Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 9
1.1. Проблемы сварки тонкостенных конструкций 9
1.2. Анализ способов сварки 13
1.3. Особенности использования ИЛС 14
1.4. Дефекты, возникающие при ИЛС 16
1.5. Методы решения технологических задач 20
1.6. Компьютерное моделирование процесса сварки 25
1.6.1. Физико-математические модели 26
1.6.2. Численная реализация ФММ 31
Выводы по главе 1 35
Цель и задачи работы 36
2. Определение физико-технологических условий получения бездефектных соединений 37
2.1. Оценка влияния параметров сварочного процесса на размеры шва 37
2.2. Разработка модели оценки критериев качества формирования 41
2.2.1. Физические явления, вызывающие возникновение дефектов
ИЛС 41
2.2.2. Разработка математической модели 44
2.3. Разработка расчётных методов оценки появления дефектов форми- 47 рования
2.4. Выбор оптимальных параметров технологии ИЛС 54
2.5. Экспериментальная проверка модели и критериев дефектообразования - 57
Выводы по главе 2 62
3. Разработка компьютерной модели процесса ИЛС 64
3.1. Физико-математическая модель 64
3.1.1. Постановка задачи моделирования 64
3.1.2. Построение системы координат и зон формирования соединения 65
3.1.3. Разработка математической модели нестационарного процесса ИЛС 67
3.1.4. Разработка подмодели формирования поверхности канала, ванны и шва 71
3.2. Данные по свойствам материалов для моделирования 79
3.3 .Численное решение системы дифференциальных уравнений модели. 8О
3.4. Алгоритм численного решения уравнений разработанной модели... 88
3.5. Структура программного обеспечения 90
3.6. Адекватность компьютерной модели 95
3.6.1. Проверка модели по опубликованным данным 95
3.6.2. Методика проверки модели на адекватность 97
3.6.3. Условия проведения эксперимента 99
3.6.4. Статистическая оценка погрешности компьютерной имитации. 103
Выводы по главе 3 106
4. Разработка технологического процесса импульсной лазерной сварки 108
4.1. Методика определения параметров режима сварки по условиям бездефектного формирования шва 108
4.2. Характеристика узла антенны РА 109
4.3. Анализ дефектов, возникаемых при использовании базовой технологии сварки, и возможные методы их устранения ПО
4.4. Разработка технологического процесса сварки узла антенны РА 115
Выводы по главе 4 123
Общие выводы и основные результаты работы 124
Список использованных источников 126
ПРИЛОЖЕНИЕ! 138
- Проблемы сварки тонкостенных конструкций
- Оценка влияния параметров сварочного процесса на размеры шва
- Физико-математическая модель
Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время широкое применение в приборостроении и машиностроении находят алюминиевые конструкции с толщиной стенки до 2 мм, к достоинствам которых относят их коррозионную стойкость и малый удельный вес.
Анализ особенностей тонкостенных алюминиевых конструкций и требований, предъявляемых к ним, показал, что наиболее эффективным способом получения неразъемных соединений малых толщин является использование импульсной лазерной сварки (ИЛС) твердотельным 14Л-лазером.
При неправильно подобранном режиме ИЛС могут возникать такие дефекты, как раковины и брызги металла вследствие возникновения выплесков, а также пустоты, кратеры, непровары в стыке свариваемых деталей. При ИЛС трудно подобрать оптимальные параметры режимы сварки (скорость сварки, энергию луча в импульсе, диаметр луча, фокусное расстояние, скважность, частоту импульсов и т.д.) для получения качественного соединения. Необходимо проведение большого количества экспериментов, и поэтому разработка технологии ИЛС является трудоемкой задачей.
Использование компьютерного моделирования процесса ИЛС позволит резко снизить затраты на разработку бездефектной технологии за счёт уменьшения объема экспериментальных исследований. Существует также и необходимость в создании алгоритмов выбора оптимальных параметров режима на основе компьютерного моделирования процесса ИЛС, что позволит обеспечить получение сварных соединений без дефектов.
Поэтому выявление физико-технологических причин возникновения дефектов, создание программного обеспечения для исследования процесса ИЛС, и методики использования компьютерного проектирования технологии сварки для снижения затрат являются актуальными задачами.
Введение 6
Цель работы
Целью исследования является ускорение технологической подготовки сварочного производства при разработке технологии ИЛС тонкостенных конструкций на основе численного моделирования процесса с учётом физико-технологических причин возникновения дефектов.
Методы исследования
Инструментом исследования являлись разработанные компьютерные программы ИЛС. Для верификации результатов компьютерной имитации проведена сварка экспериментальных образцов на сварочной установке КЛТ-01. Для металлографических исследований использованы высокоточная цифровая камера Canon Юхи металлографический микроскоп МЕТІ. При обработке результатов экспериментов использованы стандартные статистические методы сравнения.
