Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи работы 10
1- Анализ существующих технологий сварки алюминия и его сплавов
Особенности возникновения дефектов при сварке алюминия и его сплавов 23
Кристаллизационные (горячие) трещины при сварке 27
Оксидная пленка 34
Газовая пористость.... 37
Вольфрамовые включения 46
Анализ существующих математических моделей дуговой сварки 47
Модели, прогнозирующие внешние дефекты, связанные с формой
шва (непровары, прожоги, подрезы и пр.)... 48
Модели, позволяющие прогнозировать склонность к образованию холодных и горячих трещин
Модели формирования микроструктуры 50
Модели импульсной сварки 51
Цель и задачи работы 53
Выводы по главе. 1 56
Глава 2 . Разработка модели импульсио-дуговой сварки 57
2.1 Особенности математического моделирования процессов сварки алюминиевых сплавов 57
2.2 Выбор численного метода ...60
2,3 Теплофизические свойства 74
2 4 Особенности моделирования источника теплоты при дуговой сварке алюминиевых сплавов75
Существующие модели источников. 75
4 Разработка эквивалентного источника теплоты с учетом особенностей импульсно-дуговой сварки , 83
2. 5 Учет теплоотвода в технологическую оснастку (прижимы и формирующую подкладку)
2.6 Особенности моделирования процесса импульсной сварки с низкочастотной модуляцией
2. 7 Разработка программного обеспечения 94
Выводы по главе 2
Глава 3 . Исследование особенностей процесса импульсно-дуговой сварки 101
3. Методика проведения экспериментальной работы 101
3. Z Методика количественной оценки величины теплоотвода в подкладку и прижимы 105
3.3 Проверка адекватности модели на стационарных режимах 112
З.4 Влияние темпа плавления на параметры термического цикла сварки 112
3.5* Проверка адекватности модели импульсно-дуговой сварки 121
3.6 Оценка влияния скрытой теплоты плавления на распространение температурных колебаний при импульсно дуговой сварке алюминиевых сплавов, 122
Выводы по главе 3 132
Глава 4 . Оптимизация и проектирование технологических процессов дуговой сварки алюминиевых сплавов комбинированными импульсами тока 134
4.1 Расчет объема выделившегося газа 134
42. Управление дегазацией сварочной ванны с помощью комбинации импульсов различной интенсивности. 138
Выводы по главе 4, 145
Основные выводы и результаты работы 146
Список использованных источников 148
- Анализ существующих технологий сварки алюминия и его сплавов
- Особенности математического моделирования процессов сварки алюминиевых сплавов
- Методика проведения экспериментальной работы
Введение к работе
Известно, что наиболее распространенным материалом, применяемым в аэрокосмической отрасли, является алюминий и его сплавы. В среднем алюминиевые сплавы составляют 60 - 70 % от общего веса изделия.
В настоящее время цветная металлургия переживает нелегкие времена. Резкое сокращение финансирования машиностроительных отраслей сказалось на производителях алюминия — материала, считавшегося, прежде всего стратегическим. В условиях рынка заводы, выпускавшие цветные металлы и сплавы, вынуждены перестраиваться под выпуск недорогой, но пользующейся спросом продукции. Это приводит к падению качества выпускаемых материалов, и в результате возникают новые проблемы даже при сварке ранее хорошо известных сплавов. При этом особо следует отметить рост вероятности возникновения дефектов наследственного происхождения: пор, несплошностей и др. При сварке плавлением алюминиевых сплавов такие дефекты часто возникают в высокотемпературной области (ВТО) и являются наиболее опасными и трудно устранимыми.
Известно, что одной из эффективных мер борьбы с дефектами является использование способов сварки с модуляцией вводимой энергии. Эти способы обладают рядом преимуществ, обеспечивая более широкие возможности для регулирования процесса проплавлення основного металла и формирования шва. Управляя параметрами импульсного процесса, можно эффективно воздействовать на форму и размеры сварочной ванны, на кристаллизацию металла, на формирование шва, на временные и остаточные деформации и другие показатели процесса сварки. Основой механизма воздействия на эти показатели являются тепловые процессы в зоне сварного шва. При этом наиболее широкие возможности управления процессами в ВТО
Введение у
обеспечивают способы сварки с достаточно низкой (менее 5 Гц) частотой модуляции вводимой энергии. Экспериментальное исследование сложных тепловых процессов в ВТО, протекающих при использовании таких способов сварки, вызывает значительные трудности. В связи с этим одним из перспективных способов исследования становится численное моделирование, позволяющее получать данные, которые невозможно, либо крайне трудно получить экспериментальным путем.
