автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Прогнозирование качества формирования однопроходного шва при сварке плавящимся электродом в защитных газах на основе математического моделирования

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. К.Э. ЦИОЛКОВСКОГО

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ФОРМИРОВАНИЯ ОДНОПРОХОДНОГО ШВА ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ В ЗАЩИТНЫХ ГАЗАХ НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность 05.03.06 -"Технология и машины сварочного производства"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ОД

На правах рукописи

УДК 621.791.01

ИВАНОВ Андрей Вениаминович

Москва 1996 г.

Работа выполнена в Тульском государственном университете.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

СУДНИК В.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

МАКАРОВ Э.Л. кандидат технических наук, старший научный сотрудник ПАНЮХИН А.В.

Ведущее предприятие - Тульский научно-исследовательский технологический институт

Защита диссертации состоится * 25 ' июня 1996 г. на заседании специализированного Совета К063.56.05 в Московском государственном авиационном технологическом университете им. К.Э. Циолковского по адресу: 103767, Москва, К-31, ул. Петровка, 27.

С диссертаций можно ознакомиться в библиотеке университета.

Ваши отзыв на автореферат, заверенный печатью организации, просим выслать по адресу: 103767, Москва, К-31, ул. Петровка, 27, МГАТУ им. К.Э. Циолковского, Ученому секретарю Специализированного Совета К 063.56.05.

Автореферат разослан "_" мая 1996 г.

Ученый секретарь ^

специализированного Совета / а /кандидат технических наук К 063.56.05. , / ЙМУ Е.В.Никитина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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

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

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

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

Научная новизна. 1. Показано, что при описании источника теплоты в граничных условиях трехмерной квазистационарнон физико-математической модели формирования шва при сварке плавящимся электродом стыковых однопроходных швов необходимо учитывать коаксиальные тепловые потоки дуги и электродных капель с соответствующим11 эффективными КПД и радиусами нагрева.

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

3. Получены расчетно-экспериментальные зависимости эффективных радиусов на1рева дугой и каплями для проволок диаметром 0,8-1,2 мм в С02, а для смеси Лг+С02 с учетом области струйного переноса.

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

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

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

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

Публикации. Содержание работы отражено в 15 публикациях.

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

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрены состояние вопроса, цели и задачи работы. При сварке тонких листов (0,5-5 мм для однопроходного шва по ГОСТу 14771-76) на весу возникают типичные проблемы, связанные с реакцией процесса на отклонения параметров режима и приводящие к дефектам шва типа непровара или прожога. Современные требования, в частности, европейский стандарт EN 729 "Обеспечение качества сварки плавлением" ставит перед инженером по подготовке производства задачи, решение которых получают эмпирически, с помощью ЭС нлн математических моделей.

Процесс МАГ-сварки для типичных применений хорошо опнеан в работах U.K. Походни, А.Г. Потапьевского, А.Е. Аснис, В.А. Ленивкина, Н.Г. Дюргерова, Х.Н. Сагнрова, J. Lancaster, Н. Pomaska, R. Killing н др.

Но выбор параметров режима для заданной формы шва требует каждый раз затрат труда и времени. После статистической обработки данных появляется возможность прогнозирования формы шва, однако такой метод работает в пределах варьирования факторов (К. Torn, С.Г. Дубовенкнй и О.Г. Касаткин, В.Е. Кривошея и A.C. Бабкин и др.). Эмпирические формулы не содержат информации о важных параметрах процесса, например, о вылете электрода. Другой причиной неточности подобного прогноза является неучет места (на горелке или источнике) измерения напряжения.

Новым методом прогнозирования при технологической подготовке производства является применение ЭС, в которых знания специалистов запоминаются в определенной области сварки. С помощью этих знаний и банков данных появляется возможность решать специфические сварочные задачи в диалоге с ЭВМ (А. Kühne, J.-Y.Park и др.). Однако сварочный процесс остается, по прежнему, "черным ящиком".

Детерминированные модели МАГ-сварки разработали A.M. Попков, К. Tsao, S. Wu, E.Pardo, D. Weckmann, B.A. Судник, B.A. Ерофеев и др. Однако, в них не учтены взаимосвязи между явлениями в плавящемся электроде, определяющие распределение теплоты дуги и капель, а также между параметрами режима сварки и характеристиками душ (эффективными КПД процесса сварки, сосредоточенностью дуги и капель), роль зазора между деталями в перераспределении мощности и другие факторы.

