Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ РАБОТЫ 17
1.1 Сварка алюминиевых сплавов и коррозионно - стойких сталей 19
1.2 Импульсные источники питания 27
1.2.1 Типы модуляции импульсных источников питания 28
1.2.2 Математическое моделирование источника теплоты 33
1.2.2.1 Энергетические и тепловые процессы в импульсной дуге 33
1.2.2.2 Анодное и катодное падения напряжения 35
1.2.2.3 Столб дуги 37
1.2.2.4 Нагрев и плавление электродной проволоки. . Температура и энтальпия капель 38
1.2.2.5 Эффективный КПД дуги 44
1.3 Моделирование формирования шва 45
1.3.1 Развитие теории тепловых процессов 48
1.3.2 Деформация поверхности ванны 53
1.3.3 Тепловое и силовое распределение дуги 56
Выводы по главе 1 65 Основные задачи работы 67
Глава 2 МОДЕЛИ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛОТЫ 70
2.1 Импульсная дуга с плавящимся электродом 70
2.1.1 Исходные параметры для моделирования 70
2.1.2 Схема замещения 70
2.1.3 Подмодель источника питания 72
2.1.3.1 Регулятор базового напряжения 73
2.1.3.2 Динамическая В АХ импульсной дуги 73
2.1.4 Подмодель электрической дуги 77
2.1.4.1 Анодное и катодное падения напряжения, столб дуги 79
2.1.5 Подмодель плавления электрода и отрыва капли 85
2.1.6 Алгоритм и численная реализация модели 90
2.1.7 Калибровка и верификация модели 93
2.1.8 Программное обеспечение 98
2.1.9 Параметрические исследования 103
2.2 Импульсная дуга с плавящимся электродом и
дополнительной низкочастотной модуляцией параметров 107
2.2.1 Сущность процесса 107
2.2.2 Корректировка модели источника и интерфейса пользователя ПО
2.2.3 Верификация модели 111
2.3 Импульсный тандем источник 114
2.3.1 Сущность процесса 114
2.3.2 Корректировка модели и программного обеспечения 118
2.3.3 Верификация модели 118 Выводы по главе 2 120
Глава 3 МОДЕЛИ ФОРМИРОВАНИЯ ШВА ПРИ ИМПУЛЬСНОЙ СВАРКЕ ПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ 122
3.1 Концепция построение физико-математических моделей процесса формирования шва в связной постановке 122
3.1.1 Модели теплопереноса 134
3.1.3 Распределение источника теплоты 138
3.2 Свойства материалов 150
3.3 Численные термические модели 158
3.4 Модель формирования поверхностей сварочной ванны 176
3.5 Калибровка и верификация модели формирования шва 181
3.6 Влияние нелинейностей теплофизических свойств
и параметров режима сварки на форму и размеры шва 190
3.7 Влияние технологических особенностей сварки на форму и размеры шва 210
3.8 Оценка точности модели формирования шва 227
3.9 Программное обеспечение 236
Выводы по главе 3 239
Глава 4 УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА СВАРКИ НЕПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ 243
4.1 Конструктивно-технологические мероприятия по повышению производительности дуговой сварки неплавящимся электродом в инертных газах 243
4.1.1 Катод с отогнутой рабочей частью 243
4.1.2 Дуга в магнитном поле 245
4.1.3 Полый составной катод 261
4.1.4 Технология двухдуговой сварки прямошовных труб из стали 12X18Н10Т 271
Выводы по главе 4 287
Глава 5 ПРОЕКТИРОВАНИЕМ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА РАБОТЫ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ ДУГИ 289
5.1 Расчетно-экспериментальные модели оптимального сочетания параметров режима работы источника 290
5.2 Алгоритм и программная реализация 299
5.3 Примеры моделирования сварки тавровых соединений 303 Выводы по главе 5 305
Глава 6 ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ 306
6.1 Импульсная сварка с дополнительной низкочастотной модуляцией параметров 306
6.1.1 Корректировка граничных условий модели теплопереноса 306
6.1.2 Корректировка алгоритма и программного обеспечения 308
6.1.3 Примеры моделирования 308
6.2 Импульсная тандем сварка 312
6.2.1 Корректировка математической модели формирования шва 312
6.2.2 Программное обеспечение и примеры моделирования 315
6.3 Виртуальная импульсная тандем сварка с
дополнительной низкочастотной модуляцией параметров 318
6.3.1 Сущность процесса 318
6.3.2 Импульсный тандем источник с дополнительной модуляцией параметров второй дуги и корректировка граничных условии 318
6.3.3 Примеры моделирования 321
