автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка компьютерной системы математического моделирования и проектирования технологии контактной точечной сварки

Р V ^ МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ,.гЧ ОЩ$&ОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 1 \ "

МА1И- РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. К.Э. ЦИОЛКОВСКОГО ----------------

На правах рукописи УДК 621 791.681 3.06

КУДИНОВ Роман Анатольевич

РАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ КОНТАКТНОЙ ТОЧЕЧНОЙ СВАРКИ

Специальное!!. 05 03.06 -"Технология и машины сварочного протнодстза'

АВТОРЕФЕРАТ лнссергашш на соискание учений степени кандидат }»шшческнх наук

Москва 1998

Работа выполнена в Тульском государственном университете.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

СУДНИК В.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ямпольский в.м.

кандидат технических наук, доцент МЕНЬШИКОВ Г.А.

Ведущее предприятие - указано в решении

специализированного Совета

Защита диссертации состоится''998 г. нэ заседании специализированного Совета К 063.56.05 в ШЧ'ГИ - Российском государственном технологическом университете им. К. Э. Циолковского по адресу, 121552, Москва, ул. Оршанская, 3.

С диссертаций можно ознакомиться в библиотеке университета.

Ваши отзывы на автореферат, заверенные печатью организации, просим высылать по адресу: 121552, Москва, ул. Оршанская, 3, МАТИ - Российски^ государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского, ученому секретарю специализированного Совета К 063.56.05,

Автореферат разослан г.

Ученый секретарь

специализированного Совета кандидат технически^ наук

К 063.56.05. В.С.Соколов

\

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время широкое развитие получили -.. _информационные технологии' коиструкторско-технологической подготовки производства."" Применение компьютерных методов проектирования позволяет сократить или совсем отказаться от дорогостоящей экспериментальной отработки технологии производства. Однако использование этих методов для контактной точечной сварки (КТС) затруднительно из-за отсутствия прикладною программного обеспечения.

Проектирование технологии КТС включает анализ свариваемости металла и конструкции соединения, выбор сварочной машины н типа электродов, а так-*Жв определение параметров режима сварки для обеспечения требуемых характеристик соединения: размеров литой зоны, зазора между деталями и глубины отпччйтка-зЛектратда I (он эти:.! псоРхачимо проведение серий натурных экспериментов; требующих больших трудочятрят. '

Прикладное программное обеспечение (ПО) для проекгированип те\нч„<,-. гии КТС должно позволять выбирать оптимальный режим сварки по заданным | свойствам соединений, причем одним из критериев оптимизации является стабильность качества соединений. Экспериментальная оценка качества соедине-. ний на начальном этане создания технологии сварки, особенно когда не решен вопрос о типе машины, невозможна. Сокращение сроков проектирования и ос-пгггнн.ч новой технологии обусловливает необходимость отказа от эмпирического метода и тискания эффекгньНмя методой рационализации исследований и проектирования технологии. Т^ли природа явлении, протекающих а тсхнся«ч «-ческом процессе сварки, известна, то его можно изучать путем мшсмитнчсскон) моделирования. Важным преимуществом моделировании является униш.риси~ ность результатов такого исследования и возможность их использовании и самом широком диапазоне параметров.

Цель работы. Целью исследования является разработка компьютерной системы проектирования технологии КТС стальных деталей на машинах переменного тока путем исследования значимости технологических факторов и создания детерминированной модели, обеспечивающей адекватное военрои шеде-. ние реальных процессов, происходящих при сварке, за приемлемое для инл.е- ; . нерных расчетов время.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе 'а щч были проведены математическое моделирование процесса с использованием чие 1сн-ных методов решения системы дифференциальных уравнений и сопоставление результатов моделирования с экспериментальными данными на основе статистических критериев значимости.

Научная новизна.

1.Разработана детерминированная модель для компьютерной системы-проектирования технологии КТС на основе решения системы дифференпилль-

ных уравнений электрического потенциала, теплопроводности и пластической деформации. В этой системе:

- предложена формула граничных условий уравнения электрического по^. тенциала для учета влияния шунтирования ранее сваренными точками;

- учтена форма импульсов тока контактной машины, зависящая от характеристик деталей и параметров машины;

- учтена геометрия рабочей поверхности электродов;

- обеспечено воспроизведение процессов формирования зазора между деталями и отпечатка электродов на поверхности деталей,

2.Предложены методика и критерий'Прогноза возникновения выплеска на основе анализа текущих значений отношения величины зазора к ширине пластического пояска в контакте между деталями. Установлено, что При сварке низкоуглеродистых с гелей выплеск возникает, если указанное отношение > 0.8.

3.Установлено, что численная реализация нелинейной модели позволяет . воспроизводить влияние основных технологических параметров на кинетику формирования литого ядра, контакта, зазора между деталями, а также отпечатка от электродов и физические условия возникновения вЫпЛеска.

Практическая ценность, Практическая ценность работы состоит в создании программного обеспечения SPOTSIM да определения оптимальной области параметров сварки и прогнозирования качества процесса формирования шва, позволяющего снизить производственные затраты при исследовании' и проектировании технологии, а также использовать его для целей обучения.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на 1-й и 2-й Всероссийских научно-технических конференциях "Компьютерные технологии в соединении материалов" (Тула, ¡995, 1998 гг.), на конференции Немецкого общества сваршиков (Дуйсбург, 1998 г.), на научном семинаре кафедру "Оборудование и технология сварочного производства" ТулГУ (Тула, 1998 г.), на научном семинаре сектора "Технология сварки летательных аппаратов" кафедры ''Технология металлических материалов" MATH - Российского государственного технологического университета им. К, Э. Циолковского (Москва, 1998 г,).

Публикации. Содержание работы изложено в 5 публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения', пяти глдв, общих выводов по работе, списка использованной литературы и приложений. Она изложена'}« 120 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков и 5 таблиц. Список литературы включает 70 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТУ

В Первой главе рассмотрены состояние вопроса, цели и задачи работы. Вычислительный эксперимент на компьютере с помощью математической модели позволяет уменьшить объем дорогостоящей натурной отработки проекти* _ руемого процесса. Сферы приложения вычислительного эксперимента опредс-

ляютея исследованием, проектированием н оптимизацией сложных .многопараметрических нелинейных процессов, экспериментальное изучение которых традиционными методами является дорогостоящим, трудноосушествимым или невозможным. 1< числу таких нелинейных многопарамегрических процессов относится взаимодействие тепловых,"электрических,-деформационцых тлений, сопровождающих процесс сварки. Разработка математческих моделей, адекватно описывающих различные явления, происходящие в процессе сварки позволяет технологу анализировать различные варианты влияния параметров сварочного процесса на выходные параметры, а также синтезировать наиболее приемлемая решение. ■■ : . .