Для анализа процесса МАГ-сварки и прогнозирования качества шва ФММ должны позволять решать следующие задачи:

1) расчет электрических параметров дуги, зависящих от напряжения холостого хода, сопротивлений источника питания и сварочных кабелей, типа защитного газа, скоростей сварки и подачи проволоки, ее диаметра и вылета, а также распределения энергии дуги, поступающей в детали;

2) расчет размеров и формы шва, а также его дефектов (непровара, прожога, превышения допустимых выпуклостей шва и его корня, глубины подреза) для заданного материала и толщины листов с учетом зазора, возможной подкладки с формирующей канавкой и сварочных параметров;

3) определение допустимых областей изменения параметров сварки заданного материала, внутри которых обеспечивается формирование шва без прожога и непровара для токов л напряжений, рассчитанных из ВАХ дуги.

Во второй главе описана разработка модели энергетических и вольт-амперных характеристик дуги плавящегося электрода.

Описание дуги в граничных условиях дифференциального уравнения теплопереноса при сварке обычно приводится в рамках закона нормального распределения плотности потока энергии, если известны эффективный КПД нагрева г| и коэффициент сосредоточенности теплового потока к. К тепловому потоку дуги qd при МАГ-сварке добавляется тепловой поток капель qK электродного металла, который также распределен по нормальному закону. Таким образом, необходимы знания о распределении двух

потоков теплоты, т.е. соответственно о двух эффективных КПД т)д и и двух коэффициентах сосредоточенности кд и кК.

Различие длин дуги, диаметров электрода с!п, составов защитной смеси, вылетов электрода '¿к, длин кабелей и др. обусловливает целесообразность построения модели энергетических и вольтамперных характеристик дуги.

В основу модели положен баланс напряжений холостого хода источника ио и падений напряжения на его внутреннем сопротивлении Яи, в кабелях Ию на вылете электрода Ке длиной Zв, в анодной 1Га и катодной С/к областях, в столбе дуги ЕЕд длиной а также на сопротивлении Кт1 "проволока- токоподвод"

и0-1с*Ки= исе =иа+ик +Е7.6+1св(Кв +Кпт) . (1)

Если известны сварочный ток и напряжение, то скорость подачи проволоки вычисляется

, 1св(Цд,эф ^^в^св) Цд.эф . Яэ -2

~ с, ГТ ~ с иг 77■ 14)

р Б3НЭ БэрНэ БэрНэ

Сопротивление вылета определяется

1

Лв= —/Рэ (Н)й2, (3)

э О

где р - плотность, г/см5; р.,(Я) - удельное электросопротивление электрода, кусочно-линейно зависящее от энтальпии.

Энтальпию нагрева капель электрода Н3 принимали возрастающей от ее значения для расплавленной стали («1300 Дж/г) до значения (1900 Дж/г) при критическом токе перехода к струйному переносу и постоянной выше него. Зависимости иазф, икэф и напряженности поля столба дуги Е от плотности тока и состава смеси аппроксимировали по литературным данным полиномами, форму которых выбирали с учетом физических соображений. Зависимость градиента потенциала смеси от доли псо2 описывается

Е(3) = ЕЛг(3) + \ЕС02 (3) - КАг(3)\ ех^-5пСо2 ) (4)

Падение напряжения в сварочных кабелях и токоподводе к изделию составляет около 2... б В, поэтому для анализа теплофизическнх процессов в свариваемых деталях рекомендуется использовать только значение сварочного напряжения £/„, рассчитываемого (измеряемого) на токоподводе к электродной проволоке. Напряжение источника не учитывает падения в кабелях и приводит к завышению мощности, а напряжение дуги не измеряется на практике и не учитывает падения в вылете электрода.

Соотношения 1=/,(илэф. С/Кзф, Я,), 1/лзф =/2(1), иКзф =/3(1), К,=/<(!) взаимозависимы 1= ¡¡(/2(1), /¡(I). /<¡(1)). и решение системы уравнений находили численным итерационным путем.

Расчетные значения сварочного напряжения исв при коротких замыканиях (КЗ) выше измеренных вольтметрами магнитоэлектрической системы и равны им при струйном переносе (СП). В модели £/„ умножается на ко-

эффициент K=l-tK /(/<, +tK ), где tK и td - длительности КЗ и горения дуги. Коэффициент К изменяется в пределах 0.8-0.9 при КЗ и равен 1 для СП.

Пример рассчитанных ВАХ дуги и источника питания, а также зависимости скорости подачн проволоки vm от 1„ показан на рнс. 1. Так как длина дуги при МАГ-сварке не постоянна, ВАХ строили для области длин дуги (0.75-l.5)dn.

На основе энергетической модели разработан программный модуль MAGARC для ЭВМ типа IBM PC по расчету и визуализации ВАХ источника питания и внешнего контура цепи сварочной дуги МАГ-сварки.

а) и, в

vnn.

