Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы повышения производительности труда и обеспечения качества соединений при сварке корпусных конструкций специальной техники 16
1.1. Современное состояние сварочного производства конструкций специальной техники из высокопрочных сталей 16
1.2. Обеспечение качества сварных соединений из высокопрочных сталей при сварке корпусных конструкций специальной техники
1.2.1. Классификация групп дефектов сварных соединений корпусных конструкций специальной техники 33
1.2.2. Наружные дефекты сварных соединений на корпусных конструкциях 34
1.2.3. Дефекты формы и размеров сварных швов на корпусных конструкциях 36
1.2.4. Внутренние дефекты сварных соединений на корпусных конструкциях 38
1.2.5. Требования к механическим свойствам соединений корпусных конструкций 40
1.3. Проблемы обеспечения качества сварных соединений при изготовлении корпусных конструкций специальной техники 42
1.3.1. Холодные и горячие трещины 43
1.3.2. Неметаллические включения и поры 46
1.3.3. Дефекты формы шва на корпусных конструкциях 48
1.3.4. Пути минимизации причин возникновения дефектов при сварке корпусных конструкций
1.4. Методы и средства повышения эффективности
процессов сварки при изготовлении корпусных конструкций 56
1.5. Методы и средства исследования сварочных процессов.
Описание физико-математических моделей сварочных процессов. 71
1.5.1 Методы физико-математического моделирования сварочных процессов 71
1.5.2. Физико-математические модели явлений в сварочной дуге 75
1.5.3. Физико-математические модели процессов нагрева и плавления электрода при переносе металла в сварочную ванну 76
1.5.4. Физико-математические модели тепловых процессов при нагреве свариваемых кромок 80
1.5.5. Физико-математические модели формирования поверхностей сварочной ванны и шва 82
1.5.6. Физико-математические модели явлений и процессов в жидком металле сварочной ванны 84
1.5.7. Физико-математические модели процессов в твёрдом металле шва и зоны термического влияния 86
1.5.8. Физико-математические модели напряжений и деформаций в сварных конструкциях 88
1.6. Цель и задачи работы 93
Выводы по главе 1 94
Глава 2. Создание обобщенной физико математической модели процесса многодуговой сварки по узкому зазору 95
2.1. Концепция обобщенной физико-математической модели для анализа и оптимизации процесса двухдуговой многопроходной сварки по узкому зазору 95
2.2. Модель формирования многопроходного шва при двухдуговой сварке по узкому зазору 101
2.2.1. Пространство моделирования и система координат 101
2.2.2. Подмодель горения дуги в зауженной разделке кромок 103
2.2.3. Подмодель формирования сварочной ванны 107
2.2.4. Структура модели формирования шва при двухдуговой многопроходной сварке по узкомузазору 115
2.2.5. Определение химического состава металла шва 117
2.2.6. Определение характеристик термического цикла сварки 118
2.3. Модель формирования прочности шва и зоны
термического влияния 119
2.3.1. Методика определения фазового состава металла шва и зоны термического влияния 120
2.3.2. Оценка механических свойств металла шва и зоны термического влияния 1 2.4. Модель напряжённого состояния металла при многодуговой сварке по узкому зазору 126
2.5. Компьютерная реализация обобщенной физико-математической модели для анализа и оптимизации формирования шва при сварке по узкому зазору 1 2.5.1. Методы численного решения 130
2.5.2. Алгоритм численного моделирования формирования многопроходного шва 134
Выводы по главе 2 137
Глава 3. Проверка адекватности физико математического моделирования двухдуговой сварки по узкому зазору опытным данным 139
3.1. Структура погрешности и методика оценки адекватности физико-математической модели реальному процессу сварки 139
3.2. Результаты тестовых экспериментов и моделирования формирования шва при однодуговой сварке по узкому зазору 145
3.3. Оценка адекватности моделирования экспериментальным данным 156
3.4. Проверка физико-математической модели процесса двухдуговой многопроходной сварки по узкому зазору 161
3.5. Проверка адекватности физико-математической модели при многопроходной сварке по узкому зазору 165
3.5.1. Экспериментальные данные 165
3.5.2. Анализ опытных данных и сравнение с результатом моделирования 169
3.5.3. Уточнение физико-математической модели формирования сварного соединения при многопроходной сварке по узкому зазору 171