Научная новизна работы
Математически описаны физико-технологические условия возникновения дефектов сварки, что позволило расчетным путем получить параметры импульса, обеспечивающие формирование шва без выплесков, пустот, кратеров и не-проваров. Установлено, что надо увеличивать мощность луча лазера в начале импульса со скоростью, не превышающей критического значения, зависящего от свойств сплава, диаметра луча и ширины шва, уменьшать мощность луча лазера в конце импульса в течение времени, большего, времени кристаллизации расплава, поддерживать мощность в паузе на уровне порогового значения возникновения канала.
Разработана физико-математическая модель процесса ИЛС, представляющая собой систему уравнений теплопереноса и равновесия поверхности сварочной ванны, в которой учтены закон изменения параметров луча во
Введение
времени и процесс фиксации предельного пространственного расположения сварочных ванн, возникающих при воздействии импульсов луча.
Достоверность компьютерной имитации подтверждается соответствием результатов расчета и натурных экспериментов.
Практическая ценность состоит в создании программного обеспечения и методики для определения параметров режима ИЛС, обеспечивающих получение качественного сварного соединения и использование которых позволяет снизить затраты на разработку технологии изготовления тонкостенных конструкций.
Разработанные программное обеспечение было внедрено при создании технологии изготовления узлов антенн на ОАО «АК Туламашзавод», г.Тула.
Апробация работы.
Материалы диссертации докладывались на 3 Всероссийской научно- технической конференции «Компьютерные технологии в соединении материалов» (Тула 2003), на международной научной конференции «XXX Гагарин-ские чтения» (Москва 2004), на 1-ой Международной Интернет-конференции «Компьютерные технологии в соединении материалов» (Тула 2005).
Публикации.
Основное содержание матералов диссертационной рабоы опубликовано в 1 отраслевом журнале, определенным ВАК РФ, в 1 вузовском сборнике научных трудов и доложено на 5 международных и российских конференциях.
Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка использованных источников. Общий объем
Введение
работы составляет 138 страниц машинописного текста, включая 57 рисунков, 13 таблиц и 118 наименований использованных литературных источников
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., проф. Суднику В.А. за поддержку, оказанную в научном руководстве проведенной работы.
Проблемы сварки тонкостенных конструкций
К достоинствам тонкостенных алюминиевых конструкций относят их коррозионную стойкость и малый удельный вес.
Сплавы на основе алюминия обладают достаточно высокой прочностью, малой плотностью и удовлетворительной пластичностью. Алюминий и его сплавы обладают специфическими свойствами, обусловливающими сравнительную сложность осуществления процесса сварки. К таким свойствам относятся:
- склонность к порообразованию;
- высокая теплопроводность;
- большая жидкотекучесть;
- значительное превышение температуры плавления окисной пленки 2050 С над температурой плавления алюминия 660,2 С;
- значительная усадка при затвердевании шва, а также высокий коэффициент линейного расширения приводят к существенным остаточным деформациям;
- склонность к образованию горячих трещин;
- растворимость водорода в жидком алюминии.
Растворимость водорода в жидком алюминии при температуре плавления выше, чем в твердом состоянии [4].
Так называемый скачок растворимости, показанный на рис. 1.3, при кристаллизации металла шва является причиной образования газовой пористости. Водород в алюминии в количествах, превосходящих растворимость в твердом состоянии, рассматривается как вредная примесь [5].
Рис. Г.З. Растворимость водорода в алюминии и магнии при атмосферном давлении в зависимости от температуры
Специфические свойства алюминиевых сплавов и малые размеры соединений создают технологические трудности сварки.
Для тонколистовых конструкций важным моментом является подготовка изделия к сборке. Погрешность сборки суммарно складывается из погрешности подготовки кромок и точности позиционирования деталей относительно луча.
При подготовке к сварке для удаления окислов применяют химическое травление. После травления следуют промывка в проточной воде. Обработка заканчивается сушкой сжатым воздухом до полного испарения влаги. Зачищенная поверхность алюминия сохраняет свои свойства в течение 3-4 дней. Шабрение рекомендуется выполнять непосредственно перед сваркой; Для избегания дефектов шва существует необходимость зачистить кромки.
Важное место в технологическом процессе занимает контроль качества полученных соединений. Качество сварного соединения включает в себя большую совокупность различных параметров (геометрические размеры, наличие дефектов, надежность сварного соединения и т. Глава І. Проблемы проектирования технологии 12
Главным критерием качества шва является прочность соединения, которая непосредственно связана с размерами поперечного сечения шва, расположением шва относительно свариваемого стыка и, структурой шва и околошовной зоны. Двумя основными характеристиками качества получаемых сварных соединений являются:
- геометрические размеры шва (глубина проплавлення, ширина шва и ЗТВ, высота выпуклости), рис 1.4, а;
- наличие/отсутствие дефектов в сварном шве, рис 1.4, б,в.