Использование численных методов исследования способствует более глубокому пониманию исследуемых явлений, так как они не только позволяют констатировать тенденцию к увеличению числа дефектов при изменении того или иного параметра режима сварки, но и помогают установить причину их возникновения. Это, в свою очередь, дает возможность целенаправленно изменять параметры технологического процесса, а так же вносить изменения в сварочное оборудование и оснастку.
Среди способов сварки с модуляцией вводимой энергии наиболее распространенна импульсно-дуговая сварка (ИДС). Инверторные источники питания с микропроцессорным управлением, получившие широкое распространение в последнее время, позволяют управлять параметрами режимов ИДС в весьма широком диапазоне, обеспечивая практически любую форму импульса. Однако при этом резко возрастает число параметров режима, что значительно усложняет проектирование технологического процесса сварки экспериментальным путем. В связи с этим особенно актуальной становится проблема оптимизации режимов для ИДС со сложной формой импульса, решение которой невозможно без использования современных расчетных методов и компьютерного моделирования.
Методы исследования. Для изучения структуры стыковых сварных соединений использовали оптическую и электронную
Введение 8
металлографию на микроскопах МИМ-8М, «NEOPHOT».
Одним из основных методов исследования было выбрано физико-математическое моделирование (ФММ) процессов, протекающих при ИДС. При разработке модели процесса использован детерминирован но-статистический подход. При этом нелинейное нестационарное трехмерное уравнение теплопроводности используется как базовое. Были исследованы алюминиевые сплавы 1420, АМгб, АК4М4!.
Для расчетов и обработки результатов экспериментов использовалось современное программное обеспечение (ПО) для ЭВМ.
Достоверность научных результатов вычислительного эксперимента, в целом подтверждалась сравнением расчетных и экспериментальных форм проплавлення.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Показано, что разработанная модель процесса ИДС с шаговым
перемещением электрода позволяет проектировать процессы
импульсной сварки с более широкими возможностями управления
параметрами термического цикла.
2. Показано, что предложенная расчетно-экспериментальная
методика для определения величины тепла, отводимого в прижимы и
подкладку, позволяет количественно учесть величину теплоотвода при
сварке, соответствующую различным типам технологической оснастки.
3; Установлено, что использование при расчетах экспериментальных данных о нелинейном: характере плавления материала позволяет повысить точность вычислений. Показано, что расчетная скорость охлаждения; вблизи фронта кристаллизации в? хвостовой части ванны в случае неучета характера плавления материала может оказаться завышенной на ~25%.
4. Исследование процесса ИДС, проведенное с помощью разработанной модели, позволило установить, диапазон частот модуляции тока, где при расчетах тепловых процессов недопустимо
Введение О,
использование непрерывно действующего источника теплоты, эквивалентного пульсирующему. Показано, что зона, лежащая между изотермами TL-TS, значительно ограничивает процесс распространения температурных колебаний.
Разработанная в работе методика проектирования технологических процессов дуговой сварки алюминия и его сплавов комбинированными импульсами тока в совокупности представляет собой основополагающий вклад в развитие и практическое использование импульсной дуги для сварки современных алюминиевых сплавов на этапе конструкторско-технологического проектирования инверторного оборудования и технологической подготовки производства, с оценкой и прогнозированием внешних и внутренних дефектов, их основных причин, и определения путей их снижения в условиях производства сварных конструкций.
Автор глубоко благодарен и признателен за полученные советы и замечания специалистам «МАТИ»-РГТУ им. К. Э. Циолковского: Сидякину В. А., Федорову С. А., Никитиной Е. В., Мачневу Е. А., а так же специалистам Тульского ГУ: Рыбакову А. С, Ерофееву В. А., Зайцеву О. И. и др
Анализ существующих технологий сварки алюминия и его сплавов
В настоящее время применяют различные виды сварки плавлением: ацетилено-кислородная; дуговая сварка в среде инертных газов, плазменная, электронно-лучевая и лазерная сварка.