3.6. Проверка расчета механических свойств металла шва и зоны термического влияния 175
Выводы по главе 3 179
Глава 4. Исследование влияния параметров многопроходной двухдуговой сварки по узкому зазору корпусных конструкций на значения показателей качества формирования шва 180
4.1. Задачи и методика исследований 180
4.2. Анализ устойчивости дуги при сварке по узкому зазору плавящимся электродом 182
4.3. Разработка методов минимизации дефектов при многопроходной двухдуговой сварке по узкому зазору 189
4.3.1. Методика анализа причин возникновения дефектов при формировании швов 191
4.3.2. Обобщение причин возникновения дефектов формирования швов при сварке по узкому зазору 192
4.3.3. Результаты по минимизации дефектов при двухдуговой сварке по узкому зазору 193
4.4. Влияние параметров многопроходной дуговой сварки по узкому зазору на показатели качества формирования сварных соединений 198
4.4.1. Влияние скорости подачи электродной проволоки и ее диаметра на формообразование шва при многопроходной сварке 198
4.4.2. Влияние скорости сварки на формообразование шва при многопроходной сварке 203
4.4.3. Влияние напряжения и длины дуги на формообразование шва при многопроходной сварке по узкому зазору 205
4.4.4. Анализ условий слияния сварочных ванн при двухдуговой сварке 206
4.4.5. Исследование влияния расстояния между дугами на формирование шва 210
4.4.6. Влияние параметров двухдуговой сварки на
механические свойства металла шва и зоны
термического влияния 212
4.5. Исследование напряженного состояния шва и зоны
термического влияния при сварке по узкому зазору высокопрочных сталей 222
4.5.1. Решение тепловой задачи 223
4.5.2. Решение деформационной задачи 227
Выводы по главе 4 245
Глава 5. Условия обеспечения стабильно высокого качества сварных соединений при многопроходной сварке по узкому зазору корпусных конструкций специальной техники 247
5.1. Методика расчета параметров многопроходной
двухдуговой сварки по узкому зазору, обеспечивающих требуемые служебные свойства сварных соединений 247
5.1.1. Учет условий формирования шва при сварке по узкому зазору в методике расчета параметров 247
5.1.2. Расчет параметров дуги при сварке по узкому зазору 251
5.1.3. Учет границ металла шва в методике расчета параметров 254
5.1.4. Расчет параметров плавления электродной проволоки 254
5.1.5. Методика расчета режимов двухдуговой многопроходной сварки 256
5.1.6. Особенности расчета параметров второй дуги 258
5.1.7. Последовательность и пример расчета 259
5.2. Основные возмущения при реализации многопроходной сварки по узкому зазору и меры по повышению эффективности работы сварочного оборудования 263
5.2.1. Взаимовлияние сварочного оборудования и электрической сети 263
5.2.2. Особенности параллельной работы сварочных аппаратов и минимизация их взаимного влияния при проведении сварочных работ 271
5.2.3. Влияние возмущающих воздействий на работу механизмов подачи сварочной проволоки 273
5.3. Оценка вероятности возникновения дефектов формирования шва и расчет допусков на параметры процесса дуговой сварки по узкому зазору 277
5.4. Влияние отклонений химического состава высокопрочной стали и электродной проволоки на механические свойства сварных соединений 288
5.5. Выбор состава электродной проволоки для обеспечения служебных свойств соединений при сварке высокопрочных сталей по узкому зазору 298
5.6. Технологические требования к процессам сварки по узкому зазору и оборудованию для обеспечения стабильно высокого качества сварных соединений корпусных конструкций 3 5.6.1. Технологические требования к процессам и режимам сварки 308
5.6.2. Оптимальное расстояние между дугами при двухдуговой сварке высокопрочных сталей 311
5.6.3. Технологические требования к сварочному оборудованию 313
Выводы по главе 5 315
Глава 6. Практическая реализация процессов двухдуговой многопроходной сварки по узкому зазору корпусных конструкций специальной техники 317
6.1. Современные технологии и оборудование для сварки корпусных конструкций специальной техники 317
6.1.1. Рациональные формы зауженных разделок 317
6.1.2. Технология автоматической двухдуговой многопроходной сварки по узкому зазору 321 6.1.3. Технология механизированной однодуговой многопроходной сварки по узкому зазору 323
6.2. Оборудование для реализации процессов двухдуговой автоматической и однодуговой механизированной сварки по узкому зазору 328