... Первые попытки численного решения уравнений, описывающих процесс КТС, были сделаны А. С. Гельманом. Распределения температуры численными' Метилами HaiLwuti.J. A.- Greenwood. W. Rice и Е. J. Fank 'создали-одномерную нестационарную модель для изучения теплоныл н^оцгесря при точечной сварке! ' А.А. Чакадев создал осеснммегричную двумерную недель на осиоас 'тглеянг»-го решения дифференциального уравнения теплопроводности, при котором учитывались зависимости свойств свариваемых сплавов от температуры. Н. А. ,Nied разработал конечно-элементную модель для расчета деформаций электродов .и свариваемых деталей. При этом учитывались нагрев теплом, оиределяе-•МШ1 но закону Джоуля, изменения плотности тока и распределёиим давления вдоль поверхности контакта, а также зависимости теплофизических свойств от температуры P. S! Wei г; С У. По предложили нестационарную осесимметрич-hjii> модель -|С(моп|н>поднос1И для изучения трехмерного процесса роста ядра , сварной ючки при различных сварочных юках. формах рлСч>чеп поверхности электродов а oi ношениях иышин е»«ф»йаемы\ петлей Внча дана ; цепка teii-ловмделения на поверхности контакта ме-кту свариваемы \ш леютгш. ушены фазовые превращения. Однако влиянием усилия ежпия члектродов п дефирма-аией деталей при сварке пренебрсиш Общим нелостщкоч всех молелен явдя-"е1ся отсутствие в лих параметров сварочной машины, которые окаи.пшш существенное влияние па формирование соединения при контактной точечной

сварке. . " - ............

Шиоолсе полная модель, предложенная В.А. Ерофеевым, основана на базе системы дифференциальных уравнений электрического потенциала и тепло-' проводности с учетом ¡¡ласчической деформации металла под дейавием уаьйя

сжатий электродов. ' ~ -------- .„_

Несмотря на широкую изученность процесса КТС, ПО для инженерных расчетов до сих пор нет. Б последнее время появилось коммерчески доступное ирсираммт'ое обеспечение для решения >рий*;?!!НЙ математической физики методом коиечпцх элементов типа ANSYS или SYSWKi.D. Однако чрезвыг!".Г;:!0" высокая цена этих программ и слоясноу (ь применения для решения задач контактной сварки не позволяют исполыооагъ их в' системе конструкюрско-технологическоП подгошвин пронэводеша.

Ha pqipcafipn вналнза известных результатов исследований прстэвленн .следующие конкретные садани:

® разработать модель на основе решения системы дифференциальных уравнений электрического потенциала и теплопроводности, а также интеграла нога уравнение пластической деформации, которая: „ .

- учитывает форму нмрульсов тока контактной меццшы и зависимость этой формы от сопротивления деталей, а также шунтирование сварочного тока;

- воспроизводит формирование зазора между* деталями, отпечатка от электродов, а такм$с физические условия, определяющие возникновение выплеска;

» -разработать методику оценки возможности выплеска; « создать компьютерную ристему проектирования технологии К ТС, позволяющую анализлрорать проиесс сварки и дающую рекомендации по выбору режима сварки, обеспечивающего стандартные размеры литой зонь., допустимее зазор, глубину отпечатка от электродов а отсутствие выплесков.

Во второй главе описана, разработка математической модели процесса формирования соединения. На основе анализа литературных данный было установлено, что свариваемые материалы и электроды машины характеризуются следующими параметрами в температурном диапазоне 20-2000 °С: теплопроводностью А, энтальпией //, удельным электрическим сопротивлением ре и пределом прочности на растяжение а материала. Технологические задачи в качает? ве исходных данных.для моделирования требуют'учета геометрических характерце щк электродов, к которым относятся форма электродов и их размер по ГОС'Г МП ¡-77 ц ÍSO 5821-79, а также характеристик машины (максимальная мощность, коэффициент мощности, общее сопротивление сварочного конту ра). С целью систематизации информация о материалах, электродах и машинах собрана в сдоткетствуюише базы данных. Параметры процесса (напря;;;гкиг холостого хода, ус}1лие сжатия, время сварки и угол отсечки тока) слу/хпт исходными данными для моделирования. . , Обшая модель электротермодеформациоцпш о процесса КТС, включающая известные взаимосвязанные подмодели электрического потенциала, тепловой энергии и пласшческой Деформации, дополнена двумя новыми Материалов свариваемых деталей и сварочной машины {рис. 1).

Подмодель свариваемых деталей включает в себя геометрнчесхие, тегщо-физическИе и термомеханинескре характеристики сварийагмихгст&лей. Из опыта численного моделирования сварочных процессов известно, что для корректного учета теплоты плавления / кристаллизации целесообразно использовать уравнение состояния вещества в энтальнийцой формй

.В подмодель мащииы переменного тока входят паспортные характеристики машин и в ней учитывается, uto сварочный ток устанйМцваетсй дискретно переключением обмоток трансфор.матрр'а и илавйо регулированием угла включения тиристоров (рис. 2).

ОБЩАЙ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КОНТАКТНОЙ ТОЧЕЧНОЙ СВАРКИ

• Постановка задачи (с&ариваемь»* детали) геометрия)

Ввод комбинации параметров {напряжение, время, угол включения - - - - - том» усилив сжатия)

Подмодель МАШИНЫ

H

Подмодель ПОТЕНЦИ\ЛА

ПОДМОД2,1Ь

ТЕМПЕРАТУРЫ

....... ""'Подмодель - -» МАТЕРИАЛОВ

Рис. I. Общая модель Процесса К 1С

По устанавливаемым параметрам машины (напряжению" холостого хода щ вторичной Обмотке трансформатора I !;о и углу включения тиристоров а) необходимо вычислить напряжение на электродах (/„, которое является граничным условием для решения уравнения электрического потенциала.

