Прогнозирование качества формирования однопроходного шва при сварке плавящимся электродом в защитных газах на основе математического моделирования Иванов, Андрей Вениаминович

Введение к работе

Актуальность темы. Объем применения сварки плавящимся электродом в защитных активных газах (МАГ-сварка) за последние 15 лет удвоился. С учетом относительной дешевизны и возможности автоматизации и роботизации этот лроцссс является ведущим в современном машиностроении для сварки не-, низко- и высоколегированных сталей. Обеспечение качества сварных швов роботизированной МАГ-сварки требует значительных затрат при подготовке производства и приводит к росту числа квалифицированных специалистов. Известные недостатки статистических моделей ограничивают область их применения. Сварочные экспертные системы (ЭС) позволяют решать специфические задачи обеспечения качества в диалоге с компьютером, но собственно сварочный процесс рассматривается как "черный ящик".

Для описания формирования шва, позволяющего прогнозировать размеры его и дефекты формирования, необходимы физико-математические модели (ФММ), которые могут быть реализованы численными методами на ЭВМ.

Цель работы состояла в разработке ФММ формирования однопроходного стыкового шва при МАГ-сварке в среде С0₂ и его смеси с аргоном н получения на этой основе количественных характеристик (размеры и форма шва) для прогнозирования качества шва при технологической подготовке производства.

Методы исследования. Системы дифференциальных уравнений ФММ решали численно методом конечных разностей. Для дополнения модели процесса использовали расчетно-экспериментальные методы исследования. Эксперименты проводили и на отечественном и зарубежном сварочном оборудовании.

Научная новизна. 1. Показано, что при описании источника теплоты в граничных условиях трехмерной квазистационарной физико-математической модели формирования шва при сварке плавящимся электродом стыковых однопроходных швов необходимо учитывать коаксиальные тепловые потоки дуги и электродных капель с соответствующими эффективными КПД и радиусами нагрева.

1. Получены формулы для расчета эффективных КПД дуги н капель и установлено, что доля капель составляет 30-50% энерговложения в изделие в зависимости от диаметра и вылета электрода, сварочного тока, градиента потенциала столба дуги для С0₂ и его доли в смеси с аргоном.

2. Получены расчетно-экспериментальные зависимости эффективных радиусов наїрева дугой и каплями для проволок диаметром 0,8-1,2 мм в С0₂, а для смеси Лг+С0₂ с учетом области струйного переноса.

3. Установлено, что разработанная численная нелинейная математическая модель позволяет прогнозировать геометрические характеристики качества формирования шва с учетом теплофизических свойств стали, толщины листа, величины зазора, диаметра проволоки, вылета электрода,

типа активного газа и температуры предварительного подогрева с погрешностью не более 15%.

Практическая ценность работы состоит в создании программного обеспечения MAGSIM для численного анализа н прогнозирования качества процесса формирования шва при МАГ-сварке, позволяющего снизить производственные затраты при исследовании и проектировании технологии, а также использовать его для целей обучения. В настоящее время пакет приобретен МГТУ им. Н.Э. Баумана, МГАТУ им. К.Э. Циолковского, ТолПИ, Сибирской государственной горно-металлургической академией, университетом Софии (Болгария), сварочным учебно-исследовательским институтом, Duisburg (ФРГ), фирмой Johnson Controls Inc., Milwaukee (Висконсин), а также фирмой WeldAix, Aachen (ФРГ) для распространения на Западном рынке.

Апробация работы. Результаты работы доложены на всероссийских и международных конференциях: "Применение математических методов и ЭВМ в сварке" (Свердловск, 1990 г.); "САПР и микропроцессорная техника в сварочном производстве" (Москва, 1991 г.); "Физика дуги и источники питання" (Киев, 1992 г.); "Программное обеспечение в сварке" (Росток, ФРГ, 1992 г.); "Высокие технологии в машино- и приборостроении" (Саратов, 1993 г.); "Сварочное программное обеспечение" (Эссен, ФРГ, 1993 г.); "Современные проблемы сварочной науки и техники" (Ростов-на-Дону, 1993 г.); "Металлургия и технология современных процессов сварочного производства" (Москва, 1994 г.); "Компьютерные технологии в соединении материалов" (Тула, 1995 г.); "Международный Конгресс "Защита-95" (Москва, 1995 г.).

Публикации. Содержание работы отражено в 15 публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы и приложений. Она изложена на 150 страницах машинописного текста, содержит 75 рисунков и 10 таблиц. Список литературы включает 95 наименований.