м/мин

11 | о о .

4 | О: ""zga..... : Ш-: 3 ! ¡Р" l

! • ШИ^ о-Р-" ; 1

б)

ISO 200 leb,А

Рнс.!. Зависимости напряжения дуги (I), источника питания (2) и скорости подачи проволоки (3) от тока для смеси Аг+18%С02 при d„= 0,8 мм

(а) и 1,2 мм

(б); □, о - эмпирические данные фирм Closs и SLV München; напряжение, измеренное на источнике тапия (х) и сварочной релке (+)

пина го-

250 зоо Icb.A

При допущении о том, что при энергия столба дуги рассеивается в окружающую среду, и при сварке на обратной полярности теплота нагрева электрода и анодной области дуги идет на повышение энтальпии капель, а теплота катодной области дуги - свариваемых изделий, эффективный КПД дуги т)яф разделяем на эффективные КПД теплопереноса каплями т]к и нагрева дугой

иа,эф+1сеКэ икэф+Е2д2 Е7.Ь1 л«г=—77-; Пд=—тт-; = (5)

исе исв исе

где 7.Щ и Т.д2 - длины внешней (видимой) и скрытой (невидимой) составляющих столба дуги.

Суммарный эффективный КПД источника теплоты МАГ-сварки в смеси Аг+С02 (без учета заглубления дуга в кратере) в диапазоне токов 50...360 А изменяется в пределах 70...85 %, а доля переноса теплоты каплями изменяется в пределах 30...50 % (рис. 2).

Т],%

80

во

40

20

О 50 ХОО 150 гоо 250 ЗОО 1сЕ>,А

Рис.2. Области зависимостей и Г], от /с, в диапазоне дани дуг 1 ... 2 мм проволок 0 1,2 мм (смесь Аг+2ИоС02 , заштрихована) и 0 0,89 мм (смесь Аг+8%С02), а также сопоставление с экспериментальными данными (□ - \Vatkins; • - Во5\уог1)

В третьей главе описаны ФММ формирования шва при МАГ-сварке и ее численная реализация. Квазнстационарное состояние металла при сварке описывается уравнением энергии в декартовой системе координат с центром, совпадающим с осью дуги и движущимся со скоростью сварки:

аи

русв~ = с1п[ЫТ)&гас1Г\ (6)

где скорость сварки, см/с; х - координата вектора скорости сварки, см; Н - энтальпия, Дж/г; X - коэффициент теплопроводности, зависящий от температуры, Вт/(см град), Т - температура,°С. Для учета конвективных потоков теплоты в сварочной ванне коэффициент теплопроводности расплава повышали в гк раз, который принимали равным ък = >./2-Г/Г).

Тепловой поток источника в граничном условии учитывает теплоту катодного пятна дуги п анодных капель. Эти потоки коаксиалыю и нормально распределены. Общая мощность дуги (?0 разделяется на поверхностную <2п и попадающую в зазор шириной Ь, причем поверхностная мощность включает долю мощности капель (¿к

кгд > • * '

Для зазора принято нормально-полосовое распределение. Граничные условия па внешней поверхности свариваемых листов учитывают также теплообмен путём конвекции, излучения и испарения

, дТ Зг\а()„ , аг хг;

гд /

+ —-2 к ехр

■кг.

-А

к \ 'к;

(9)

-а 0(Т)(Т-Г0)-даех^-^

где г - расстояние от оси источника, см; - коэффициент потерь на разбрызгивание и угар электрода; а0 - комбинированный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением, Вт/(см2град); ди - тепловой поток испарения, Вт/см*; #„ - энтальпия испарения, Дж/г; Т0 - температура среды, °С. На нижней поверхности листов справедливы следующие условия

-Х^ = -„а0(Т)(Т-Т0) (10)

&

где п - коэффициент, учитывающий в случае подкладки теплоотвод в нее.

Теплофнзнческне свойства для класса низколегированных сталей принимали температурно-зависимыми в виде кусочно-лннейных функций.

Формы верхней Zs и нижней Z„ поверхностей сварочной ванны задавали в виде Z=Z(x,y) и для сквозного проплавления находили из решения дифференциальных уравнений

о(Т)сИу -±1=-р§гв+Р(г)+Рп(Т) = Т ;

41+(угв)2

(п)

-ст (Тфу—Ь^-кг» = г,

где а - поверхностное натяжение, мН/см; <7 - ускорение силы тяжести; Р(г) и Р„(Т) - давления дуги и отдачи паров, мН/см'; Г - постоянная, определяемая из условия сохранения массы расплава с учетом поперечной усадки В и площади сечения наплавленного металла,

ее ен „,¡2,,

+ = (12) о о "*1св

где е, и <?,, - ширина шва сверху и снизу.