Рнс. 2, Диаграммн изменения тока в машине переменного тока: / - ток при а -- /р

. " ~ .Согласно паспортным, данным машины (максимального тока -зо вторичном контуре ijmax и напряжения 1)цj) вычисляется полное аиутрежкс электросопротивление машины Z}K, а с учетом коэффициента мощности cas ç - его г«., тивная Г;к и индуктивная X;,, составляющие. Так как размеры сварочного контура машины могут меняться, то расчет ведется для установленных размеров.

' Напряжение на электродах связано с этими параметрами. cooTiK. шением

17- =

41и

■^oLf+ir^ + r^)2-

sin ш - sin(a - ф)ехр - (t - — ..............^..... <!\ L

il)

где г„ - сопротивление на участке "электрод - электрод", со - частота электросети, т 314 1/с, /.- индуктивность сварочной цепи, <р - угол сдвига фазы между током и напряжением в сварочной цени ¡р = аг^ (<а£/(Ъх +/'■„)); 1 - время, отсчитываемое от угла <р.

Для расчета объёмного источника теплоты Р (Вт/см1) в дифференциала-ном уравнении энергии необходимо найти распределение потенциала в зоне сварки. Дифференциальное уравнение потенциала для этого решается в цилиндрической системе координат (рис. 3).

Рис. 3. Схема процесса КТС

Граничным условием на поверхности цилиндра, ограничивающей область решения, является - .

ОН-

дг

О:

(2)

Зона соединения вдоль оси г неоднородна и имеет следующие участки: электрод, контакт между электродом и деталью, деталь, контакт, между деталями. Наиболее важным в первые моменты сварки является электросопротивление контактов Нск, которое зависит от удельного (по Поверхности) электросопротивления контактов между деталями рс (Ом-см3) и пластической деформации на поверхности деталей, разрушающей окисные пленки. В первом приближении оно равно

До

где Р - усилие сжатия электродов.

.В случае шунтирования соединения ранее сваренными точками граничное условие (2) меняется. Для одной и второй детали соответственно оно имеет вид:

Р1

.ди

дг 2лгш^Пш

{ ' 1 ) Л2 <?, - ;

V

Ч 1 N

д(Г

Ра

8г 2

;■ I с. _

4 2 .-Г,

где Нш - электросопротивление шунтирования, ¡-„.„¡х - гранича области моделирования по оси (у,?;;.*? - толщины деталей, р> , р2 - удельное электросопротивление диедгй. ; ,

Сопротивление'шунтп определяйгез но следующей формуле;

:(£«.+ £1)11„ ■У) ¿2 Я

(5)

где / - расстояние до центра-шунтирующей точки, с1,и - ее диаметр.

• ■ сГрзничиое условие (!) может быть найдено только итерационно. При зюм, решая'уравнение к.тгемнцала.; здчисляется-сварочный ток и 'электро».и-

нротивленпе деталей.

Распределении знталышп н тем!ирлг,ры зоны сварки 'и'лодтся решением дифференциального уравнения '.терши Связь ¡смиера^ры и >пт.-ы.ии списана нелинашен функцией ки.'Тсег.пооги с учешм 1епдо;;.: ¡ылвлеши / кри-сталшгашш о ¿ши-ашем состояния »«¡¡¡ссгва).

В подмололи пластической дефирмашш раесчтииае-.са шюшидь ко>пак-рас(уч1а;; з пронесся синрки и гшксаюмюя плотность тока 3;о снилеиаг -части1)'!" компенсируйся риоом шкк ьслодствие понижения элоиросоиротив-леиия деталей гэ/. Прирост 1 ока боже велик при чалых :шзчеш!».\ >'и и д^. От иле» шли >лпп ччвисят также объем зоньГтепловыдсленлд.« элчкчроеопро-¡¡имение д.падс-й. ' ■ • . - ~~ ~" Геометрии '-.(¿ьлро.'ыч : ,:Н!>ь и^п.м.^.тс^ ° модели к различным сочетаниям значётш рамиу^й ; '■}, «л счет» электрода ц плоского притупления г3 иа ней. На начальном этапе радиус контурной- ило-нади и":. :"1!~ст! принимается рачку»; р-:,лпусу притупления, При нагревании ■ металла сю предел прочиоезн сшыоется давления, которое создаёт контакте усиль*;;■•/'- сжатия •шемуод.ж Вс.зпиьйе) ;ллоп"К-скг,е 1счсн..с п? ия-, правлению- к ¡ ранние копта!гт2"м>.йапг деишяиа. Г» то ¡с;ение ш.'рзвнньлег даь-.Д2!«к! ьиутри ратунрочиешюй области 'доз¡щей да з;:п-:сккч. равного пределу прочности Металла гг граница гх'чтакта ме;;сдудегал«Н1. Рилиус кошзнча находится из интегрального уравнения "- " - -------_______

Ги

2 к }«(?:),=Гк «//•=/',. (6)

о

где п(Т)г=г^ - сопротивление .пластической деформации на границе контакта между деталями, зависящее от температуры. • *

Глубина отпечатка электродов находится по формуле

2 _ 2

У^-й—^к^г. ' (7)

При выборе режима кроме обеспечения стандартного диаметра и высоты литой зоны необходимо исключить выплески жидкого металла из зоны сварки. Возникновение выплеска связывают с недостаточной шириной уплотняющего пояска, окружающего жидкое ядро в контакте между деталями, и с недопустимо большим зазором между деталями.

Первой причиной возникновения зазора является тепловое расширение металла при сварке 2т, направленное вдоль оси соединения: .

гг= \ЩТ)Т(г)1к, ^ (9)

где ¡1 - коэффициент объемного теплового расширения.

Второй причиной возникновения зазора является пластическая деформация, связанная с вдавливанцем электродов в детали на глубину -

- ' . , (10)

Предложена гипотеза, согласно которой наиболее важным фактором, влияющим на возникновение выплеска в зазор между деталями, является отношение величины зазора к ширине пластического пояска. Возможность выплеска в зазор допустимо выразить соотношением между суммарным зазором =гт + 2а и разностью радиусов контактов между деталями гк и литого ядра гя:'

!Г=—' \ ■ ' (8)

• гк-г*

г '

Установить критическое значение этого отнощения можно только экспериментально

'О третьей гласе описаны алгоритм, численное решение уравнений модели, ее компьютерная реализация и выполнена верификация. Область моделирования ограничена цилиндрической поверхностью, диаметр которой равен диа- ' метру тела электрода, а плоскостями, проходящими по дну водоохлаждаемых каналов в электродах. Решение" дифференциальных уравнений производится методом конечных разностей. При построении сетки учтено, что температурное и электрическое ноля при точечной.сварке осееиммегричкы и имеют в центральной зоне малый градиент- в радиальном направлении; На каждом шаге 'времени решаются уравнения электрического потенциала, энергии и пластической деформация. Расчет текущих значений удельных .тепло- и электропровод-„нретей свариваемых сплавов производится по общеизвестным формулам. Граничные усло'вйя уравнения электрического потенциала итерационно утчнякмен при решешщ. Стационарное уравнение потенциала решается методом Гаусса -Заидела, а нестапипнариие"уравнение -шерищ .-.. явным, методом с шагом по времени, удовлетворяющим условию усюйчииостн.

