальная температура деталей T0.- при наличии на поверхности металла флюса задается условие теплоизоляции, приотсутствии флюса - условие конвективного теплообмена с окружающей средой;- расчет потока паров металла с поверхности расплава принимаем одномерным иведем в рамках модели испарения Найта [97].Заметим, что учет испарения металла является весьма важной в тепловом балансе[99], т.к.
при высокой плотности (более 104 Вт/см2) теплового потока, например,температура поверхности ванны под дугой будет существенно выше температурыкипения жидкого металла (до сотен градусов).Температурное поле в металле рассчитываем последовательно от одного валика кдругому до заполнения всего сечения разделки или завершения наплавки.Очевидно, что для стыкового соединения или наплавляемой поверхностидостаточно большой длины, процесс является квазистационарным. Поле температур в51каждом конкретном сечении относительно движения источника теплоты, определяемомкоординатой х, изменяется во времени таким образом, что в момент времени t оносовпадает с полем температур в сечении с координатой хв соответствии ссоотношением x = V t.
Но так как V = const, то dx= V dt, что позволяет определитьградиент температур какdT/dt = dT/dx / V = V dT/dx(3.4)Это дает возможность после преобразования уравнения теплопроводности (3.2)представить математическую модель в виде следующего уравнения:ρ Cp V dT/dx = div (λ grad T+S)(3.5)и выполнить его численное решение.
В рамках настоящей работы такое решениесделано с помощью программы Flex-EDF [101].Разработанная математическая модель может быть применена к расчетной оценкепараметров термического цикла при различных схемах движения источника теплотыпри изготовлении изделий на машиностроительных предприятиях. В частности,разработанная математическая модель может быть использована, во-первых, для расчетапараметров термического цикла в ЗТВ при многопроходной сварке любым способомплавления.
Во-вторых, эта модель успешно может применяться для расчетов процессараспространения теплоты при наплавке на поверхность деталей, например, с цельювосстановления их размеров (что будет показано ниже). В-третьих, предложеннаямодель адекватно описывает тепловую обстановку при воздушно-дуговой строжкенизколегированной стали с учетом того, что этот процесс применяется при ремонтедеталей и изделий (расчет представлен в конце следующего раздела).3.3. Результаты численного моделирования и их анализ3.3.1. Моделирование процесса наплавкиТеплофизические характеристики низколегированной стали и технологическиепараметры, которые использовались в расчетах, приведены в таблице 3.1.Послемногократныхкратковременныхлокальныхвоздействийразныхтермических циклов с перемещением источника теплоты по поверхности детали металлв области такого воздействия имеет неоднородную структуру (рис.
3.3) и свойства.Применительно к технологиям, используемым в машиностроении и связанным снанесениемповерхностногослояпривосстановленииразмеровдетали,по52предложенной модели рассчитаны наиболее важные параметры, характеризующиетепловую обстановку в окрестности точки А с координатами Y=1,0 см; Z = 0,8 см,расположенной вблизи области 2 (рис. 3.4, таблица 3.2).Таблица 3.1Теплофизические характеристики стали и технологические параметрыПараметрРазмерностьОбозначениеВеличинаТеплоемкостьДж/кг۰КС690ТеплопроводностьВт/см۰Кλ0,268кг/см3Ρ0,0078Температура плавленияКТпл1723Начальная температура деталиКТо293Радиус пятна нагреваммr6,5мм/сV10-20кВт/мм2q0,18ммΔ20ПлотностьСкорость движения источникатеплотыПлотность мощностиТолщина деталиКоличество слоев / число проходовРис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