Давление дуги определяли согласно выражению Н.Г.Дюргерова и др.

'с

(13)

а

где гс - эффективный радиус силового потока дуги, см; 6 - угол при вершине в конической модели дугн.

Давление отдачи паров определяли из соотношения Рп - -АГГ-В^Т+й где А, В я £>-термодинамические коэффициенты.

Граничные условия уравнений равновесия давлений для расчета поверхностей сварочной ванны задавали по объемному контуру контакта жидкого и твердого металла, учитывая, что в головной части ванны силовое воздействие дуги обнажает твердый металл, '¿(х,у) = 0 при 7.(х,у)>7,ь(х,у) и 2(х,у) = 20(х,у) при 2(х,у) <20(х,у), где 20(х,у) -поверхность раздела жидкой и твердой фаз. В хвостовой части ванны, исходя из условия параллельности затвердевающей поверхности, принимали граничное условие д7.(х,у) /Эх = 0.

Для численного решения дифференциальных уравнений теплопереноса и гидромеханики ванны использовали метод конечных разностей. Область моделирования, представляющая собой половину высокотемпературной области сварки, покрывали сеткой с размерами сторон Их, 1гг Иг. Аппроксимацию нелинейного уравнения энергии проводили по монотонной консервативной схеме сквозного счета, концепция которого состоит в сведении трех уравнений энергии, описывающих теплоперенос в твердой, твердожндкой и жидкой фазах, к одному уравнению с анализом положения границ раздела и изменением коэффициентов и потоков для соответствующих зон. Разностная схема этого уравнения реализована с помощью метода прогонки. Граничные узлы области решения уравнений равновесия давлений на поверхностях сварочной ванны - элементы ближайших к ней узловых точек с температурами ниже температуры плавления сплава.

Уточнение эффективных радиусов модели в зависимости от параметров режима сварки, состава защитной смеси, диаметра и вылета электродной проволоки, наличия зазора, медной подкладки и формы канавки для формирования корня шва проводили путем сопоставления с данными натурных опытов. Эффективные тепловой радиус МАГ-дуги гд и радиус разлета капель электродного металла гк получили из серии вычислительных экспериментов по подбору их значений, при которых расчетные размеры соответствовали данным натурных макрошлифов. После проведения 37 вычислительных экспериментов нх результаты обрабатывали по правилам регрессионного анализа и получили следующие зависимости (рис. 3):

-для СО2

в

■ для смеси Ar+18%COz :

r^i^+Zjg

1.79-7.11

ZndM\ f ¡-25тд при КЗ ¡0.31J; r* = W.65rd при СП'

(15)

В области критического тока 1К перехода от КЗ к СП гк аппроксимировали выражением

гк = гд

(17)

а)

б)

Г, см 1.25

1.0

0.75

0.50

0.25

I

О. Вт/си2 4000

3000

2000

1000

— [Дуга |

-;Капл1 1 jrft/T.. --i--i--i

/

Z/Л.........

i j i i i i

50 100 150 200 250 300 1св. Й

1св-255 А Ucb-27 В

Iев"100 А UCB= 19 В //

Рис.3. Зависимости Те (пунктир) н г* (сплошные линии) дуги длиной 1 мм от тока (а) и распределение теплового потока дуги и капель электродного металла при соответствующих параметрах. МАГ-сварки в смеси Аг+18%С02 проволокой 0 1 мм, вылетом 12 мм для случая переноса с КЗ и СП (б)

На базе созданной ФММ была реализована компьютерная программа MAGMODEL по численному расчету формирования стыкового шва на языке программирования Паскаль в среде BorlandPascal. Программа функционирует на персональных ЭВМ типа IBM PC/AT с сопроцессором, требуемая оперативная память не менее 300 кб.

Оценку адекватности модели по 5-ти размерам шва, включая глубину подреза, и появлению прожогов проводили по соответствию расчетов собственным экспериментальным данных, в т. ч. проведенных совместно с Институтом сварочных технологий, Ахен, ФРГ (рис. 4), а также данным фирмы SLV München (рис. 5) и данным технологической лннейки фирмы Messer-Griesheim. Погрешность расчетов составила не более 15 %.

