Содержание к диссертации
Введение
1. Методы и основные результаты исследования воздействия быстродвижущихся теплоисточников на конструкционные материалы 9
1.1. Теплофизические характеристики электродуговых сварочных теплоисточников 9
1.2. Исследование теплового и механического воздействия быстродвижущихся теплоисточников на конструкционные материалы 21
2. Аналитический расчет границ области допустимых режимов сварки тонколистовых материалов 36
2.1. Постановка задачи 36
2.2. Вычисление границы непроваров области допустимых режимов сварки 41
2.3. Отыскание границы прожогов области допустимых режимов сварки 45
2.4. Анализ области допустимых режимов электросварки тонколистовых материалов 54
3. Экспериментальная установка для моделирования теплофизических процессов при сварке быстродвижущимся источником 68
3.1. Физическое моделирование дугового нормально-круго-вого теплоисточника 68
3.2. Экспериментальная установка для исследования воздействия быстродвижущихся теплоисточников 74
3.3. Система контроля параметров быстродвижущегося теплоисточника 83
3.4. Точностные характеристики измерительной системы . .93
4. Экспериментальное исследование воздействия электродуговых теплоисточников на низкоуглеродистые стали 98
4.1. Отыскание области допустимых режимов сварки быстро-движущимся электродутовым источником 98
4.2. Исследование геометрических характеристик зоны проплавлення при постоянной скорости сварки 107
4.3. Влияние параметров теплоисточника на геометрию зоны проплавлення при переменной скорости сварки 125
5. Идентификация энергогеометрических параметров высоко скоростной сварки тонколистовых материалов 138
5.1. Идентификация параметров моделей рабочих областей сварки тонких пластин высокоскоростным источником . . 138
5.2. Идентификация энергогеометрических коэффициентов асимптотических моделей температурных полей в тонких пластинах 144
5.3. Анализ влияния технологических и режимных параметров на адаптивные коэффициенты моделей 151
5.4. Расчет температурных полей, возбуждаемых в тонкой пластине быотродвижущимся теплоисточником по идентифицированным моделям 161
6. Исследование теплофизических процессов и оптимизация режимов электросварки тонких изделий на повышенных скоростях 170
6.1. Исследование флуктуации режимных параметров теплоисточника в условиях реальной эксплуатации 170
6.2. Анализ области допустимых режимов сварки тонколистовых материалов при наличии возмущений 182
6.3. Область допустимых режимов при сварке двумя быстро-движущимися дуговыми теплоисточниками 191
6.4. Оптимизация режимов автоматизированной электросварки кабельных оболочек 203
- Теплофизические характеристики электродуговых сварочных теплоисточников
- Вычисление границы непроваров области допустимых режимов сварки
- Физическое моделирование дугового нормально-круго-вого теплоисточника
- Отыскание области допустимых режимов сварки быстро-движущимся электродутовым источником
- Идентификация параметров моделей рабочих областей сварки тонких пластин высокоскоростным источником .
Теплофизические характеристики электродуговых сварочных теплоисточников
Исследование процессов сварки конструкционных материалов требует глубокого изучения комплекса теплофизических явлений, протекающих в зоне обработки. Экспериментальное изучение процессов энергообмена при воздействии концентрированных источников на обрабатываемый материал является основным источником получения достоверной информации о существе фактически протекающих процессов.
Наиболее фундаментальные экспериментальные результаты систематизированы и обобщены в монографиях Н.Н.Рыкалина, В.В.Фролова, В.Финкельнбурга и Г.Меккера, А.А.Ерохина, А.В.Петрова, Б.Е.Пато-на, В.К.Лебедева, Г.И.Лескова, Н.Н.Прохорова, А.А.Углова и др.
В работах / 24, 47, 93, 96, 97, 101, ИЗ, 115, 116, 139, 147, 155 / исследованы режимные и технологические характеристики процессов сварки, показатели качества, энергосиловые и теплофизичес-кие характеристики, определяющие процесс воздействия концентрированных источников энергии на материалы.
В классе всех исследований выделяются две группы направлений:
- изучение физических и технологических свойств подвижных источников энергии;
- исследование теплофизических явлений в изделии, протекающих под воздействием подвижных источников энергии.
В работах А.А.Ерохина, А.П.Шоека, В.П.Демянцевича, В.СГвоз-децкого, В.С.Мечева, В.А.Букарова, Ю.С.Ищенко достаточно подробно исследовались физические и энергетические свойства подвижных источников: максимальная мощность на оси, распределение мощности и удельной плотности теплового потока, температура активной зоны, значения эффективного и термического коэффициентов полезного действия и т.д., а также влияние режимных параметров теплоисточников на эти характеристики. Обширная библиография публикаций этих авторов до 1975 г. представлена в монографии А.А.Ерохина / 47 / и обзоре / 22 /.