Интегральное уравнение (6) решается вариационным способом. Текущее положение границы контактов определяется проверкой соответствия давления в контактах сопротивлению пластической деформации с свариваемых сплавов на границе контакта между деталями с учетом температуры на этой границе. .

Алгоритм решения уравнений модели .представлен на рис. 4.

Выбор толщнцм деталей____

Ввод из банков данных." '— - -с в о й с 1 в м ат ер и а л о в, параме1ров машины, ' парамсфов электродов_________

Начальные условия: ( « О, I I - ¡1;,, К-,, = С» - Гь

= Р. „.о, 1 и>,

Продол- Г-М^Ф

Расчет ^(Г-дЩ:,,, I, Я», "пНЗ.

2„ь I, а '

Продол-жатъ,

ПОт |НИ - Чп.|| <са___________________1_____

Решение уравнения энергии Н(г,г), расме! Т(г,г) и размеров литой . . ,

1КП+1___________

"Решение уравнения шленщгдла и„, расчет] и К.^ _______

Продол- Тгк ^"-¡-"Зг" жать, Решение уравнения пластической деформации и расчет Р, г« и е_

пока |РГК'- Р| ______________

пока 1: _________

Нормирование протокола результатоц

Рис. 4. Алюршм-решения уравнении модели

П

для оценки адекватности модели сваривались листы цизкоуглеродрстой стали типа 08кп'толщиной 1.2 + 1.2 мм на машине переменного тока БсЫаПег РЗ. Сварочный ток варьировался от 5 до 10 кА изменением напряжения трансформатора и угла включения тиристоров. Уснлие сжатия изменялось рт 1.5 до А кН, время сварки - от 6 до 18 периодов. Сравнивали геометрию литого ядра, полученного при моделировании, с макрошлифами соединений (рис. 5).'По результатам опытов получено удовлетворительное совпадение размеров литой зоны в указанном диапазоне параметров. Значимость расхождения проверялась по критерию Фишера. Результаты статистической обработки данных показали, .что погрешности расчетных значений диаметров литого ядра и зоны термического -влияния составляют соответственно 15.9 и 11.3%.

ВЕК^4 d ...............

; \ ««■'SS/

... , ; • t -

j-ы

. Рис. 5. Сопоставление экспериментальных данных с результатами моделирования при Рсж ~ 4 кН и Lijo = 14 В: а -8 пер., « =108°; б - te, = 12 пер., й =95°

• На базе проведенных работ в среде программирования Borland Pascal 7.0 создано ПО SPOTS1M, предназначенное'для работы на персональном компьютере с операционной системой MS-DOS / WINDOWS. Верификация ПО SPOTSIM с точки зрения удовлетворения международным стандартам на ыа- • шины'и материалы,-а также* требованиям к сварном .соединениям: выполнены Институтом сварочных технологий РеГщско-Вестфадьсксн высшей технической школы (Ахеп, ФРГ) в рамках двухстороннего сотрудничества..

В четвертой главе приведены результаты исследований процесса формирования сварного'соединения, которое проводилось в виде вычислительного эксперимента (ВЭ) над моделью. С.помошыо этих исследований появилась возможность уточнить закономерности формирования литого ядра, которые позволяют прогнозировать возникновение таких сварр'шых дефектов, как выплеск жидкого металла, прилипание электродов п т.д.

Влияние иачичипы зазора на вюиикчоаепие иытеска. При планировании эксперимента по установлению количественного критерия возникновения выплеска были вйбраны факторы, наиболее сильно, влияющие на зазор и пластический поясок: усилие сжатия н сварочный ток. ii натурном эксперименте эти факторы варьировали по плану дробного факторного эксперимент {F = 4 ± 2 кН, / = 9 ± 0.7 кА). Фиксировали опьпы, в которых наблюдался выплеск (рис. 6) По этому ;ке плану выполнили моделирование и определили значения отношении величины зазора к ширине пластического пояехг» в опытах. Сопоставляя опыты с выплеском и без выплеска,' определили критическое значение,- Уста-.

U

новлено, что при сварке сталей выплеск возникает, если указанное отношение > 0.8. ■ 12 т

3.4 5 6 .

Усн*иисслатя%кН- •••. ..

Рис. 6. Параметры сварки, при которых вероятен выплеск

Влияние урщня сжатия па проплааление и диаметр ядра. Основная роль усилия сжатия при КТС - формирование начального контакта между электродами машины и деталями в холодном состоянии и образование пластическое пояса, удерживающего жидкий металл от выплеска и ограничивающего растекание -сварочного тока, Диаметр ядра находится в прямой зависимости от размеров контакта между деталями, он является составной частью этого контакта. При проведении ВЭ над моделью установлено, что результаты моделиропанцм не противоречат сложившимся представлениям о ходе процесса. В частности, было подтверждено, что при сварке с возрастанием усилия сжатия соотношение "диаметр ядра / прогглавление" растет (рис. 7). Это объясняется тем, что при увеличении усилия сжатия возрастает диаметр контакта.

.1 4

Усилие сжатия, кН - -

Рис. .7. Зависимости диаметра литого ядра и проплавления детали от усилия сжатия электродов

Если при сварке происходит рост контурной плошали контактов, удельи?" мощность, выделяемая током в металле деталей, ладает, что приводит к замедлению нарастания размеро» литого ядра. Вследствие того, что зона наибольшей мощности тепловыделения расположена около границы контакта между деталями, диаметр ялра в этом случае больше. Плотность тока, однако, при большем диаметре контакта ниже, а так как электрическая мощность, подводимая к деталям, "не менялась, то зона максимального тепловыделения, достаточного для расплавления металла, в плоскости оси г меньше..