Рис. 4. Сопоставление натурного (слева) и расчетного (справа) шлифов шва пластин толщиной 2,7 мм ф=0.1 мм) при 1С,=130 А; ис,=15.3 В; V„=2<? см/мин; <И„=1 мм; мы; газ -

Аг+18%С02

Рис. 5. Сопоставление натурного (слева) и расчетного (справа) шлифов сварного шва пластин толщиной 3,0 мм (Ъ-1 мм) при /„ = 250 А; 1ГС, =24.5 В; гс,=80 см/мин; <¡„ = 1 мм; г, = 10 мм; газ - Аг+18%С02

В четвертой главе описаны практические возможности прогнозирования качества формирования шва и выбора параметров режима сварки на основе анализа процесса. Применительно к рассматриваемому вопросу прогнозирование направлено на выявление областей параметров режима, при которых обеспечивается бездефектное формирование шва.

На основе ФММ формирования шва и ВАХ было разработано программное обеспечение МЛ0Б1М для анализа, оптимизации и диагностики МАГ-сварки1. Структура программы МАйЗЧМ основана на концепции решения задач анализа параметров режима, соответствующих требованиям качества МАГ-сварки стыковых швов тонколистовых соединений в нижнем положении, и включает описание: сварочной задачи (толщина листов, теплофнзические свойства, требуемое качество шва); установки (сопротивления источника питания и сварочных кабелей, место измерения напряжения, диаметр и вылет электродной проволоки, тип защитного газа) и технологических условий (ширина зазора, наличие и форма защиты обратной стороны шва, температура детали). При расчетах учитываются около 15 параметров.

1 Разработано совместно с проф. д.т.н. Судником В.А. н асп.Мокровым O.A., а также с коллегами из Инспггуга сварочных технологий, Ахен, ФРГ проф. д-ром Дилтай У., д-ром Хабеданком Г. н ннж. Райхелем Т. Личный вклад автора состоит в разработке энергетической, термической и гидростатической моделей, а также алгоритма модуля "Анализ".

Возможности модуля "Анализ" по расчету формы сварочной ванны и шва с оценкой качества по ГОСТу 14771-76 и Евростандарту ЕЫ 25817 представлены на рис. 6. Приведены результаты расчета ширины шва и его корня, выпуклостей сверху и снизу, проплавления и глубины подреза, погонной энергии и скорости подачи проволоки, а также термического цикла сварки и оценки качества. Моделирование произведено для низколегированных стальных пластин толщиной 3 мм с зазором 1,5 мм проволокой диаметром 1 мм при вылете 12 мм в среде Аг+18Р/оС02 (сила тока 262 А, напряжение 27 В , скорость сварки 100 см/мин).

1 п| Ч 1.67В ЛНАЛ43 Тё>№ер&т</рйые Ц1кдм ¿варки: ТСХД

.....>................:.......¿.т-сХчЮ.з

| у |

Ширима и*« сверху, мм =9.1 Вирииа корня шва« пп =4.4

Вмпун/икть ПМ{ т = 0.9

Вмп»кдость коркк шва,, т = 1.1 Глубина проплавления« им = 3.0 -Гиэбина подрваа» • . т = 0.59 Нмряшн .х<м.хоАа( " в' « 33,3. Погонная онергмя1 нД*/Сн л 4.21 Скорипвдм^^

При г .

Групп качества Евроиорн гзв1?;. »««»««>►■ Ь^ЩЫ Подярав ■ ГОСТ 14771-76-вис».саер. . Вмп.свер. ВЁ^ЙЯ Шир.норил , 1 пя „ 1 Вил«кормя [ 1 Под»«»

- - ^ ■

1

Выверите действие, н*жаа команд» лаа .клав. Мышм

Рис. 6. Твердая копия экрана после моделирования в режиме "Анализ" с представлением рассчитанных размеров шва и их анализа

Программное обеспечение может служить инструментом инженера-технолога при исследовании и проектировании технологии МАГ-сваркн. Пользователь имеет возможность изучать влияние параметров сварки на ее результаты, например, влияние диаметра электрода, состава защитного газа, вылета электрода, наличия формирующей подкладки и др. при прочих равных условиях (рис. 7).

а)

0 = 1.2 мн

б)

юо й сог

0 = 1.0 ни

82%Аг * 1855СОз

0 = 0.8 ми

92%Аг ♦ 854С02

в2ХАг* 1854С02

32%Аг+ 8«СС>2

Г)

гк-20ми, 1-270 А

гк-15мм, 1-295 А

гк-Юми. 1-325 А

^ШУУтт-ШТЛ

Рис. 7. Зависимости формы шва при сварке листов толщиной 3 мм из нелегнро-ванной стали с зазором 1 мм при изменении: а) диаметра проволоки (защитный газ Аг+18%С02, /„ = 250 А, ис, = 24 В, = 72 см/мин, 14 мм); б) защитного газа при сварке дугой с короткими замыканиями (/« = 195 А, 1/с1 ~ 22 В, у„ = 50 см/мин, = мм, = 14 мм); в) защитного газа при сварке дугой со струйным переносом (/ е, = 250 А, и С4 ~ 25 В, \С1 = 80 см/мни, <1„р - 1.2 мм, Хк = 14 мм) и г) вылета (Лг+18%С02, V „, = 8,8 м/мнн, ис, = 29 В, у„ = 100 см/мин, = мм).