6.4 Обратная задача поиска параметров импульсного источника для обеспечения заданных размеров шва 323
6.4.1 Постановка задачи 323
6.4.2 Выбор регулирующих параметров, алгоритм решения и расчет начальной величины скорости подачи проволоки 329
6.4.3 Разработка модуля корректировки скорости подачи проволоки 334
6.4.4 Программная реализация и примеры расчетов 335
6.5 Автоматизированное проектирование режимов сварки неплавящимся электродом в аргоне 340
6.5.1 Математическая постановка задачи 340
6.5.2 Оптимизация технологии двухдуговой сварки труб по критерию производительности 358
6.6 Экспериментальная установка для определения температуры и энтальпии капель электродных материалов 363
6.6.1 Разработка математической модели нагрева вылета проволоки 364
6.6.2 Численное решение 365
6.6.3 Модель испарения капли 369
6.6.4 Алгоритм и программная реализация 374
6.6.5 Верификация модели и программного обеспечения 379
6.6.6 Параметрические исследования 387
Выводы по главе 6 410
ЗАКЛЮЧЕНИЕ, ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 413
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 419
- Сварка алюминиевых сплавов и коррозионно - стойких сталей
- Импульсная дуга с плавящимся электродом
- Концепция построение физико-математических моделей процесса формирования шва в связной постановке
Введение к работе
Основной задачей, решаемой при проектировании технологии сборки и сварки, является обеспечение стабильности качества выпускаемой продукции. При проектировании сварной конструкции ответственного назначения показатели качества обычно показываются на чертежах в виде прямых указаний отсутствия внешних (непроваров, прожогов, подрезов, наплывов и т. д.) и внутренних дефектов (кристаллизационных трещин, пор, несплошностей и т. д.), структуры, уровня механических свойств и химического состава наплавленного и проплавленного металла, остаточных деформаций, формы и размеров поперечного сечения шва и т. д. Показатели качества являются исходными данными при проектировании технологии сварки и налагают жесткие требования при выборе способа сварки, сварочных материалов и параметров режима сварки.
Одним из главных этапов разработки технологического процесса, от которого зависит стабильность качества сварной конструкции, является проектирование параметров режима сварки и размеров шва. Определенные по справочной литературе или по приближенным методикам, они требуют экспериментального уточнения. Здесь же на этой стадии определяется соответствие показателей качества полученных опытных соединений заданным характеристикам. В случае несоответствия, уточняются режимы сварки, сварочные материалы и т. д. Рост затрат на обеспечение качества при освоении технологии сварки новых изделий связан с низким уровнем экспериментальной отработки процесса и эмпиризмом их анализа. Системы обеспечения качества сварки, основанные на эмпирических производственных знаниях, особенно малоэффективны в условиях мелкосерийного и единичного производства, в которых изготавливаются наиболее ответственные конструкции.
Современный этап развития сварочных технологий характеризуется все большим применением сложных наукоемких процессов, к каким относится, например, роботизированная импульсно-дуговая сварка тонкостенных конструкций из алюминиевых сплавов плавящимся электродом на основе современных инверторных источников питания дуги с микропроцессорным управлением, а также высокоавтоматизированное производство тонкостенных кабельных оболочек из алюминиевых сплавов и прямошовных труб из коррозионно-стойких сталей и которые при освоении и отработке технологии требуют еще более значительных материальных и трудовых затрат.
Несмотря на высокий уровень развития теплофизики сварки и успехи в области разработки ММ формирования шва их анализ показывает, что они представляют зачастую чисто академический интерес и не могут быть использованы на практике в инженерной подготовке сварочного производства. Поэтому назрела необходимость разработки концепции построения ФММ формирования шва и создания на ее основе комплекса ММ и ПО, являющихся компьютерными прообразами сварочных процессов и установок, для проектирования технологии дуговой сварки плавящимся и неплавящимся электродами.