Газовая (аг{етипено-кислородная) сварка в основном используется при ремонтных операциях, иногда при изготовлении неответственных деталей и узлов, атакже при заварке дефектов отливок из алюминиевых сплавов.
Ограниченное применение в промышленности этого вида сварки объясняется пониженными механическими свойствами и коррозионной стойкостью сварных соединений. Кроме того, большое количество тепла, вводимого в металл, образует широкую зону термического влияния, перегревая основной металл. При; газовой сварке отмечается значительное коробление свариваемых деталей.
Аргонодуговая сварка плавящимся и неплавящимся электродом. При сварке в среде аргона алюминиевых сплавов отпадает необходимость применения флюсов. Это значительно упрощает процесс и делает возможным сварку соединений, опасных в коррозионном отношении из-за. трудности удаления остатков флюсов.
Для сварки- алюминиевых сплавов в среде защитных газов применяют аргон высшего сорта или смеси аргона с гелием.. При. этом разрушение оксидной пленки происходит в результате катодного распыления, в связи с чем сварку алюминиевых сплавов; в аргоне желательно вести на постоянном токе обратной полярности. Это возможно при автоматической и механизированной сварке плавящимся электродом.
При сварке вольфрамовым электродом вследствие большого выделения теплоты на аноде наблюдается чрезмерный перегрев его и повышенный расход. Для уменьшения расхода вольфрама необходимо питание дуги переменным током. При сварке на переменном токе удается сохранить достаточно высокую стойкость электрода и добиться удовлетворительного разрушения оксидной пленки на металле.
Основное преимущество процесса сварки вольфрамовым электродом в среде аргона - высокая устойчивость горения: дуги. Благодаря этому процесс успешно используют при сварке металла толщиной 0,8-КЗ мм. Для сварки металла больших толщин использовать обычный процесс сварки вольфрамовым электродом нецелесообразно из-за необходимости применения многослойных швов и снижения производительности.
Для сварки вольфрамовым электродом металла большой толщины необходимо повысить стойкость вольфрамовых электродов. Вольфрамовые электроды марки ВИ с добавками иттрия; отличаются повышенной стойкостью. Допустимый сварочный ток для электродов этой марки диаметром 10 мм достигает 8 00-И 000 А.. С появлением этих электродов открылась возможность сваривать за один проход высокоамперной дугой металл толщиной до 20 мм.
Плавящийся электрод применяют при дуговой сварке алюминиевых сплавов толщиной более 3 мм. Для более тонкого металла не удается добиться устойчивого горения дуги при мелкокапельном струйном переносе металла.
Особенности математического моделирования процессов сварки алюминиевых сплавов
Появление быстродействующих ЭВМ привело к резкому росту роли и значения нового вычислительного (или численного) подхода к решению многих инженерных задач, в том числе и задач теплотехники. Основной особенностью этого подхода является то, что уравнения (чаще всего уравнения в частных производных), описывающие интересующий нас физический процесс, решаются численно: сложнейшие аналитические выражения заменяются более простыми приближенными, для решения которых требуется выполнение массивных арифметических вычислений.
Идеи такого подхода известны довольно давно. Разработка численных методов, в первую очередь конечно-разностных, решения обыкновенных дифференциальных уравнений и уравнений в частных производных, началась уже в начале двадцатого века. Изобретенный в конце 1930-х гг. Атанасовым механический арифмометр почти сразу стал использоваться для численного решения многих задач. Однако взрыв в применении численных методов наступил лишь после того, как в 1960-х гг. появилась главная составляющая, необходимая для успешного применения численного подхода - широко доступные быстродействующие ЭВМ.
На данный момент в металлургии трудно найти направление, в котором не применяются численные методы. С успехом решаются многие задачи, связанные с деформацией, напряжениями, тепловыми процессами. Расчеты с применением численных методов выполняются в рамках научно-исследовательской работой, широко применяются при технологической подготовке производства. Дальнейшее развитие многих технологий современной металлургии не представляется возможным без широкого использования компьютерного моделирования с применением современных численных методов.