Влияние размера и формы электрода на геометрию сварного соединения. Выбор формы электрода при КТС играет большую роль. Различают два основных типа электродов: со сферической и конической рабочими частями. При сварке электродами с конической заточкой площадь контактов на участках "электрод - деталь"' и "деталь - деталь" в начальный момент времени значительно меньше, чем при сварке электродами со сферической занчкой. Плотность тока в этом случае больше, следствием чего является- большее тепловыделение. В общем случае, при сварке коническими электродами максимальная температура в зоне сварки выше. Затем под воздействием усилия сжатая электродов контурная площадь контактов растет, и Чем больше усилие сжатия, тем этот рост быстрее, Пластическая деформация и тепловое расширение металла в случае использования конических электродов выражены сильней.' Результат этих явлений - рост площади контактов, образование зазора межд> деталями и внедрение электродов в детали. • •

Сравнивая представленные типы электродов, можно отметить, что для сварки с применением сферических электродов требуется больший сварочный ток (рис. 8). Так, для получения ядра с 60 % -ным проплавлением детали толщиной 1.2 мм при использовании этих электродов необходим ток равный 5 кА. А в случае применения конических электродов - ток 4 кЛ

2 г

X

н

ю

3

а

о. П

Ток, кА

Рис. 8. Зависимость проплааления детали от сварочного тока при различных типах электродов

Анализ результатов показал, что конические электроды эффективны, ко- • гда используется сравнительно слабый источник мощности и для производства не имеет значения срок- службы электродоп, Сферические электроды больше подходят для кассового производства, а котором стабильность процесса явди-

С1СЯ основной задачей. " ~ "" -------- ----------------

Нлияпие пульсаций тока ни формирование соединения: 'ПульсацйН-тока... г.:.пк:в?'ют колебания основных параметров, характеризующих процесс, с той же частотой (рис. 9). ■ ,

Вр=мя caaiMt. г Вреня сезрки, с

а 'б

Рис. 9. Изменение параметров npir сварке (ст(Ьь низколегированная 1.2 + 1.2 Машцна Schlatter Pi, i/20= 2.63 В, а = 70°, г= 6 пер., F= 1.5 кП): . в - сопротивление г„ п радиус контакта л,; б - зазор между деталями г„

-.денг.я при k'iC. Ачнлч!};;;! кмд.лм'ып mo.v-v ■ и:1:. ^ОО :'С причем л. ;:одгб-!Ни",' ;;;,сг,т с yju:t);,i ¡ичле.м ■ 'линчм ; е-апм.'--^' - :-¡леи >; > :>сличе-rfii'-.M угла ■зг.-дд'Чеинл ти^мсюрит. i стадет ц.лши;;-.; ; ; :.. м ¡¿анища i'

i'|4)i: ¡озл^ппг. it- > со с а ¡¡••¿¡.".л'лдим n-м- [¡оскале;! 100 ,Jr

(.рис. !0).

~'f— г.ги . ;i- v,..

•• -J|V - 1 , КЗ 1л I 1

Тюи;;::!;, -и

— - Рка.,10. Зависимость проплавления детален от фор.ч.ы импульса тока при равибМ действующем значащи т ока

Результатом колебаний температуры является переменная скорость пластической деформации, от которой зависит рост диаметра контакта и заюпя между деталями. . -

В пятой гдаве представлены методика и примеры решения задач проектирования с помощью ПО БРОТ^М. . . -

1. Нахождение области параметров сварки, обеспечивающих стандартные размеры литого ядра. Требуется найти значения тока (определяемые углом включения тиристоров и ступенью трансформатора), длительности импульса тока и усилия сжатия, при которых будут получены стандартные размеры литой .зоны (по ГОСТ 15878-79) с глубцнрй отпечатка электродов и зазором между деталями не больше допустимых значений, а также при отсутствии выплесков.

Зависимости показателей качества от параметров нелинейны, что не позволяет применять высокоэффективные методы оптимизаций, такие, как сим-гшекс-мстод. Поэтому в'данном случае рекомендуется следующий метод.

На начальном этапе задаются толщины деталей, марки сплавов и машины, а также тип электрода и параметры шунтирования. Диапазоны изменения угла отсечки и ступеней машины заданы паспортными данными машины. Диапазоны значений усилия сжатия и длительности импульса тока определяются по эмпирическим формулам для данной детали.

Устанавливаются ступень минимального напряжения холостого хода ,п наименьший угол включения тиристоров л процесс моделируется. При отсутствии формирования литой зоны выбирается следующая ступень.

Для нахождения границ области допустимых значений параметров рварки диапазон их изменения покрывается равномерной сеткой, в каждом из узлов кб-торой выполняется моделирование и находятся показатели качества (размеры ядра, величина зазора и огп<*чатка от электродов). Значения между узлами определяются методом линейной интерполяции. Приравнивая в полученных интерполяционных формулах значения показателей качества ич предельно допустимым значениям, находятся.значения угла отсечки, усилия'сжашя и длительности импульса тока, при которых начинают возникать дефекты. По этим значениям бгроятся линии, ограничивающие область допустимых параметров сварки. '

!1а рис. 11 представлена область параметров сварки, обеспечивающих стандартные размеры литого при сварке иизкоуглероднстой стали толщиной 2 + 2 мм на машине ЯсЫаНег Р] с использованием электродов сферической формы:

2. Поиск оптгтсиыюго режима. Все параметры режима КТС л а практике имеют существенные погрешности И их можно считать случайными величинами с определенным значением математического ожидания X, и дисперсии 8„. Соответственно результат сварки У) можно рассматривать как.случайную величину. Рассеяние результата сварки Г, определяется по формуле

(Ч)

где К^ - коэффициенты влияния параметров процесса на выходную характеристику.

I, п;р.

ш

126. 118 110 102 94 86 78 а," 3 2 3.7 4.4 5 4 64. 7.3 Я 6 1,кА

Рис. 11, Область "параметров, обеспечивающих стандартные размеры ядра: ¡72о ~ 2,63 В, 5 кН (ШИ - область параметров с ¿•С.«угтя«мм яамвоУ, ЖЕ - область параметров, при которых за-мр допусп!.-<ого -.¡щчеЬ";,"

Область допулиммч значений построена с некоторым приолп к ':¿^о^*.

Поэтому имеется вероятность того, что комбинация парамефо-; сг.нрьч. .....