Создание таких систем возможно только на базе теоретических решений, оформленных в виде физико-математических моделей, являющихся прообразом реальной сварочной технологии и установки и учитывающих все основные технологические параметры процесса, например, положение свариваемого соединения в пространстве, наклоны сварочной горелки, зазор в стыке и т. д. Вторым, не маловажна Концепция - система связанных между собой и вытекающих один из другого взглядов на то или иное явление. Большой толковый словарь русского языка. / Сост. и гл. ред. С. А. Кузнецов. - СПб: «Норинт», 1998.-1536 с. ным требованием к таким системам, является обеспечение приемлемого времени для инженерных расчетов.
В высокоавтоматизированных производствах прямо шовных электросварных труб из коррозионно-стойких сталей и оболочек из алюминиевых сплавов, основанные на вводе тепла дуги неплавящего-ся электрода в инертных, увеличение производительности и качества ограничено резким повышением количества дефектов шва с ростом тока и скорости сварки. Что требует разработки новых более эффективных схем ввода тепла сварочной дуги и повышения ее пространственной устойчивости.
К моменту постановки цели работы основные положения теории о механизме формирования сварочной ванны, шва и его физических дефектов типа подреза прожога и несплавления при сварке тонкостенных конструкций были достаточно проработаны. Накоплен опыт по разработке методик и численных моделей для имитации формирования шва при сварке стальных конструкций на постоянном токе. Модели позволяют оценивать и прогнозировать такие дефекты, как подрез и прожог. В литературе опубликованы первые подходы к созданию численных моделей формирования шва при сварке импульсной дугой стальных конструкций. Однако модели и ПО для моделирования формирования шва при импульсно-дуговой сварке конструкций из алюминиевых сплавов отсутствуют.
Решение поставленных задач производилась с учетом допущений, соответствующим современным физическим представлениям о явлениях теплопереноса и гидромеханики течения расплава в сварочной ванне, а также электрических и энергетических процессов, происходящих в сварочном контуре (источник питания - дуга), с использованием аппарата математической физики процесса, численных методов решения на ЭВМ нелинейных задач в связной постановке (метод конечных разностей, интегро-интерполяционный метод численного интегрирования на ортогональных сетках, схемы прогонки и т. д.).
Достоверность расчетных данных моделирования проверялась сравнением с экспериментальными макрошлифами продольных и поперечных сечений швов, осциллограмм изменения тока и напряжения, а также с данными видеосъемки процесса переноса электродного металла через дуговой промежуток.
Сварка натурных образцов производилась на сварочном оборудовании фирмы Cloos в комплекте с промышленным роботом фирмы ABB типа «IRB 2400» и импульсным инверторным источником питания типа «QUINTO 503 Ргог1»фирмы Cloos. Проводилось также синхронное осциллографирование процесса.
Эксперименты по регистрации переноса электродного металла проводились в лаборатории института сварочных технологий ISF при Рейнско-Вестфальской высшей технической школе RWTH (г. Ахен, Германия). Процесс сварки фиксировался с помощью высокоскоростной цифровой видеокамеры.
Исследования дуги неплавящегося электрода в среде инертных газов, сварка и отработка технологии проводились в исследовательской лаборатории їулГУ (ТулПИ) и Московского трубного завода.
Измерения основных теплофизических свойств свариваемых материалов и электродных проволок проводились в лаборатории теп-лофизического анализа металлических материалов ВИАМ.
На основе комплексных теоретических и экспериментальных исследований автор защищает следующие научные положения:
1. Разработаны концептуальные основы построения моделей процессов и установок дуговой сварки металлических конструкций в среде инертных газов плавящимся и неплавящимся электродами, базирующиеся на необходимости учета неоднородности среды, нели 11
1. Разработаны концептуальные основы построения моделей процессов и установок дуговой сварки металлических конструкций в среде инертных газов плавящимся и неплавящимся электродами, базирующиеся на необходимости учета неоднородности среды, нелинейности, системности и взаимосвязанности физических явлений, технологических условий сварки (зазора, наклонов стыка и горелки и т. д.), установленных математическим моделированием и проверенных натурными опытами.