При расчете металлургических процессов в шве важна информация о долях основного и присадочного металла. Ее обычно получают из макрошлифов поперечных сечений шва, зная разделку кромок, что достаточно трудоемко. В настоящей работе впервые показана возможность расчетного определения этих долей при сварке плавящимся электродом.

Под дефектами формирования шва понимают любые отклонения формы и размеров (ширины шва и его корня, усиления шва и его корня, глубины подреза) от заданных стандартами. К недопустимым относятся: непровар, прожог, подрез, выход размеров (ГОСТ 14771-76) или их соотношений (евростандарт БЫ 25817) за допустимые пределы.

Прогнозирование дефектов требует учета в ФММ критериев их возникновения. Такие критерии были разработаны В.А.Судником применительно к образованию прожога и подреза. Подрез является одной из естественных форм шва при дуговой сварке. Расчетная глубина кратера зачастую оказывается равной термической глубине проплавлення, что свидетельствует о полном вытеснении расплава со стенок ванны. Если зона кратера захватывает сечение, в котором начинается кристаллизация, то фиксируется профиль, формирующий подрез.

При расчете процесса сварки на весу необходимо выявлять возможность появления прожога, что фиксируется количеством перегибов на профиле нормального сечения нижней поверхности ванны. В.А.Судник установил, что появление первой перегибной точки является необходимым условием безопасной потерн устойчивости поверхности, а второй - достаточным условием возникновения прожога. Условие потерн устойчивости поверхности обратной стороны сварочной ванны выявляется так:

¿гг21ду2 =о, (18)

где - поверхность ванны, 2=2(х,у); у - поперечная координата.

Условия появления таких дефектов предположительно не зависят от способа сварки, поэтому анализировали точность их выявления математической моделью МАГ-сварки. Для этого проводили автоматическую сварку на весу листов толщиной 2 мм из нелегированной стали проволокой диаметром 1,2 мм в смеси Аг+18% С02. Использовали также данные японских авторов (X. Фуджита и др.) по оценке критической толщины (в мм) наступления прожога при проплавлешш листа клинообразного сечения:

5 = 4.3т/(ж Ус.ш) (19)

где а - поверхностное натяжение, дин/см.

Для оценки адекватности модели по определению прожога проводили сопоставление расчетных и эмпирических данных (рис. 8).

Рис. 8. Границы возникновения прожога при сварке листов толщиной 2 мм из нелегированной стали по экспериментальным (толстая линия) и расчетным (тонкая линия) данным. Пунктирная линия - данные японских авторов

Разработанная модель позволяет определить границы области параметров режима, внутри которой происходит бездефектное формирование шва. Одна из границ определяется как переход от непровара к сквозному

проплавленню, другая - наступление прожога в случае сварки на весу или оголения медной подкладки при сварке на ней.

Двухмерные рабочие области охватывают диапазон допустимого изменения сварочного тока II скорости сварки, а сварочное напряжение выбирается по соответствующей ВАХ для средней длины дуги, например, равной диаметру электродной проволоки. Пример расчета таких областей для случая сварки стальных пластин толщиной 2 мм проволокой 01,0 мм с вылетом 12 мм в различных защитных средах приведен на рис. 9.

U,

Clí/ttltH

275 250 225 2О0 175 150 125 1.О0 75 50

го

60 ВО IDO 120 140 160 180 2QO 220 240 I.ft

Рис. 9. Области бездефектного формирования шва при сварке стальных пластин толщиной 2 мм проволокой (21,0 мм с вылетом 12 мм в С02(\), смеси Лг+18°-оС02

(2) и смеси Лг+8%С02(3)

Из рис. 9 можно сделать вывод, что при сварке в смесях с аргоном качественный шов формируется при более низких скоростях сварки, что объясняется отсутствием прожога за счет большей силы поверхностного натяжения сварочной ванны. Рассчитаны также области бездефектного формирования шва в зависимости от толщины листа, величины зазора, диаметра проволоки, вылета электрода, типа защитного газа н температуры листа.

Такие области могут использоваться при программировании технологических каналов дуговых сварочных роботов.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В известных детерминированных моделях сварки плавлением не учтены взаимосвязи между явлениями в плавящемся электроде, определяющие распределение теплоты дуги и капель, а также между параметрами процесса н характеристиками дуги (КПД, эффективными радиусами дуги и капель), роль зазора между деталями в перераспределении мощности и другие факторы.