ложсшщ внутри облает допустимых значений, не обеспечит форчи^тошая качественного соединения. Для оценки влияния рассеяния этих «прякггрпстк использовали метод регрессионного анализа, в ходе которого пярнчвцы процессаТ, '(£, Гз*,варьировали ро плану факторного эксперимента, а огкло-■ нения пароме фоп задавали равными их" среднеквадратичному отклонению ¿'„ 3 . условиях производства. В ходе ВЭ над моделью было устаиоояспо, что и случае ' сварки нцзкоуглеродистой стали толщиной 2 мм на машине ВсЬ!аи<.т 14 при ¡ '¿.. - 3,2 В, Рс-х ~ 5 кН отклонение диаметра ядра при рассеянии параметров процесса, составляет 0,5 % (рис. 12).

Наименьшая вероятность формирования соединения о недопустимыми размерами литого ядра, зазора .и отпечатков достигается в точке, ллч которой сумма произведений расстояний до линии ограничения На среднеквадратичное отклонение роотвотствуаддего фактора минимальна.

ч'

мм !

j

I ■ 0,06

! • дГ

! - 0,22

!

Рис. 12. Влияние рассеяния технологических параметров на отклонение диаметра ядра при сварке низкоуглеродистой стали 2+2мм

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ II ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проектирование технологии КТС на современном информационном уровне требует создания компьютерной системы анализа процесса, включающую общую детерминированную модель, сварочного процесса, 6au>i данных о материалах, машинах и электродах, а также процедуры оптимизации.

2. Разработана модель КТС на основе решения системы дифференциальных уравнений электрического потенциала и теплопроводности, а также инт: трального уравнения пластической деформации, в которой предложена формула граничных условии уравнения электрического потенциала для учета влияния шунтирования; учтена форма импульсов тока; принята во внимание геометрия рабочей поверхности электродов; обесценено воспроизведение кинетики формирования зазора между деталями и отпечатка от электродов.

3. Установлено, что для адекватного воспроизведения формы импульса тока необходимо учитывать напряжение холостого хода, активное и индуктивное сопротивления вторичного контура, угол включения тиристоров, а также сопротивление деталей,

4. Величины отпечатка от электродов и зазора между деталями определяются в подмодели пластической деформации, основанной на интегральном •уравнении, связывающем пластическое течение металла с усилием сжатия электродов, исходя из геометрических соображений в соответствии с законом сохранения метглла.

5. Верификация модели, выполненная по данным натурных экспериментов и публикаций, по размерам литой зоны и контактов между деталями ползала, что моделирование соответствует экспериментальным данным с погрешностью не более 16 %.

6. Предложена методика прогнозирования выплеска и его критерий в виде отношения величины зазора к ширине пластического пояска в контакте между деталями. Установлено, что при сварке низкоуглеродистых сталей выплеск возникает, если значение критерия > O.S.

7. Разработаны процедуры нахождения области допустимых значений а-обеспечивающих стандартные размеры литой зоны, зазора, вмятины и др.,

»Гточки внутри этой _обласщ, комбинация параметров которой обеспечивает наибольшую стабильность сварки"." ---------------

8. Разработана компьютерная система проектирования,""""состоящая-из_ _ численцой модели процесса, модуля нахождения области допустимых значений параметров сварки и банков данных о теплофизических и Механических

вях сталей, а также о технических характеристиках сварочных машин, с учетом требований Г ОСТов и международных стандартов. Компьютерная система реализована в виде программного обеспечения 5РОТ81М", доведенного до уровня коммерческого продукта.

Основные положения диссертации опубликованы а раЗоттг

1. Ерофеев В,А., Кудимов Р.Д. Компьютерная модель контактной точеч- . ной сварки для анализа качества соединений // САПР и экспертные системы в сварке: Изв. ТулГТУ. Тула: ТулГТУ, 1995. С. 34 - 92.

. 2. Ерофеев В.А., Кудннов P.A. Компьютерная модель контактной точечной сварки // Компьютер, технологии в соединении материалов: Тез. докл. Все-рос. пауч -техн. копф. Тула: ТулГУ, 1995. С, 44.

3. SPOTSIM: Modellierung unci numerisch« Simulation des Widerstandspimkbehvveifteijs mit experimenteller Verifikation / U. Piltbey, П -C ВоЫшапп, W. Sudnik, \V. Hrofi .>\v, R. Kudinow // DVS-Berichte Ni ¡89 S П6-1 19.

4. Нмнпшия контактной точечной сварки сталей на машинах переменном) тока с помощью программного обеспечения SPOTSIM / В.А Суднпк, В А. 1-ро-феев, P.A. Кудннов, У. Дилтей, X. -К. Больманн Н Свароч. пр-ао 1908. Ха S С 3-8. '

5. Судник В.А., Ерофеев В.А.,. Кудннов Р А. Проектирование технологии контактной точечной сварки с.помощью программного обеспечения SPOTS! VI <7 Компьютер, технологии в соединении материалов: Тез. докл. 2-й Всерос. науч,-техц. конф. Тула; ТулГУ, 1998. С. 49-51



Тульский государственный университет

На правах рукописи

КУДИНОВ Роман Анатольевич

УДК 621.791:681.3.06

РАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ КОНТАКТНОЙ ТОЧЕЧНОЙ СВАРКИ

Специальность 05.03.06 Технология и машины сварочного производства

I

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

проф., д.т.н. В.А. Судник "1

Тула 1998 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..................................................................................................................................................................................................................4

Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи работы..............................................................9

1.1. Технологические проблемы сварки и способы их решения........................9

1.2. Модели процессов, происходящих при

контактной точечной сварке....................................................................28

Выводы по главе 1........................................................................................................................................................................................41

Цель и задачи работы.....................................................................................................................................42

Глава 2. Разработка математической модели процесса

формирования соединения при КТС.................................................................44

2.1. Общая модель процесса............................................................................................................................................44

2.2. Подмодель материалов (свариваемых и электродных)........................................46

г

2.3. Подмодель сварочной машины переменного тока........................................................49

2.4. Подмодель электрического потенциала.............................................................53

2.5. Подмодель термической энергии.............................. , ....................57

2.6. Подмодель пластической деформации и перемещений....................................57

Выводы по главе 2 ..........................................................................................................61

Глава 3. Компьютерная реализация и верификация модели..................................я?

3.1. Численное решение..............................................................................