2. Впервые разработана нелинейная трехмерная математическая модель формирования шва, в которой учтены коррекция во времени температурного поля в зоне сварки, эффективного КПД процесса, формы и размеров сварочной ванны и шва за счет учета в модели явлений взаимодействия образующегося кратера с плазмой столба дуги поступления объема и теплоты наплавленного металла, а также теплообмена его поверхности с окружающей средой. Модель позволяет
прогнозировать параметры режима, размеры и форму шва при импульсно дуговой сварке плавящимся электродом и аргонодуговой сварке неплавящимся электродом тонколистовых конструкций из алюминиевых сплавов и коррозионно-стойких сталей.
Модель отслеживает изменение более 30 исходных параметров, включая тип соединения, положение сварки, наклоны стыка и сварочной горелки, технологический зазор, а также учитывает условия роботизированной сварки и рассчитывает размеры шва с погрешностью не более 7... 10 %.
3. Предложена модель объемного источника капель, форма, раз меры и положение которого изменяются в процессе развития сварочной ванны в зависимости от толщины жидкой прослойки под дугой.
Модель объемного источника капель позволяет воспроизводить«пальцевидную» форму проплавленная. Предложены зависимости напряженности столба дуги, базового напряжения и скорости плавления электродных проволок из алюминиевых сплавов от тока, ее диаметра и химического состава, а также вида защитного газа.
Показано, что с увеличением скорости подачи проволоки возрастает полная, эффективная мощность и эффективный КПД дуги, а ее длина и мощность, выделяемая в столбе дуги, уменьшаются. Увеличение частоты, базового тока, импульсного напряжения и времени импульса практически одинаково приводит к уменьшению эффективного КПД дуги.
Установлено, что увеличение частоты, импульсного напряжения, времени импульса и базового тока приводит к уменьшению размеров проплавленная из-за увеличения длины и снижения эффективного КПД дуги. Показано, что алюминиевые сплавы обладают высокой чувствительностью к отклонению эффективной мощности дуги и смещению сварочной горелки с оси стыка. Эти обстоятельства накладывают повышенные требования по стабильности выходных характеристик источника питания и механизма позиционирования сварочной горелки.
Показана возможность проектирования параметров импульса, обеспечивающих оптимальный перенос электродного металла в режиме «одна капля за импульс».
4. На основе теоретических и экспериментальных исследований дуги с вольфрамовым катодом прямой полярности:
• предложен экспериментально-расчетный метод определения эффективного КПД и коэффициента сосредоточенности от тока, скорости сварки и длины дуги, базирующийся на измерении и математическом моделировании термического цикла сварки; І.
• установлено, что с увеличением мощности аргоновой дуги эффективный КПД линейно снижается, а коэффициент сосредоточенности при токах выше 150 А возрастает;
• показано, что диаметр катодного пятна дуги в аргоне пропорционален корню квадратному из тока, а изменение формы рабочей части катода в сочетании с воздействие суперпозиции постоянного и переменного поперечных магнитных полей на дугу позволяет повысить ее пространственную устойчивость и эффективно бороться с подрезооб разованием при высокоскоростной сварке кабельных оболочек из
алюминиевых сплавов и прямошовных труб из коррозионно-стойких сталей.
4. Впервые разработана нелинейная нестационарная модель экспериментальной установки для исследования теплофизических закономерностей формирования капли в течение импульса тока. Показана возможность расчетным путем получить зависимости энтальпии образующихся капель электродных материалов от тока, диаметра и химического состава проволоки, а также вида защитного газа.
Установлено, что повышение содержания легкокипящих эле ментов в электродной проволоке и частоты импульсов снижает тем . пературу и энтальпию образующихся капель, а изменения базового тока и времени импульса практически не оказывают влияния. Уменьшение диаметра проволоки способствует возрастанию энтальпия капель, а увеличение импульсного напряжения - ее незначительному уменьшению.