6.3. Система коррекции положения электрода при сварке по узкому зазору с использованием дуги в качестве датчика 340
6.4. Квалификационные испытания технологий и оборудования для двухдуговой сварки по узкому зазору корпусных конструкций 346
6.5. Промышленная апробация разработанной технологии двухдуговой сварки по узкому зазору корпусных конструкций специальной техники 350
Выводы по главе 6 354
Основные выводы и результаты работы 356
Список литературы
- Наружные дефекты сварных соединений на корпусных конструкциях
- Модель формирования многопроходного шва при двухдуговой сварке по узкому зазору
- Проверка физико-математической модели процесса двухдуговой многопроходной сварки по узкому зазору
- Влияние параметров многопроходной дуговой сварки по узкому зазору на показатели качества формирования сварных соединений
Введение к работе
Актуальность работы. Военной доктриной Российской Федерации
предусматривается дальнейшее повышение эффективности
функционирования системы эксплуатации и ремонта вооружения, военной и специальной техники. На настоящий момент актуальной задачей является создание современной специальной техники нового поколения, требования к техническим характеристикам и эксплуатационной надежности которой предопределяют применение специальных высокопрочных сталей. При изготовлении корпусных конструкций, обеспечивающих защищенность, огневую мощь и подвижность такой техники исключительное внимание уделяется сварке, занимающей до 50 % от всего объема работ.
Развитие методов сварки корпусных конструкций из высокопрочной стали протекало с последовательной заменой ручной сварки штучными электродами на механизированную сварку под флюсом, а впоследствии более маневренной автоматической и механизированной сваркой в защитных газах. Вместе с тем к настоящему времени подобные технологии сварки достигли своей максимальной производительности, поэтому их дальнейшее перспективное совершенствование может быть основано на расширении использования одно- и многодуговой сварки по узкому зазору. Естественно, подобные усовершенствования не должны привести к ухудшению качества сварных соединений. Однако применение подобных инноваций сдерживается отсутствием достаточных данных об условиях, при которых обеспечивается приемлемое качество и минимизируется вероятность возникновения дефектов сварных соединений.
В этой связи, для решения проблемы повышения производительности сварочных работ и обеспечения стабильно высокого качества соединений необходимо дальнейшее развитие теории формирования сварных соединений при многодуговой многопроходной сварке в защитных газах по узкому зазору, которая позволит сформулировать технические требования к производственным процессам и необходимому сварочному оборудованию.
Цель работы: Повышение производительности сварочных работ и обеспечение стабильно высокого качества сварных соединений корпусных конструкций специальной техники из высокопрочных сталей на основе моделирования процессов формирования сварных соединений при одно- и многодуговой многопроходной сварке плавящимся электродом по узкому зазору.
В соответствии с поставленной целью были определены основные задачи работы:
1. Выполнить анализ существующих способов обеспечения стабильно высокого качества сварных соединений при сварке корпусных конструкций специальной техники.
2. Разработать обобщенную физико-математическую модель формирования сварных соединений при многопроходной сварке по узкому зазору и доказать ее адекватность.
3. Исследовать влияние параметров многопроходной одно- и
двухдуговой сварки по узкому зазору корпусных конструкций на качество формирования соединения.
4. Исследовать закономерности возникновения дефектов при сварке по узкому зазору и разработать методы снижения вероятности их возникновения при выполнении сварочных работ.
-
Сформулировать технические требования к производственным процессам и сварочному оборудованию для обеспечения стабильно высокого качества сварных соединений при двухдуговой сварке по узкому зазору корпусных конструкций специальной техники.
-
Реализовать предложенную технологию многопроходной сварки по узкому зазору при изготовлении корпусных конструкций из высокопрочных сталей в производственных условиях.
Методы исследований и достоверность полученных результатов.
В работе использовалась совокупность теоретических, расчетных и экспериментальных методов исследований.