Последующие работы /9, 10, 16, 25, 26, 28, 50, 51, 54, 57, 74, 78, 141 / дополнили и подтвердили полученные ранее экспериментальные результаты. Установлено / 47, 101, 139 /, что интенсивность большинства источников тепловой энергии в процессах сварки с достаточной точностью может быть аппроксимирована нормально-круговым законом
Вычисление границы непроваров области допустимых режимов сварки
Для определения границы непроваров используем теоретические решения, полученные в / 22 / в рамках задачи Стефана и учитывающие скрытую энергию фазового перехода. В / 22 / на основе асимптотических подходов построены приближенные решения для температурного поля, фронтов плавления и кристаллизации для быстродви-жущегося по поверхности тонкой пластины нормально-кругового источника тепла. Показано, что рассматриваемая задача является сингулярно возмущенной и ей соответствуют различные асимптотические описания в различных координатных областях определения решения. При X 0 поведение изотерм плавления на лицевой и корневой поверхностях пластины определяется в безразмерной форме выражением.
В уравнениях (2.10) и (2.II) ВпЛ У)\%=0 \Qnj(& ?)\м 4 безразмерные изотермы плавления на лицевой ( % = 0) и корневой ( 2= а ) поверхностях пластины; Ре T7j7 - критерий Пекле (безразмерная скорость); pQ = l-эг/ " критерий Померанцева (безразмерная мощность); J. - коэффициент теплопроводности; С -теплоемкость; Q- - скрытое тепло фазового перехода; d - толщина пластины; Л/ - коэффициент сосредоточенности теплового потока; у - скорость перемещения теплоисточника; f , L/ - ток и напряжение дуги; J - эффективный коэффициент полезного действия источника; х - Х/7Г » и = У/7Г » 2 =2/%7 - безразмерные координаты в подвижной системе координат.
В соответствии с решениями (2.10), (2.II) полуширина шва - определяется максимальным значением координаты Уш изотермы плавления на лицевой поверхности пластины, а половина ширины корня шва - - максимальным значением координаты У# изотермы плавления на корневой поверхности пластины. Задача отыскания максимальных значений координат Уш и Ум также рассмотрена в / 22 /, где показано, что она сводится к анализу систем трансцендентных уравнений, решения которых в явном виде получить не представляется возможным. Для инженерных расчетов в / 22 / получены приближенные зависимости, имеющие следующий вид
Физическое моделирование дугового нормально-круго-вого теплоисточника
Электрическая дуга с неплавящимся электродом является одним из основных источников тепловой энергии в процессах сварки конструкционных материалов / 115 /. Она занимает одно из ведущих мест по использованию в технологических процессах обработки металлов в крупнейших отраслях промышленности: металлургии, авиастроении, машиностроении, энергетике и для ее реализации создано разнообразное серийное, надежно работающее промышленное оборудование. Поэтому возьмем в качестве типового представителя источника теплового воздействия при сварке тонколистовых материалов электрическую дугу с неплавящимся электродом прямой полярности, горящую в среде инертных газов (аргон, гелий и их смеси) / 47, 159 /. Такая дуга имеет пространственное распределение мощности, близкое к нормально-круговому закону / 47, 101, 139 /.
Конкретные характеристики закона распределения мощности теплового потока зависят от типа горелочного устройства, материала и формы неплавящегося электрода, состава и расхода защитной газовой смеси, а также режимных параметров процесса /57, 75, 141, 159 /.
Дня экспериментов применялась малогабаритная газоэлектрическая горелка, в которой неплавящийся электрод I (рис.3.I) при помощи цангового электрододержателя 2 крепился в медном корпусе 3. Подача напряжения на электрод осуществлялась через водоохлаждае-мый штуцер 4. Подвод и отвод производился через штуцеры 5, 6, 7. Защитный газ в успокоительную газовую камеру 9 подавался через штуцер 10 и истекал из сопла 8. Размещение успокоительной газовой камеры между корпусом 3 и соплом 8 обеспечивало ламинарность газового потока, а также позволяло изменять путем возмущения расходом газа форму дуги.
В корпусе и сопле горелки сделаны винтовые каналы для движения охлаждающей воды, что увеличило интенсивность теплоотвода за счет развитых поверхностей теплообмена, повышения скорости движения воды и устранения застойных зон в каждом контуре охлаждения.
Подобная конструкция горелки за счет хорошего охлаждения позволила сохранять форму неплавящегося электрода в ходе проведения экспериментов вплоть до токов дуги 500 А.
Стабильность характеристик распределения теплового потока обеспечивалась газовой системой и системой водяного охлаждения, а также неизменностью геометрических характеристик электрода.