На основе выполненных исследований предложены новые автоматизированные методы компьютерного проектирования параметров режима сварки и размеров шва, апробированные при решении следующих практических технологических задач: импульсно дуговое сварки плавящимся электродом;
• импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом с дополнительной низкочастотной модуляцией параметров;
• высокоскоростной импульсной тандем сварки плавящимся электродом;
• одно-дуговой сварки неплавящимся электродом в аргоне;
• оптимизации двухдуговой сварки неплавящимся электродом в аргоне прямо шовных труб из стали 12Х18Н10Т по критерию производи длительности;
а также для определения:
• взаимосвязей параметров импульса, обеспечивающих оптимальный перенос электродного металла в режиме «одна капля за импульс»;
• рабочих областей существования углового шва таврового соединения в координатах
• оптимальных параметров одно-дуговой импульсной сварки плавящимся электродом, обеспечивающих заданный размер ( я3ад) углового шва таврового соединения (решение обратных задач);
• а также для поисковых исследований, например, разработки и изучения технологических возможностей виртуальной высокоскоростной импульсной тандем сварки плавящимся электродом с дополнительной низкочастотной модуляцией параметров второй дуги, а также в области совместных исследований светолучевой сварки тонколистовых металлических конструкций (МАТИ - РГТУ им. К. Э. Циолковского) и аргонодуговой сварки композиционных материалов системы А1-В (НПО «Композит», Москва).
На основе новых схем ввода тепла дуги с вольфрамовым като-дом и воздействия магнитных полей на дугу разработаны технологии одно- и двухдуговой сварки труб из коррозионно — стойких сталей и кабельных оболочек из алюминиевых сплавов.
Использование разработанных программного обеспечения и новых технологий позволило:
• за счет внедрения технологий и разработанного оборудования основанных на новых схемах введения тепла дуги, новых форм вольфрамового катода в комбинации с воздействием на дугу и сварочную ванну магнитных полей при сварке кабельных оболочек из алюминиевых сплавов и прямошовных труб из коррозионно-стойких сталей получить на Куйбышевском заводе кабелей связи и Московском трубном заводе суммарный экономический эффект порядка 100 000 рублей (в ценах 1984 г.);
• использовать ПО MIGSIM и TSIM, доведенные до инженерного уровня, на стадии технологической подготовки производства фирмами Closs (Германия) и Fronius (Австрия), а также концерном Daimler-Chrysler AG (Германия-США).
Материалы работы доложены на 15 всесоюзных и всероссийских конференциях; 7 международных конференциях: "Сварочное программное обеспечение", Dusseldorf (Германия), 1993; 100-тие Киевского политехнического института. Киев (Украина), 1998; Компьютерные технологии в сварке. Copenhagen (Дания), 2000; Вклад в DaimlerChrysler-Технологический коллоквиум, Dusseldorf (Германия), 2001; 7-Int, Сварочная техника Ахена. Коллоквиум. Aachen (Германия), 2001; Роботы 2002, 2002, Fellbach (Германия), 1-ая международная электронная конференция "Технологическая системотехника", Тула (Россия), 2002.
По теме диссертации опубликовано 46 работ в том числе - учебное пособие, монография и получено 8 авторских свидетельств на изобретения. Полученные в работе теоретические положения и ре 16
зультаты вносят значительный вклад в развитие перспективного для сварочной науки и техники направления - автоматизированного проектирования на ЭВМ параметров режима и размеров шва при дуговой сварки плавящимся и неплавящимся электродами для снижения затрат на этапе конструкторско-технологической подготовки сварочного производства.
Кроме того, создание компьютерных прообразов сварочных процессов и установок делает реальным использование их в процессе подготовки высококвалифицированных специалистов в высших и средних учебных заведениях России.
Большое значение для выполнения работы имели творческие дискуссии, полезные советы и замечания специалистов кафедры технологии сварочного производства РГТУ «МАТИ» им. К.Э. Циолковского (Н. С. Пронина, Е. А. Мачнева и др.), а также помощь коллег по работе Протопопова А. А., Ерофеева В. А., Зайцева О. И., Курако-ва С. В., Забирова А. Ф. и др. за что автор выражает им свою глубокую благодарность.