При анализе условий формирования швов и оптимизации режимов сварки использовались методы компьютерного моделирования. Теоретический анализ условий обеспечения стабильно высокого качества сварных соединений выполнен на основе фундаментальных физико-математических закономерностей, которые являются основой для проведения вычислительного эксперимента, позволяющего по физико-математическим связям составить представление об объекте исследований.
Для фиксации параметров процесса сварки использовали многоканальный регистратор «AWR-725».
Структуру сталей исследовали методами растровой микроскопии на электронном микроскопе Quanta-200 (FEI Company, США) с системой Pegasus, использующей методы дифракции обратно отраженных электронов (EBSD) и энергодисперсионный спектрометр (EDS).
Измерения микротвердости швов производили на приборе ПМТ-3.
Достоверность результатов работы подтверждается соответствующими значениями метрологических характеристик, полученных при статистической обработке экспериментальных данных, хорошем совпадении теоретических и опытных значений геометрических параметров сварных соединений, их структур и свойств, практической реализацией результатов.
Научная новизна.
-
Разработаны элементы теории формирования сварных соединений при одно- и двухдуговой многопроходной сварке плавящимся электродом по узкому зазору.
-
Установлено, что особенностью сварки в глубокой зауженной разделке является потеря устойчивости горения дуги вследствие сильного нагрева вылета электрода.
-
Определено влияние формы разделки кромок и положения электрода на распределение тепловой мощности дуги по ширине разделки.
-
Определено, что качественное формирование шва в зауженной
разделке обеспечивается, если высота наплавленного слоя не превышает 0,3 - 0,5 ширины разделки.
-
Установлено, что рациональным по расходу энергии и управляемости процессом двухдуговой сварки является процесс, при котором минимальное расстояние между дугами соответствует разделению общей сварочной ванны на две. Это обеспечивает возможность независимого регулирования глубины проплавления предшествующего слоя током первой дуги, а формы поверхности наплавляемого валика - током и напряжением второй дуги.
-
Показано, что оптимальным расстоянием между дугами, при котором ударная вязкость достигает наибольших значений, является расстояние 100 – 200 мм, обеспечивающее достаточное время пребывания ЗТВ в диапазоне температур полиморфного превращения (850 – 500 С).
Практическая ценность. Проведенный комплекс исследований позволил создать технологию двухдуговой автоматической и однодуговой механизированной сварки по узкому зазору, которая была использована при производстве корпусов из высокопрочных среднелегированных сталей.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы были доложены и обсуждены: на Всероссийской научно-технической конференции «Сварка в машиностроении и металлургии» (Екатеринбург, 2005); Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии: НМТ - 2012» (Москва, 2012); Всероссийской научно-технической конференции «Сварка и диагностика» (Екатеринбург, 2012); XIII Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности и экономике» (СПб., 2012); Twelfth Russian-Israeli Bi-National Workshop «The optimization of the composition, structure and properties of metals, oxides, composites, nano- and amorphous materials» (Jerusalem, 2013); Международной научно-технической конференции «Сварка и контроль - 2013» (Пермь, 2013); Международной конференции «Сварка и родственные технологии - настоящее и будущее» (Киев, 2013); XIX Международной научно-практической конференции «Высокие технологии в индустрии» (СПб., 2015); XV Международной научно-практической конференции «Научное обозрение физико-математических и технических наук в XXI веке» (Москва, 2015); II Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы науки и техники» (Самара, 2015); IV Международной научно-практической конференции «Компьютерные технологии в соединении материалов - 2015» (Тула, 2015); семинаре кафедры «Технологии сварки и диагностики» МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2015).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 38 печатных работ, из них 29 работ в журналах, рекомендованных ВАК, издана монография, получено четыре патента РФ на изобретение и полезные модели.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы и 4 приложений. Диссертация написана на 391 стр., и содержит 180 рисунков, 46 таблиц. Список литературы состоит из 310 наименований.
Наружные дефекты сварных соединений на корпусных конструкциях
Научные основы применяемой в настоящее время технологии сварки корпусных конструкций специальной техники были заложены еще в середине 50-х годов и успешно применены в производственных условиях совместными усилиями целого ряда научно-исследовательских организаций и ведущих машиностроительных предприятий [18, 19]. Многолетними усилиями этих ученых были разработаны элементы теории сварки броневых сталей, основные способы дуговой сварки плавлением, выбор режимов сварки и форм разделки для соединения элементов корпусных конструкций.