Как установлено в предыдущей главе, наиболее серьезными проблемами при сварке алюминиевых сплавов являются поры и горячие трещины. На образование этих дефектов оказывает влияние большое число факторов,, зачастую с трудом поддающихся математическому описанию. При этом большая их часть действует в ВТО ЗТВ. Поэтому в данной работе стоит задача разработки модели импульсно-дуговой сварки, которая должна наиболее адекватно воспроизводить процессы, протекающие именно в этой области.
Моделирование ВТО ЗТВ в случае алюминиевых сплавов имеет ряд особенностей; ограничивающих спектр применяемых математических методов. В частности, аналитические методы являются недостаточно точными из-за большего количества допущений (обычно используются линейные теплофизические свойства, не учитываются стоки теплоты, упрощается модель источника). Поэтому в настоящее время для моделирования сварочных процессов наиболее широко применяют численные методы. Как правило, используют две группы численных методов: конечных разностей и конечных элементов.
Разностные методы нашли широкое применение, так как при-общей простоте реализации и высокой производительности позволяют с достаточной точностью решать тепловую задачу с учетом ряда важных факторов.
Вариационные методы, из которых наибольшее распространение получил метод конечных элементов, позволяют наряду с температурной задачей успешно вести расчет деформаций и напряжений, возникающих при сварке [12]. Однако, их использование сопряжено со значительными вычислительными затратами по сравнению с разностными методами.
Методика проведения экспериментальной работы
Как было установлено в предыдущих главах, математическое моделирование процессов сварки может упростить технологическую подготовку производства, ускорить выбор режимов сварки. При этом, компьютерные модели позволяют не только прогнозировать дефекты, но и дают возможность «виртуально» изменять такие технологические параметры процесса сварки, которые невозможно изменить в условиях реального производства. Полученные при этом данные могут быть использованы для проектирования новых процессов сварки, а так же для разработки рекомендаций к созданию нового сварочного оборудования и технологической оснастки.
Однако, число факторов влияющих на процесс сварки в условиях реального производства чрезвычайно велико. Известно несколько путей, позволяющих «доработать» модель, сделав ее пригодной: для практических расчетов.
Первый из них: - попытка учета всех возможных действующих факторов в детерминированной модели. Действительно, подавляющее большинство явлений имеющих место при сварке, описано современной физикой. Известны все виды теплоотдачи, сопутствующие процессу, существуют теории теплопроводности и упругой деформации, описаны законы течения жидкости, даже турбулентность уже не является белым пятном. Однако попытки создать некую единую, всеобъемлющую модель процесса сварки, где будут учитываться и рассчитываться одновременно все возможные сопутствующие процессы неизбежно будут обречены на неудачу. Ведь погрешности, которые неизбежно возникают при любых математических расчетах, имеют обыкновение накапливаться, и чем сложнее модель, тем, как правило, больше погрешность.
Другой путь - использование упрощенных моделей в сочетании с введением нескольких поправочных коэффициентов, противоположность первому. Несмотря на простоту реализации этот путь имеет существенный недостаток - такие модели адекватны лишь в узком диапазоне варьируемых параметров, и практически не имеют особого смысла, так как количество экспериментов, затраченное на их «верификацию» достаточно для построения статистической модели.
Третий путь представляет собой разумное сочетание двух предыдущих: модель не должна быть отягощена огромным количеством совместно решаемых задач, должна быть ориентирована на решение конкретной задачи, направлена на оценку влияния одного конкретного фактора.
Наиболее надежным с этой точки зрения параметром является термический цикл, а так же непосредственно связанные с ним характеристики (время пребывания выше критических температур, скорости охлаждения в различных частях соединения, геометрические характеристики сварного соединения и т. д.). Несмотря на сложности в получении ряда некоторых исходных данных для расчета (таких как фактическое распределение температуры в сварочной ванне и энергетические характеристики дуги) и расхождения в литературных данных относительно теплофизических характеристик, расчетные термических циклы оказываются наиболее адекватными.
Первая часть экспериментальных работ проведена с целью верификации модели, а так же для получения и уточнения данных о теплофизике процесса. Для уменьшения количества действующих факторов сварка проводилась в один проход во- всех случаях, присадочная проволока не применялась. Использовались пневматические прижимы одинаковой ширины.