Рис. 1.4. Основные показатели качества сварного соединения: а) геометрические размеры; б), в) наличие дефектов шва
Нежелательно формирование шва с большой выпуклостью и возникновением прожогов. Формирование швов, поверхность которых имеет мениск, также недопустимо из-за появления концентрации напряжений, что ухудшает их прочностные характеристики. Также имеет значение ширина ЗТВ, в которой металл изменяет свою структуру, что влияет на прочностные свойства. Металл шва при сварке имеет литую структуру с выраженной столбчатой структурой, соответственно, меньший предел текучести, чем основной металл.
Проблемы проектирования технологии Причинами возникновения дефектов также являются случайные отклонения от нормы под воздействием внешних факторов и от внутренней нестабильности процесса.
Таким образом, к проблемам сварки тонкостенных алюминиевых конструкций относятся получение сварных соединений малого размера, учет погрешности сборки, подготовка кромок, а также дефекты в сварном соединении.
Оценка влияния параметров сварочного процесса на размеры шва
Целью исследования является выявление физических причин возникновения дефектов швов при ИЛС и определение технологических условий, при которых вероятность дефектов сварки минимальна.
Для достижения этой цели необходимо рассмотреть следующие вопросы:
- выделить параметры сварочного процесса, существенно влияющие на качество шва;
- определение причинно-следственных связей возникновения дефектов с параметрами процесса;
- выявление количественных критериев для оценки возможности -возникновения дефектов;
- выявление методов для уменьшения вероятности возникновения дефектов;
- поиск оптимальных параметров технологии ИЛС.
Оценка влияния параметров сварочного процесса на размеры шва
При разработке технологии импульсной лазерной сварки нужно определить следующие параметры.
1) параметры установки: мощность луча, диаметр луча в фокусе, фокусное расстояние;
2) параметры технологии: скорость сварки, длительность импульса, его форма, скважность импульсов;
3) точность позиционирования: заглубление фокуса, смещение луча, зазор между свариваемыми деталями.
При неправильном подборе параметров режимов сварки возможно возникновение выплесков, пустот в корне шва, усадочных раковин, наплавов.
Были выполнены опыты с изменением параметров по заданным отклонениям. При выполнении опытов использовали листы толщиной 1 мм из сплава Амг2 и установка МЛТИ1200. Номинальный режим и отклонения параметров представлены в таблице 2.1.
На рис. 2.1 представлены некоторые из результатов опытов при изменении мощности излучения, скорости сварки, диаметра луча на поверхности деталей, времени длительности импульса.
Связь между обозначенными параметрами процесса и размерами шва носит нелинейный характер, что говорит о невозможности использования линейных уравнений при моделировании процесса.
Качество соединения определяется его прочностью, что определяется размером несущего сечения. Поэтому, рассмотрено влияние различных факторов на несущий размер для трех основных типов соединений (рис. 2.2): стыкового, углового, в нахлестку.
Физико-математическая модель
За основу для создания детерминированной математической модели импульсной лазерной сварки была принята нестационарная математическая модель лазерной сварки, разработанная Судником В.А., Ерофеевым В.А., Ra-daj D., Карпухиным Е.В.[30]. Отличием от рассмотренной модели будет являться описание пульсирующего источника теплоты твердотельного лазера и особенностей формирования шва от отдельных импульсов.
При импульсной сварке шов формируется в виде отдельных точек которые перекрывают друг друга.
При формировании каждого импульса можно выделить три фазы. В начале импульса луча происходит плавление металла, формирование парогазового канала и заглубление. Жидкий металл выдавливается и формируется выпуклость на поверхности деталей. Кроме выдавливания расплава из канала причиной формирования выпуклости является термическое расширение металла при нагревании и плавлении. Большая глубина и малая ширина и длина сварочной ванны приводит к формированию выпуклости большой высоты.
К концу импульса размеры ванны достигают наибольшей величины. При последующем уменьшении мощности и выключении луча происходит заполнение канала расплавом, выпуклость при этом уменьшается. Так скорость затекания канала и скорость кристаллизации при лазерной сварке соизмеримы, часть выпуклости успевает закристаллизоваться до момента полного заполнения канала. Вследствие дефицита расплава в середине кристаллизующейся точки формируется кратер.
В последующей паузе луч перемещается на шаг и описанный процесс повторяется.
При последующих импульсах часть выпуклости от предыдущей точки попадает в сварочную ванну последующей точки и частично переплавляется.
Условия формирования шва при наличии выпуклости на поверхности отличаются от условий формирования шва на ровной поверхности:
- изменяется координата z точек падения луча на поверхность;
- изменяются условия теплоотвода из каверны в металл деталей; -изменяется условие формирование выпуклости шва вследствие изменения геометрии поверхности.
Описанные явления должны учитываться при моделировании процесса. С этой целью решение уравнения энергии (3.1) выполняется в гетерогенной области, которая включает металл и газ, рис.3.1. Учёт изменения положения поверхности при формировании выпуклости учитывается соответствующим формированием массива указателей свойств среды в различных точках про- странства [34]. Это позволяет автоматически учитывать изменение поглощения энергии луча и условий распространения теплоты в металле.