2. На основе баланса напряжений н закона сохранения энергии построена энергетическая модель контура сварки плавящимся электродом в смесях активных газов, позволяющая по исходным технологическим данным (напряжению холостого хода, внутреннему сопротивлению источника, параметрам кабелей, диаметру и вылету электродной проволоки, составу защитного газа) рассчитывать выходные операционные параметры (сварочный ток, сварочное напряжение и коэффициент расплавления) и их энергетические характеристики (эффективный КПД дуги и долю теплоты капель), необходимые для теплофизических расчетов формы и размеров шва, а также зоны термического влияния.

3. Для анализа теплофизических процессов в свариваемых деталях рекомендуется использовать значение сварочного напряжения, рассчитываемого (измеряемого) на токоподводе к электродной проволоке, в противоположность напряжению источника, не учитывающему падения в сварочных кабелях, и напряжению дуги, на практике ие измеряемому и не учитывающему падения в вылете электрода.

4. На основе эмпирических данных по параметрам дуг стальных плавящихся электродов типа Св08Г2С диаметром 0,8, 1, 0 и 1,2 мм в С02 и в смесн с А г получены расчетно-экспернментальные зависимости градиента потенциала столба дуги, эффективных анодного и катодного падений напряжения, а также предложена формула расчета градиента потенциала смеси Аг+С02 в зависимости от относительной доли С02 в ней.

5. На базе энергетической модели построены рабочие области ВАХ дут длиной 0,5—2 мм плавящихся электродов типа Св08Г2С диаметром 0,8, 1,0 и 1,2 мм в С02, а также в смесях Аг+18"ЛС02 и Аг+8%С02 с учетом областей струйного переноса.

6. На базе энергетической модели разработана программа MAGDUGA для персональных ЭВМ типа IBM PC по расчету и визуализации ВАХ источника питания и внешнего контура цепи сварочной дуги плавящегося электрода в смесях активных газов, а также параметров режима сварки.

7. При допущении о том, что при сварке на обратной полярности теплота нагрева электрода и анодной области дуги идет на повышение энтальпии капель, а теплота катодной области дуги - свариваемых изделий, рассчитаны значения эффективного КПД, включающие доли электродных капель и катодной области дуги и необходимые для граничных условий решения теплофизической задачи. Показано, что эффективный КПД источника теплоты МАГ сварки (без учета заглубления дуги в кратере) в

диапазоне токов 50...360 А изменяется в пределах 70...85 %, а доли переноса теплоты источника каплями изменяются в пределах 30... 50 %.

8. Разработана трехмерная квазистацпонарная ФММ формирования шва при МАГ-сварке стыковых однопроходных швов на весу или на подкладке, учитывающая в граничных условиях распределенные тепловые потоки дуги и электродных капель с соответствующими эффективными КПД и радиусами и позволяющая решать задачу расчета размеров шва по исходным данным детален (марке стали, толщине листа), источника (напряжению холостого хода, параметрам кабелей, составу защитного газа, диаметру проволоки и ее вылету), технологии (зазору, температуре листов, наличию подкладки и форме се канавки) и операционных параметров (скорости сварки, сварочному напряжению и скорости подачи электрода или току).

9. Показано, что с учетом заглубления дуги в кратере ее эффективный КПД возрастает на 5...8 %.

10. Получены расчетно-экспериментальные зависимости эффективных радиусов нагрева дугой и каплями электродного металла для проволок диаметром 0.8, 1.0 и 1.2 ММ в С02, а для смесей Аг+С02 с учетом области струйного переноса.

11. Определены области адекватности модели МАГ-сваркн в С02 и смесей Лг+С02 проволоками диаметром 0.8, 1.0 и 1.2 мм листер нелегиро-ваннон стали толщиной от 0.5 до 5 мм па весу и на подкладке с формирующей канавкой (или без нес), оцениваемые по соответствию компьютерных "макрошлифов" поперечных сечений реальным макрошлифам и показано, что погрешность расчета не превышает 15 %.

12. Разработан модуль анализа процесса МАГ-сваркн и визуализации его результатов к программному обеспечению MAGSIM для персональных ЭВМ.

13. Проанализированы зависимости размеров шва от состава защитной смеси Аг+С02 и показано, что с увеличением доли Аг проплавляющая способность МАГ-дугп при сварке с короткими замыканиями уменьшается, а при струйном переносе возрастает.