Однако, несмотря на достигнутые результаты, в последующие годы происходило дальнейшее совершенствование процессов сварки в СО2. Производительность процесса сварки оценивают по общему объему проплавленного основного металла и количеству наплавленного металла в единицу времени. Поэтому одним из путей дальнейшего развития механизированной сварки в СО2 по повышению ее производительности стало форсирование режимов, в том числе за счёт увеличения мощности дуги и использования электродной проволоки диаметром 1,6 - 2,5 мм [20], увеличения вылета электрода [21], увеличения объема наплавленного металла путем введения дополнительного присадочного металла [22], поступающего в сварочную ванну в виде сплошной и рубленной проволоки, металлического порошка. Однако повышение производительности сварки путем форсирования режимов зачастую приводило к увеличению дефектов типа трещин, а также образованию подрезов, наплывов, пор, непроваров, несплавлений и других дефектов формирования швов. Механические свойства сварных соединений ряда марок сталей, включая высокопрочные, были неудовлетворительными. Применение увеличенного вылета электродной проволоки ухудшало стабильность горения дуги вследствие ее блуждания в разделке, хотя и увеличивало коэффициент наплавки. Эти недостатки процесса сварки предопределили необходимость вновь вернуться к электродным проволокам диаметром 1,2 – 2,0 мм, с применением для проволок малого диаметра специальных токоподводящих наконечников и специальных правильных устройств.
В результате проведенных работ было установлено, что увеличение тепловложения при сварке плавящимся электродом в защитных газах имеет свои ограничения по условиям обеспечения требуемых служебных свойств сварных соединений. Помимо этого, имеются ограничения по психофизиологическим возможностям сварщика [23], в плане обеспечения качественных и количественных норм выработки продукции, а также необходимости поддержания его работоспособности на протяжении длительного времени.
Существенным недостатком сварки в СО2, долгие годы, оставалось повышенное разбрызгивание металла [24], особенно на форсированных режимах, что приводило не только к перерасходу электродной проволоки и электроэнергии, а в ряде случаев служило причиной появления дефектов в швах, требовало дополнительных затрат на очистку зоны сварки или использования специальных смазок. При этом трудоемкость работ по зачистке поверхности корпусов от брызг электродного металла при механизированной сварке плавящимся электродом в СО2соизмерима с трудоемкостью отдельных сварочных операций непосредственно процесса сварки. С целью снижения разбрызгивания при сварке и увеличения коэффициента наплавки в работе [25] было предложено сварку корпусов БМП-1 осуществлять в смеси аргона с добавками кислорода, что обеспечило управление каплепереносом электродного металла с значительно меньшим разбрызгиванием электродного металла. Однако проведенные исследования на ОАО «Уралтрансмаш», г. Екатеринбург показали [26], что применение для защиты сварочной ванны аргонокислородной смеси (Аr+2-5%O2) может приводить, при определенных условиях, к появлению дефектов типа пористости по сечению шва, а также несплавлений по кромкам и непроваров в корне шва. Помимо этого, повышенное тепловое излучение при сварке в аргонокислородной смеси требует переоснащения производства специальными сварочными горелками. В ходе дальнейших исследований были определены оптимальные составы многокомпонентных газовых смесей на основе аргона или гелия [27] и освоено их применение в промышленных масштабах.
Еще на начальных этапах промышленного применения сварки в защитных газах была установлена более низкая производительность механизированной и ручной сварки по сравнению с автоматическими способами сварки. Другим немаловажным отрицательным моментом применения механизированной сварки является зависимость производительности и качества процесса от квалификации и психофизического состояния сварщика. В этой связи при производстве корпусных конструкций специальной техники требуется привлечение большого количества высококвалифицированных рабочих сварщиков, что создает определенные трудности при организации сварочных работ. Однако до сих пор механизированная сварка при изготовлении корпусных конструкций составляет порядка 85-90 % от общего объема сварочных работ, что определяется ее универсальностью и легкой адаптивностью к конструктивным формам свариваемых изделий [28, 29].