Сварка алюминиевых сплавов и коррозионно - стойких сталей
Тонкостенные конструкции из алюминиевых сплавов. Алюминий и его сплавы по сравнению со сталями обладают специфическими свойствами, обусловливающими сравнительную сложность осуществления процесса сварки. К таким свойствам относятся:
склонность к порообразованию;
высокая теплопроводность 2,37 Вт/(см град);
высокая степень сродства к кислороду и образованию окисла А120з в виде пленки, покрывающей поверхность деталей;
значительное превышение температуры плавления окисной пленки 2050 С над температурой плавления алюминия 660,2 С;
высокий коэффициент линейного расширения, который предопределяет значительную усадку и остаточные деформации;
склонность многих сплавов к образованию горячих трещин;
превышение плотности окисной пленки над плотностью металла, что является источником неметаллических включений в шве;
снижение прочности сварного соединения по отношению к ОС-новному металлу;
высокое поглощение водорода при сварке;
более высокие требования к качеству подготовки кромок и деталей к сварке по сравнению со сталью.
Для алюминия и его сплавов применяют практически все способы сварки плавлением, среди которых наиболее широко используются сварка неплавящимся и плавящимся электродами в инертных газах: в аргоне и гелии или в их смеси. Сварка плавящимся электродом обладает более высокой скоростью и производительностью. Сварку алюминиевых сплавов плавящимся электродом ведут постоянным на обратной полярности или переменным током, при которой обеспечивается надежное разрушение окисной пленки. Механизм удаления окис-ной пленки в этом случае заключается в разрушении и распылении ее тяжелыми положительными ионами, бомбардирующими катод-изделие, т. е. за счет эффекта катодного распыления.
Традиционными методами сварки трудно решать все услож
няющиеся задачи сварки алюминиевых сплавов: обеспечение возмож к- ности регулирования в широких пределах глубины проплавлення,
сварки в любых пространственных положениях, уменьшения разбрызгивания, повышение стабильности возбуждения дуги и ее горения. Новые возможности открывает импульсные процессы сварки.
В начале 70-х годов был разработан способ импульсно-дуговой сварки алюминия плавящимся электродом с импульсным тиристор-ным, а в начале 80-х - с импульсным транзисторным источником питания.
По сравнению с обычными - импульсные сварочные процессы обеспечивают:
управление процессами плавления, переноса и кристаллизации металла независимо от пространственного положения сварочной ванны;
увеличение в 2 - 3 раза скорости кристаллизации вследствие нестационарного энергетического воздействия источника нагрева на сварочную ванну;
уменьшение деформационных процессов в сварных соединениях;
повышение качественных характеристик сварных соединений (улучшение формирования шва независимо от пространственного положения);
Импульсная дуга с плавящимся электродом
Исходные параметры импульсного процесса условно делятся на две группы: фиксированные (постоянные) и переменные.
К первой группе относятся, например, теплофизические свойства материала электродной проволоки, ее диаметр dw и вылет zw, вид защитного газа (градиент потенциала Е), сопротивление кабелей на участке от источника питания до горелки R\ и обратного кабеля R2.
Ко второй группе обычно относят исходные параметры связанные с работой источника питания: скорость подачи проволоки vw, частоту импульсов F, величины импульсного напряжения Up и базового тока 7ь, время импульса tp, а также скорость нарастания di/dtup и спадания di/dtdowi тока в начале и конце импульса.
По входным данным необходимо расчитать средне-интегральные и средние значения энергетических характеристик импульсной дуги: полную мощность 2агс, анодную Qarc, катодную QCdX и мощность плазмы столба QCQ\, эффективный КПД Т]еъ а также средние значения сварочного тока 1т и напряжения Um.
Схема замещения
В упрощенном виде основные элементы сварочного контура можно представить в виде схемы замещения. Схема замещения условно разбита на отдельные участки, которые в модели представлены в виде отдельных модулей (подмоделей, рис. 2.1).