Отыскание области допустимых режимов сварки быстро-движущимся электродутовым источником
Экспериментальное отыскание области допустимых режимов воздействия быстродвижущегося теплоисточника из множества возможных значений режимных параметров теплового воздействия проводилось на описанной выше опытной установке на основе использования критерия "прожог-непровар".
За область допустимых режимов воздействия сварочного теплоисточника будем принимать область, заключенную между границей прожогов и непроваров, и рабочие технологические режимы воздействия сваривающего теплоисточника будем отыскивать в этой области, причем граничные значения режимных параметров источника будут выступать соответственно в качестве верхнего или нижнего ограничений его удельной мощности. Рассмотрим вопросы экспериментального отыскания области допустимых режимов при воздействии электродутовых теплоисточников на тонколистовые материалы при высоких линейных скоростях перемещения изделий.
Для экспериментов была выбрана низкоуглеродистая сталь 08Ю по ТУ І4-4-69-7І, относящаяся к группе углеродистых качественных сталей с нормальным содержанием марганца (05 кп, 0 8 кп, 0 8, 10 кп, 10). Эта сталь широко применяется в машиностроении для изготовления сварных и штампованных деталей, труб и других изделий.
Номинальная толщина ленты составляла 0,4 10 м. Она контролировалась микрометром и максимальное отклонение толщины от номинального значения не превышало 0,04 10 м. Контроль толщины осуществлялся периодически во время проведения экспериментов.
Перед опытами отрезки ленты шириной (55±2)10 3 м и длиной 60 3 м очищались, обезжиривались и сматывались в рулоны, которые затем по мере надобности устанавливались на барабане установки.
Затем проводилась подготовка лантанированных вольфрамовых электродов, которыми комплектовалась газоэлектрическая горелка с неплавящимся электродом, применяемая в опытах для моделирования нормально-кругового теплоисточника. Каждый электрод затачивался на конус с заданным утлом при вершине, притуплялся до нужного диаметра и полировался. Подготовленный электрод устанавливался в горелочном устройстве и с помощью измерительных щупов контролировались вылет электрода из сопла сэ и расстояние от торца электрода до изделия с . Предварительные значения параметров заточки электродов и значения сэ и выбирались с учетом априорной информации об изучаемом процессе в соответствии с целями эксперимента. Их значения представлены в табл. 4.1.
Проведение экспериментов состояло в изменении величины тока дуги в сторону увеличения до появления прожогов и в сторону уменьшения до появления непроваров при фиксированном значении скорости теплоисточника. При этом с помощью измерительной системы на базе светолучевого осциллографа Н 041.У4.2 регистрировались: ток дуги, напряжение на дуге, отметки синхронизации и отметки времени через 0,1 с. Скорость движения диаграммы регистрирующего прибора задавалась равной 4»10 2 м/с.
Идентификация параметров моделей рабочих областей сварки тонких пластин высокоскоростным источником
Одним из важнейших условий, необходимых для обеспечения качественного протекания процессов сварки, является стабильность режимных, технологических и геометрических параметров. В реальных производственных условиях параметры процесса претерпевают различные случайные изменения своих значений, которые приводят к нарушению нормального протекания процесса и отрицательно сказываются на качестве сварного соединения и производительности сварки /38/.
Оценить влияние случайных воздействий на протекание процессов энергообмена можно на основе стохастического уравнения теплопроводности случайные функции времени и координат, отвечающие соответственно вектору скорости, функции тешювложения и начальной температуре. Случайные воздействия, входящие в уравнение (6.1), разделяются на линейно входящие в уравнение - аддитивные шумы, и нелинейно входящие в уравнение - параметрические шумы. К аддитивным шумам относятся флуктуации мощности теплоисточника и начальной температуры, к параметрическим - колебания вектора скорости.
В работе было проведено экспериментальное исследование реальных возмущений по мощности источника и скорости его перемещения. Временные флуктуации мощности и скорости движения теплоисточника изучались на основе методов пассивного эксперимента. При этом принималось, что другие технологические параметры (теплофи-зические свойства материалов подвижного и неплавящегося электродов, форма заточки, толщина материала изделия и состав газовой защитной атмосферы, а также начальная температура изделия) детерминированы и постоянны.
Экспериментальное исследование проводилось на промышленном сварочном стане "Юнивема 70/80", предназначенном для изготовления сварных металлических защитных оболочек (гладких и гофрированных) для кабелей дальней связи и городской телефонии.
Осуществлялась сварка оболочки кабеля ТПСШп с числом пар жил 609 из стали 08Ю толщиной 0,5.10 м неплавящимся вольфрамовым электродом в среде гелия. Анализировались возмущения режимных параметров сварки, определяющие флуктуацию линейной скорости перемещения изделия 1? и изменение мощности теплоисточника: силы тока дуги J . напряжения на дуге U/ , напряжения источника питания дуги U& и длины дуги .