Следует отметить, что при этом доля автоматической сварки не превышает 5-10 %. Вместе с тем, несмотря на превалирование механизированной сварки при производстве крупногабаритных металлоконструкций, в последние годы наблюдается устойчивая тенденция увеличения автоматической сварки. Схожие тенденции наблюдаются и в других отраслях машиностроения, как в России, так и странах СНГ [30]. Наблюдается увеличение объемов применения более производительной автоматической сварки плавящимся электродом и при изготовлении корпусных конструкций [31].
Модель формирования многопроходного шва при двухдуговой сварке по узкому зазору
Как уже отмечалось [48 – 50], что одна из основных трудностей, при сварке легированных высокопрочных закаливающихся сталей заключается в высокой вероятности возникновения трещин в металле шва и ЗТВ и в снижении механических свойств соединений при форсировании режимов сварки. Известно [62, 63], что наиболее простой путь исключения возможности образования подобных дефектов - это реализация термических циклов сварки, ограничивающих тепловложение и обеспечивающих максимально возможное замедленное охлаждение соединений в области температур превращения аустенита при условии, что металл ЗТВ зоны не будет чрезмерно перегреваться. Для замедленного охлаждения сварного соединения было предложено производить сварку с подогревом свариваемого металла [64]. Однако, как отмечалось в работе [65], это ухудшает условия работы сварщика, что может снизить качество и производительность выполнения сварочных работ. Кроме того, она удлиняет сроки изготовления конструкции и требует дополнительных затрат труда и средств. Также требуется специальное оборудование для нагрева и средства его контроля, дополнительный персонал, выполняющий операции предварительного и сопутствующего подогрева. Отмеченные недостатки заставили разрабатывать технологию сварки закаливающихся сталей, исключающих подогрев. В результате пришли к выводу, что использование сварочных материалов, обеспечивающих получение металла шва с аустенитной структурой, позволит производить сварку таких сталей без подогрева [66]. Было установлено [50], что пластичность сварного шва с увеличением его сопротивляемости трещинам может быть повышена, когда содержание углерода в присадочном металле не превышает 0,15 %; а содержание легирующих элементов в присадочной проволоке, в зависимости от химического состава основного металла, ограничено до следующих пределов: 0,15 % С; 1,5 % Mn; 0,5 % Si; 1,5 % Cr; 2,5 % Ni; 0,5 % V; 1,0 % Mg; 0,5 % Nb. Возможно введение в присадочный металл и других легирующих элементов. В качестве защитных средств необходимо использовать газовые смеси на основе аргона [28]. При этом было установлено, что вероятность возникновения трещин в ЗТВ значительно уменьшается, хотя металл ЗТВ и имеет мартенситную структуру. Получение металла шва с аустенитной структурой можно обеспечить поступлением в сварочную ванну легирующих элементов, как непосредственно через электродную, так и через дополнительную присадочную проволоку. При этом присадочная проволока может поступать как в хвостовую, так и переднюю часть сварочной ванны [67]. В дальнейшем при производстве специальной техники было рекомендовано использовать сочетание обоих приемов: ограничения погонной энергии при сварке, а также применения сварочных проволок с повышенной пластичностью, что позволило практически полностью исключить образование трещин при сварке корпусных конструкций. Однако, из-за подобных ограничений производительность механизированной (полуавтоматической) сварки в защитных газах при производстве корпусных конструкций специальной техники в настоящее время достигла своего естественного предела.
В качестве одного из перспективных направлений дальнейшего развития сварки в защитных газах корпусов специальной техники из высокопрочных сталей в 1958 году Б.Е. Патон и А.М. Макара предложили расширить области применения многодуговой сварки взамен однодуговой. Данное предложение основывалось на исследованиях многодуговой сварки под флюсом [68], которые ИЭС им. Е.О. Патона начал проводить еще в середине 40-х годов прошлого века
Убедиться в преимуществах двухдуговой сварки по сравнению с однодуговой, можно на анализе пиков температур и фронтов их спада характерных термических циклов (рис. 1.15), как факторов минимизации вероятности возникновения холодных трещин.