Модель источника теплоты и давления состоит из взаимосвязанных подмоделей источника питания, электрической дуги, плавления электрода и отрыва капель.
Такая структура была предложена в работе [134] при разработке модели для имитации импульсно-дуговой сварки плавящимся стальным электродом.
Рис 2.1. Структура модели импульсного источника теплоты: а - схема замещения сварочного контура, б - подмодель источника питания, в -подмодель дуги, г - подмодель плавления электрода, д - подмодель образования и отрыва капли
Подмодель источника питания разрабатывалась на основе современного инверторного источника с I UP модуляцией модели GLC 503 QUINTO Profi фирмы Cloos (Германия). Наклон ВАХ источника в импульсной фазе составляет 6 В/100 А. Для исключения обрывов маломощной дуги в источнике питания предусмотрен регулятор, обеспечивающий стабилизацию базового тока в период паузы [203].
Уравнение баланса падений напряжения в сварочном контуре с учетом пренебрежения индуктивностью и сопротивлением инверторного источника тока имеет вид
Индуктивность контура сварочных кабелей может быть смоделирована как индуктивность проводника в форме круга соответствующего диаметра [22, 23]. Наклон ВАХ источника также является исходным параметром.
Напряжение холостого хода в источниках данного типа является переменной величиной и находится в определённой зависимости от установленных параметров режима (импульсного напряжения, базового тока) и наклона ВАХ. Скорость нарастания сварочного тока является исходным параметром, поэтому через нее можно определить неизвестную начальную величину индуктивности L
Концепция построение физико-математических моделей процесса формирования шва в связной постановке
Несмотря на достаточно высокий уровень развития теплофизики сварки, анализ опубликованных работ по моделирования формирования шва, приведенных в первой главе, показывает, что они в большинстве своем носят чисто академический характер и не ставят своей целью использования в конструкторско-технологической подготовке сварочного производства.
Тот же анализ показал, что на сегодня создано большое количество математических моделей воспроизводящих отдельные явления, присущие сварке. Однако до сих пор отсутствует концепция и не разработаны подходы построения математической модели формирования шва и расчета параметров режима сварки более сложных и наукоемких сварочных процессов, к каким относится импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом тонколистовых сварных конструкций из алюминиевых сплавов.
Автоматизированная система проектирования параметров режима сварки и размеров шва должна быть по возможности полным компьютерным аналогом реального процесса и сварочной установки и отвечать следующим требованиям:
структура полной модели формирования шва при импульсно-дуговой сварке плавящимся электродом должна состоять как минимум из трех моделей: источника теплоты, теплопереноса и деформации поверхностей сварочной ванны.
ФММ и интерфейс пользователя разрабатываемого ПО должны содержать все параметры, которыми оперирует инженер-технолог, когда приступает к разработке технологического процесса или к стадии его экспериментальной отработки. Пределы изменения параметров процесса должны соответствовать паспортным данным сварочного оборудования. Тип и размеры соединения, положение сварки, наклон горелки и их изменения должны быть визуализированы. Выходная информация — должна содержать все необходимые данные, необходимые для оформления технологии: текстовый протокол с результатами моделирования, а также информацию в виде рисунков (например, поперечный шлиф), графиков, таблиц и т. д.
учитывая сложность для пользователей (технологов и конструкторов) подбора сочетания параметров режима сварки на стадии задания исходных данных и разную степень их профессиональной подготовленности целесообразно снабдить полную модель процесса формирования шва экспертной системой (блок 2 рис. 3.3), которая на основании расчетов предлагала бы пользователю расчетный набор параметров режима сварки, гарантирующих при моделировании получение сварного шва;
требования к построению моделей формирования шва вытекают из особенностей процессов протекающих при протекании сварочного процесса: неоднородности среды, системности процесса и нелинейности явлений. Наличие твердой, твердожидкой, жидкой и газовой сред определяет основную задачу определения границ их раздела. Системность процесса вызвана взаимозависимостью между теплопереносом и деформацией поверхностей и требует разработки алгоритмов системного решения задачи. Нелинейность явлений обусловливает необходимость применения численных методов решения задачи формирования шва;