3.1.1. Методы решения уравнений модели и генерация сетки..................оЗ

3.1.2. Решение уравнения потенциала..............................................................................................66

3.1.3. Решение уравнения термической энергии..............................................................68

3.1.4. Решение уравнения пластической деформации..........................................70

3.2. Верификация модели.......................................................................................................71

3.2.1. Методика верификации................................................................................................72

3.2.2. Постановка эксперимента.....................................................................74

3.2.3. Верификация.............................................................;..................................75

3.3. Компьютерная реализация модели........................................................................................................77

Выводы по главе 3......................................................................................................................................85

Глава 4. Исследование процесса формирования сварного

соединения..............................................................................................................................................................................................................86

4.1. Влияние величины зазора на возникновение выплеска......................................86

4.2. Влияние усилия сжатия на проплавление и диаметр ядра............................88

4.3. Влияние формы элеетрод а на геометрию сварного сое о ми^и^а ....................92

4.4. Влияние пульсаций тока на формирование соединения....................................................95

Выводы по главе 4......................................................................................................................................................................................100

Глава 5. Решение задач проектирования технологии КТС..............................................101

5.1. Постановка задачи оптимизации и выбор метода решения..........................101

5.2. Формализация задачи оптимизации......................................................................................................102

5.3. Примеры решения задачи оптимизации.........................................................103

Выводы по главе 5..............................................................:............................................................107

Основные выводы по работе...............................................................................................................109

Список литературы

111

__:__ - Введение_.___4

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время широкое развитие получили информационные технологии конструкторско-технологической подготовки производства. Применение компьютерных методов проектирования позволяет сократить или совсем отказаться от дорогостоящей экспериментальной отработки технологии

*

производства. Однако использование этих методов в России для контактной точечной сварки (КТС) затруднительно из-за отсутствия прикладного программного обеспечения (ПО).

Проектирование технологии КТС включает анализ свариваемости и конструкции соединения, выбор сварочной машины и типа электродов, а также определение параметров режима сварки для обеспечения требуемых характеристик соединения: размеров литой зоны, зазора между деталями и глубины отпечатка электродов [1,2]. При этом необходимо проведение серий натурных экспериментов, требующих больших трудозатрат.

Прикладное ПО для проектирования технологии КТС должно позволять выбирать оптимальный режим сварки по заданным свойствам соедине-

г

ний, причем одним из критериев оптимизации является стабильность качества соединений [3]. Экспериментальная оценка качества соединений на начальном этапе создания технологии сварки, особенно когда не решен вопрос о типе машины, невозможна. Сокращение сроков проектирования и освоения новой технологии обусловливает необходимость отказа от эмпирического метода и изыскания эффективных методов рационализации исследований и проектирования технологии. Если природа явлений, протекающих в технологическом процессе сварки, известна, то его можно изучать путем математического моделирования. Важным преимуществом моделирования является универсальность результатов такого исследования и возможность их использования в самом широком диапазоне параметров.

I

Применение математических моделей в вычислительном эксперименте (ВЭ) на компьютере позволяет уменьшить объем дорогостоящей натурной

отработки проектируемого процесса [4, 5]. Областями применения вычислительного эксперимента являются исследование, проектирование и оптимизация сложных многопараметрических нелинейных процессов, экспериментальное изучение которых традиционными методами является дорогостоящим, трудноосуществимым или невозможным. К числу таких процессов относится взаимодействие тепловых, электрических, деформационных явлений, сопровождающих процесс сварки. Разработка математических моделей, адекватно описывающих различные явления, сопрсво-т'тгл1'>"т"е процесс сварки, позволяет технологу анализировать различные варианты влияния параметров сварочного процесса на выходные параметры, а также синтезировать наиболее приемлемое решение.

В связи с вышеизложенным целью работы является разработка компьютерной системы проектирования технологии КТС стальных деталей на машинах переменного тока путем исследования значимости технологических факторов и создания детерминированной модели, обеспечивающей адекватное воспроизведение реальных процессов, происходящих при сварке, за приемлемое для инженерных расчетов время.

Научная новизна работы.

1 .Разработана детерминированная модель для комп^-^^ой системы проектирования технологии КТС на основе решения системы дифференциальных уравнений электрического потенциала, теплопроводности и пластической деформации. В этой системе:

- предложена формула граничных условий уравнения электрического потенциала для учета влияния шунтирования ранее сваренными точками;

- учтена форма импульсов тока контактной машины, зависящая от характеристик деталей и параметров машины;

- учтена геометрия рабочей поверхности электродов;

- обеспечено воспроизведение процессов формирования зазора между деталями и отпечатка электродов на поверхности деталей.

2.Предложены методика и критерий прогноза возникновения выплеска на основе анализа текущих значений отношения величины зазора к ширине пластического пояска в контакте между деталями. Установлено, что при сварке низкоуглеродистых сталей выплеск возникает, если указанное отношение > 0.8.

3.Установлено, что численная реализация нелинейной модели позволяет воспроизводить влияние основных технологических параметров на кинетику формирования литого ядра, контакта, зазора между деталями, а также отпечатка от электродов и физические условия возникновения выплеска.

Практическая ценность работы состоит в создании программного обеспечения SPOTSIM для определения оптимальной области параметров сварки и прогнозирования качества процесса формирования шва, позволяющего снизить производственные затраты при исследовании и проектировании технологии, а также использовать его для целей обучения.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы и приложений. Она изложена на 110 страницах машинописного текста, содержит 50 рисунков и б таблиц. Список литературы включает 70 наименований.

В первой главе проведены анализы этапов проектирования сварных конструкций и методов моделирования процесса КТС, рассмотрены состояние вопроса, цели и задачи работы.

Во второй главе описана математическая модель процесса формирования соединения. Общая модель электротермодеформационного процесса КТС, включающая известные взаимосвязанные подмодели- электрического потенциала, тепловой энергии и пластической деформации, дополнена двумя новыми - материалов свариваемых деталей и сварочной машины.

В третьей главе описаны алгоритм, численное решение уравнений модели, её компьютерная реализация и выполнена верификация. Определена область моделирования. Решение дифференциальных уравнений производи-

лось методом конечных разностей. Интегральное уравнение, описывающее пластическую деформацию, решалось вариационным способом. Верификация модели проводилась на основе экспериментов, проведенных совместно с Институтом сварочных технологий Рейнско-Вестфальской высшей технической школы (Ахен, ФРГ).

В четвертой главе приведены результаты исследований процесса формирования сварного соединения, которые проводились в виде ВЭ над моделью. Рассмотрены механизм и количественный критерий возникновения выплеска, влияние усилия сжатия, размера и формы электродов на геометрию сварного соединения, пульсаций тока на формирование соединения.