14. Разработан алгоритм решения задачи построения допустимой области изменения операционных параметров сварки для заданных толщины листа, величины зазора, диаметра проволоки, вылета электрода, типа активного газа и температуры листа, заключающийся в определении критических скоростей образования прожога и непровара для токов и напряжении, рассчитанных из соответствующей ВАХ дуги.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Иванов A.B. Математическая модель формирования шва при сварке плавящимся электродом // Тезисы докл. научн.-техн. конф. "Математические методы и САПР в сварочном производстве". Свердловск: Уралмаш, 1990. С. 70-71.

2. Судник В.А., Иванов A.B. Подсистема "Формирование шва при МИГ/ МАГ сварке" для прогнозирования качества в САПР и экспертных системах // САПР и микропроцессорная техника в свароч. пр-ве. М.: МДНТП, 1991. С. 71 -77.

3. Судник В.А., Иванов A.B. Энергетическая модель МАГ-дуги в защитной смеси Аг+СОг // Физика дуги и источники питания. Киев: Межд. ассоциация "Сварка", 1992. С. 24- 25.

4. CAD Simulation des MAG-Sdiweißprozesses. Computergestützte numerische Berechnung von Nathausbildung und Einbrand / U. Dilthey, W. Sudnik, G. Habedank, A. Iwanow // Schweißtechnologische Beratung am Computer. Software-Workshop 26-28.03.1992. Rostock: Universität,

1992.

5. Судник B.A., Иванов A.B., Мокров O.A. Построение области допустимых значений МАГ-сварки II Высокие технологии в машино- и приборостроении. М.: ЦРДЗ,

1993. С. 23.

6. Numerische Simulation des Metall-Aktivgassdiweißprozesses / U. Dilthey, G. Habedank, T. Reichel, W. Sudnik, A. Ivanov // Schweißen und Schneiden, 1993. № 3. S. 148-153.

7. MAGSIM: Anforderungsgerechtes MAG-Sdiweißen von Dünnblechteilen mit Unterstützung durch Computersimulation / U. Dilthey, T. Reichel, W. Sudnik, A. Ivanov, O. Mokrov, G. Ilabedank II Schweißtechnische Software. Düsseldorf: DVS-Beridit. № 156, 1993. S. 87-91.

8. Судник B.A., Иванов A.B., O.A. Мокров. Численный анализ, оптимизация и диагностика МАГ-сварки // Современные проблемы сварочной науки и техники: Тез. док меяэд. научно-техн. конф. Ростов-на-дону: РГТУ, I993.C. 103-104.

9. Судник В.А., Иванов A.B., Мокров O.A. Расчет долей основного и присадочного металла шва для прогнозирования металлургических процессов сварки // Металлургия и технология современных процессов сварочного производства: межд. научно-техн. конф., М.: ЦРДЗ, 1994. С. 79-83.

10. Судите В.А., Иванов A.B. Математическая и компьютерные модели источника теплоты при МАГ-сварке в газовых смесях // САПР н экспертные системы в сварке. Тула: ТулГТУ, 1995. С. 108-118.

11. Судник В.А., Иванов A.B. Энергетические характеристики источника теплоты д>товой сварки плавящимся электродом в газовых смесях II Современные проблемы сварочной науки и техники. Пермь: Перм! "ГУ, 1995. С. 182-186.

12. Судник В.А., Иванов A.B., Мокров O.A. и др. Программное обеспечение MAGSIM для анализа, оптимизации и диагностики процесса сварки тонколистовых соединений плавящимся электродом в активном газе // Сварочное производство. № 3, 1995. С.19-24.

13. MAGSIM - Computer Simulation ofthin shect MAG-Welding / U. Dilthey, T. Reichel, G. Habedank, W. Sudnik, A. Ivanov, O. Mokrov II Robot application, sensors and expert systems in arc welding. Daejeooi: Korea Institute of Machinery and Metals, 1995. P. 20-30.

14. Судник B.A., Иванов A.B., Мокров O.A. Использование сварочного программного обеспечения MAGSIM в учебном процессе // Компьютерные технологии в соединении материалов: Тез. док. всерос. научно-техн. конф. Тула: ТулГУ, 1995. С.83-85.

15. Судник В.А., Иванов A.B. Компьютерное прогнозирование и оптимизация качества дуговой сварки плавлением в активных газах // Защита-95: Тез. докл. межд. конгресса: М.: ГАНГ им. И.М. Губкина, 1995. С.188-189.

Подписано в печать 7.05.96. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага типограф. № 2. Офсетная печать. Усл. печ. л. 1,0. Усл. кр. -отт. 1,0. Уч,-изд.л. 0,9. Тираж 100 экз. Заказ 415.

Тульский государственный университет. 300600, Тула, пр. Ленина, 92. Подразделение оперативной полиграфии Тульского государственного университета. 300600, Тула, ул. Болдина, 151.