Проверка физико-математической модели процесса двухдуговой многопроходной сварки по узкому зазору
Длина и расположение дуги относительно свариваемых кромок при сварке плавящимся электродом определяется эффектом саморегулирования, вследствие которого длина дуги может сама устанавливаться в зависимости от напряжения, параметров источника питания и скорости подачи электродной проволоки. При сварке по узкому зазору длина вылета электрода велика и определяется глубиной разделки. Большая длина вылета приводит к существенному нагреву вылета электродной проволоки из токоподводящего мундштука током, что облегчает его плавление дугой, однако повышенное значение коэффициента саморегулирования может вызвать потерю устойчивости дуги в контуре «источник питания - дуга» и ее блужданию по поверхности сварочной ванны. В электрической дуге традиционно выделяют столб дуги, катодную и анодную приэлектродные области [146, 147, 148]. Согласно каналовой модели сварочной дуги [107, 148] свойства плазмы и ток дуги определяют анодное и катодное падения напряжения, градиент потенциала и радиус столба дуги. Эти характеристики справедливы и для сварки в зауженную разделку. Вследствие большой разницы температур между столбом дуги и опорными пятнами на электродах, изменяющиеся тепловые потоки из приэлектродных областей идут на нагревание либо электродной проволоки, либо кромок основного металла. Энергия в столбе динамически изменяющейся дуги выделяется излучением, которое идет как на нагрев кромок, так и на рассеивание в окружающем дугу пространстве [149]. В зауженных разделках большая часть излучения дуги поглощается стенками разделки, повышая ее эффективность. В свою очередь, тепло нагрева электродной проволоки, в конечном итоге, вместе с каплями электродного металла практически полностью переносится в сварочную ванну, так как потери тепла с брызгами относительно невелики. При изменении параметров процесса сварки изменяются длина и диаметр столба дуги [150]. При сварке в СО2 анодное (Ua 6 В) и катодное напряжения (Uk«8 В) и градиент потенциала (Е& 4 В/мм) изменяются незначительно.
Особое место занимает воспроизведение условий формирования многопроходного шва, так как формирование каждого последующего прохода зависит от геометрической формы стыка, сформированной при сварке всех предшествующих проходов [151, 152]. Все отмеченные физические явления и их взаимодействия должны учитываться при разработке обобщенной физико-математической модели и ее составных подмоделей, учитывающих особенности формирования шва при двухдуговой сварке по узкому зазору.
В этой связи, основными исходными параметрами должны являться: - марки свариваемой стали и электродной проволоки, т.е. их химический состав и теплофизические свойства, как в твёрдом, так и жидком состоянии; - геометрические характеристики свариваемых кромок; - задаваемые параметры режима сварки (расстояние между дугами, диаметры и скорости подачи электродной проволоки, скорость сварки, напряжение и параметры источника питания дуги). Тогда в результате моделирования можно определить: - энергетические характеристики дуги (ток, мощности тепловыделения на аноде, катоде и в столбе дуги, длина дуги и ее расположение относительно разделки кромок); - распределение теплового потока по поверхности кромок; - распределение температуры в металле свариваемых кромок; - форму поверхности сварочной ванны и шва; - строение поперечного сечения многопроходного шва; - химический состав металла шва; - структуру и механические свойства металла шва и ЗТВ.
Выполненный анализ известных данных о теории сварочных процессов, физико-математических моделей сварочных процессов и методов использования данных моделей для решения инженерных задач позволяет конкретизировать цели и задачи исследования. Так, при решении инженерных задач сварки исходными данными являются требования к размерам шва по ГОСТ и механическим свойствам сварного соединения по ТУ при отсутствии в них дефектов. Задача состоит в определении параметров сварки, при которых эти требования удовлетворяются. Решение этой задачи для случая многопроходной двухдуговой сварки по узкому зазору сводится к последовательному физико-математическому моделированию особенностей формирования шва: горения дуги, ее воздействия на свариваемые кромки, плавления металла и формирования сварочной ванны, формирования структуры металла шва и ЗТВ, возникновению напряжённого состояния.
Теоретическое описание дуги обычно сводится к описыванию распределения теплового потока нормальным законом распределения, что неприемлемо в случае, когда дуга горит в зауженной разделке.
Формирование сварочной ванны определяют путем решения уравнения теплопроводности. Хотя решение этого уравнения для случая нагревания двумя дугами не является проблемой, но при многопроходной сварке непрерывно изменяется геометрическая форма кромок по мере ее заполнения. Изменение формы кромок при сварке каждого прохода традиционно определяют решением уравнения равновесия поверхности сварочной ванны, но решения для случая сварки двумя дугами для узкой разделки неизвестны.