В пятой главе представлены примеры решения задач проектирования: нахождение области параметров сварки, обеспечивающих стандартные размеры литого ядра, оценка стабильности сварки, поиск оптимального режима по критерию минимизации зазора между деталями и отпечатка электрода.

Основные положения работы докладывались на 1-й и 2-й Всероссийских научно-технических конференциях "Компьютерные технологии в соединении материалов" (Тула, 1995, 1998 гг.), на конференции Немецкого общества сварщиков (Дуйсбург, 1998 г.), на научном семинаре кафедры "Оборудование и технология сварочного производства" ТулГУ (Тула, 1998 г.), на научном семинаре кафедры "Технология сварки летательных аппаратов" МАТИ - Российского государственного технологического университета им. К. Э. Циолковского (Москва, 1998 г.).

Содержание диссертации изложено в публикациях:

1. Ерофеев В.А., Кудинов P.A. Компьютерная модель контактной точечной сварки для анализа качества соединений // САПР и экспертные системы в сварке: Изв. ТулГТУ. Тула: ТулГТУ, 1995. С. 84 - 92.

2. Ерофеев В.А., Кудинов P.A. Компьютерная мод:.": -..:::гг.::тной точечной сварки // Компьютер, технологии в соединении материалов: Тез. докл. Всерос. науч.-техн. конф. Тула: ТулГУ, 1995. С. 44.

3. SPOTSIM: Modellierung und numerische Simulation des Widerstandspunktschweißens mit experimenteller Verifikation / U. Dilthey, H.-C. Bohlmann, W. Sudnik, W. Erofeew, R. Kudinow // DVS-Berichte Nr. 189. S. 116119.

4. Имитация контактной точечной сварки сталей на машинах переменного тока с помощью программного обеспечения SPOTSIM / В.А. Судник, В.А. Ерофеев, P.A. Кудинов, У. Дилтей, X. -К. Больманн // Свароч. пр-во. 1998. №8. С. 3-8.

5. Судник В.А., Ерофеев В.А.,. Кудинов P.A. Прсе^^-г"""? технологии контактной точечной сварки с помощью программного обеспечения SPOTSIM // Компьютер, технологии в соединении материалов: Тез. докл. 2-й

, Всерос. науч.- техн. конф. Тула: ТулЕУ, 1998. С. 49-51.

ГЛАВА 1.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ 1.1. Технологические проблемы сварки и способы их решения

Транспортное машиностроение является отраслью "Т^^ее широко применяющей КТС. Например, современный автомобиль содержит в среднем около 5000 сварных точек [6]. Поэтому последовательность создания конструкций с применением КТС целесообразно рассмотреть применительно к этой отрасли.

Проектирование сварных конструкций состоит из нескольких этапов [7]. На этапе эскизного проектирования выявляют принципиальную возможность осуществления различных решений и оценивают их технологическую целесообразность. Главное конструктивное оформление обычно определяется на основе опыта создания изделий данного типа. Выбор формы и размеров поперечных сечений определяется параметрами и особенностями данной проектируемой машины. При пппртггмг^ямии сечений одновременно с выбором материала и метода получения заготовок конструктор назначает расположение сварных соединений, их тип и способ сварки.

На стадии технического проекта конструкции основных узлов и трудоемких деталей разрабатывают в нескольких вариантах [1]. Затем эти варианты сравнивают по их технологичности и надежности в эксплуатации.

На этапе рабочего проектирования производят детальную технологическую проработку принятого варианта конструкции. В первую очередь прорабатывают чертежи и технические условия на крупные заготовки, затем чертежи всех основных узлов и деталей и технические условия на их изготовление, сборку, монтаж и испытания. Выпушенные конструктор-

екими отделами рабочие чертежи направляют в технологический отдел. Здесь, при разработке рабочей технологии, определяют технологичность спроектированной конструкции и выявляют недостатки, связанные в основном с выбором материалов, видов заготовок, характером подготовки поверхностей под сварку, допусками на размеры, методами контрольных операций и т. д. На основании этих замечаний конструкторские отделы производят необходимые изменения в технологической документации до

г

запуска изделия в производство.

Таким образом, основными задачами при проектировании сварных конструкций являются: анализ изделия и условий его работы; выбор материалов и методов сварки; конструктивное оформление изделия, разработка технологии изготовления; контроль качества [1, 2, 7].

На этапе анализа определяются основные исходные данные для расчетов конструкции: формулируются технические требования, предъявляемые к конструкции, устанавливается режим ее работы и степень ответственности [1, 2]. На этом этапе анализируются виды воздействия на конструкцию. Воздействие может иметь физический или химический характер. Под физическим воздействием понимают различные виды нагрузок,

*

возникающих в результате приложения внешних и внутренних сил. Под химическим подразумевается воздействие среды, контактирующей с поверхностью конструкции и вызывающей химические превращения материала конструкции.

Выбор материала - важный этап проектирования, поскольку оказывает большое влияние как на эксплуатационные качества конструкции, так и на ее массу и технологичность изготовления [1]. Материал выбирают с учетом характера эксплуатационных нагрузок (усталостных, ударных, статических), работы конструкции в условиях низких и высоких температур, агрессивных сред, износа и т. п. Важным параметром качества материала

является стабильность его свойств - узость интервала в разбросе показателей механических характеристик. Кроме того, учитывается комплекс условий: первоначальные затраты на материал, технологическую обработку, проведение сварочных операций.

Масса конструкции существенно зависит от удельной прочности используемого металла. Наиболее широко в транспортном машиностроении используются низколегированные стали. При выборе низколегированной стали необходимо учитывать ее чувствительность к концентраторам напряжений и усталостную прочность сварного соединения этой стали. Стали этого класса, как правило, обладают хорошей свариваемостью [1, 2, 7].

Большинство элементов сварных конструкций автомобиля получают штамповкой. Поэтому при назначении металла сварной конструкции необходимо, в зависимости от изделия, учитывать хорошую штампуемость.

Все большее применение в автомобильной промышленности находят стали с цинковым покрытием. Известно, что цинк обладает более высоким энергетическим потенциалом, чем железо [8-10], т.е. в условиях атмосферной коррозии, когда образуется электрохимическая пара, корродирует цинк покрытия, предохраняя тем самым основной металл. Выносливость сварного соединения оцинкованной стали в коррозионных условиях оказывается выше выносливости соединения низкоуглер