Влияние параметров многопроходной дуговой сварки по узкому зазору на показатели качества формирования сварных соединений
Решение осуществляется за несколько шагов. Сначала в файлы выводятся первичные результаты решения, которые в дальнейшем могут быть исходными данными для продолжения решения с любого шага. Если же решение проводится не изначально, то взамен начального состояния модели вводятся файлы результатов того шага, с которого целесообразно продолжение решение.
Расчет температурного поля и напряженно-деформированного состояния проводится в связной постановке, что позволяет учесть взаимное влияние тепловых, деформационных процессов и фазовых превращений в металле сварочной ванне и шве.
Схожие приемы используются и за рубежом, при анализе остаточных сварочных напряжений [178, 179].
Приведенная на рис. 2.11 блок-схема комплекса «Сварка» и его возможности по определению зависимости сварочных напряжений от формы разделки и параметров процесса сварки подтверждают его возможности по анализу полей остаточных сварочных напряжений (ОСН) при дуговой сварке плавлением корпусных конструкций специальной техники.
Применение данного комплекса, либо схожих с ним комплексов [180, 181] существенно уменьшает объем экспериментальных исследований при определении влияния особенностей процесса сварки на напряжения в сварных конструкциях, что позволяет его применять при решении самых разнообразных прикладных задач. Основным методом определения распределений ОСН является компьютерное моделирование процесса сварки методом конечных элементов. Данный метод физико-математического моделирования позволяет не только получить распределения ОСН по всей моделируемой области, но и рассмотреть возможности и средства его перераспределения.
Методы численного решения, положенные в основу компьютерных расчетов процессов сварки, основываются на численном воспроизведении эволюции формирования сварного соединения от начала теплового воздействия дуги на свариваемый металл до образования сварочной ванны и шва. При этом за малый шаг времени учитывается динамика изменения текущих значений множества взаимодействующих между собой физических параметров, состоящих из множества точек в пространстве формирования сварочной ванны и шва, которое включает в себя газовую среду, основной и присадочный металл. Область решения уравнений модели ограничивается значениями физических параметров, которые рассчитываются либо из условия непрерывности исходных данных, либо экстраполяцией решения из области имитации на границы реального процесса [182].
На начальном этапе имитации в соответствии с конструкцией стыка, размерами деталей определяется пространственное положение зон, соответствующих металлу деталей М1, M2, присадочной проволоке Мf и защитному газу Ga. Зоны сварочной ванны Мm и закристаллизовавшегося металла Mw, а также кратера под дугой Gp, определяются в процессе решения уравнений модели. Основной задачей при этом является определение пространственного расположения поверхностей раздела сред «расплав-газ» MmnGp, «расплав-твёрдый металл» Mmn( M1uM1uMs), «расплав-газ» MmnGg. Положение поверхностей этих сред характеризуется термодинамическим состоянием вещества, которые определяются решением уравнений энергии и равновесия давлений на граничных поверхностях «расплав - газ».
При построении массива маркеров Дуд свойств среды, исходными данными являются толщины свариваемых деталей, пространственное расположение дуги и требуемые размеры сварного соединения b и h. Нумерация узлов сетки /, j, к оценивается в направлении оси дуги луча х, у , z, которая не зависит от ориентации поверхности деталей. Помимо этого массив маркеров пополняется значениями принадлежности каждого из /, j, к -узлов к соответствующей среде процесса сварки.
В процессе воспроизведения процесса сварки могут возникать и развиваться новые среды в виде расплавленного металла, кратера под дугой, кристаллизующегося сварного шва. Поэтому на основании результатов решения уравнений энергии и поверхностей ванны расположение маркеров в массиве Bijk уточняется при каждой итерации. Для всех точек i,j,k пространства определяются температура TiJtk и энтальпия Д,/ Используются множества значений теплопроводности между узлами в направлении каждой координаты №ij,h №ij,h Л- /д-Для описания распределения мощности электрических дуг на поверхности расплава МпШ используется множество значений интенсивности теплового потока qtJ =qk+qr + qf , где слагаемые теплового потока от тепловыделения в катодном пятне, столбе дуги и потока теплоты капель вычисляются по зависимостям (2.17, 2.19 и 2.23) в