Разработка научных основ автоматизированного проектирования технологии сварки в защитных газах стальных конструкций
Закономерности образования дефектов формирования сварного шва типа подрезы, несплавления. Алгоритмы условной оптимизации параметров режима сварки в защитных газах различных соединений. Характеристики плавления основного металла, формирования сварного шва.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | автореферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 13.02.2018 |
| Размер файла | 4,4 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Разработка научных основ автоматизированного проектирования технологии сварки в защитных газах стальных конструкций
Специальность 05.03.06 - «Технологии и машины сварочного производства»
Бабкин А.С.
Москва-2008
Работа выполнена в ГОУ ВПО Липецком государственном техническом университете на кафедре сварки
Научный консультант -
доктор технических наук, профессор Лебедев Сергей Викторинович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Рыбаков Александр Сергеевич
доктор технических наук, профессор Царьков Андрей Васильевич
доктор технических наук Потапов Николай Николаевич
Ведущее предприятие - ОАО «Липецкий трактор»
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы
Современный этап развития мировой промышленности и промышленности России, как ее части, характеризуется развитием и применением технологий информационной поддержки жизненного цикла изделий (ИПИ/CALS) как средства повышения качества продукции и конкурентоспособности предприятий. В области сварочного производства решение поставленной задачи осложняется практическим отсутствием важного элемента ИПИ - систем автоматизированного проектирования технологических процессов (САПР ТП), также достаточно серьезна проблема недостатка квалифицированных кадров, в том числе, технологов и специалистов низшего звена - сварщиков, выполняющих механизированную сварку в защитных газах.
Сварка плавящимся электродом в защитных газах очень широко применяется при изготовлении стальных конструкций из низколегированных сталей. Достигнута высокая степень автоматизации этого процесса сварки: применяется как механизированная, так и автоматическая сварка, используются сварочные роботы. Однако технологический процесс (ТП) сварки не всегда обеспечивает требуемый уровень качества сварных соединений и высокую производительность при установленных сроках, объеме выпуска и затратах.
Для разработки ТП и оформления его в виде технологического документа (ТД) требуются значительные затраты времени и ресурсов в связи со сложностью решаемых задач. ТД содержат последовательность технологических операций (маршрут) и последовательность сборки конструкции. Для каждой операции определяют параметры режима (ПР) сварки, сварочные материалы, технические нормы времени и расхода материалов, оборудование, инструмент и технологическую оснастку.
Автоматизированное создание ТД требует знания количественных зависимостей между исходными данными и данными, содержащимися в ТД. Несмотря на широкое распространение сварки в защитных газах и множество исследований по моделированию процесса, в настоящее время не известны САПР ТП сварки в защитных газах конструкций из низколегированных сталей. Применяемые при технологической подготовке производства (ТПП) программы в лучшем случае позволяют производить выбор элементов ТП из базы данных и оформлять технологическую документацию. Поэтому на большинстве предприятий технология сварки разрабатывается на основе технологического и производственного опыта сварщиков и технологов, без применения ЭВМ, с большими затратами времени. В связи с отсутствием в распоряжении технологов математических методов, получаемые технологические решения часто далеки от оптимальных: велики затраты на исправление дефектов сварки, допускаются значительные потери электродного металла на разбрызгивание. Кроме того, разработанные ТД зачастую многословны и нечитабельны.
Поэтому разработка научных основ автоматизированного проектирования технологических процессов сварки в защитных газах является актуальной задачей.
Цель работы
Заключается в разработке научных основ систем проектирования технологических процессов сварки в защитных газах для обеспечения качества сварных конструкций на основе комплексных теоретических, экспериментальных исследований и физико-математического моделирования процессов плавления основного и электродного металла, формирования шва и ЗТВ.
Для реализации поставленной в работе цели необходимо решить следующие задачи:
1. Путем теоретического анализа разработать критерии подобия и на основе экспериментального изучения получить критериальные зависимости, связывающие свойства плазмы сварочной дуги, свойства свариваемой стали, параметры сварного соединения, электрода и режима и позволяющие определять характеристики плавления основного металла и формирования сварного шва, плавления и переноса электродного металла.
2. Исследовать закономерности образования дефектов формирования сварного шва типа подрезы и несплавления и установить математические зависимости для расчета допустимых областей параметров режима сварки с качественным формированием шва.
3. Исследовать закономерности образования закалочных структур в ЗТВ сварного соединения и разработать методику расчета оптимальных параметров режима по заданным размерным и структурным свойствам сварного соединения.
4. Определить показатели качества (критерии оптимальности) сварки, управляемые параметры и их ограничения, сформулировать функцию цели и условия связи и разработать алгоритмы условной оптимизации параметров режима сварки в защитных газах различных соединений.
5. Исследовать закономерности формирования технологического маршрута изготовления, образования переходов и последовательности сборки сварных конструкций.
6. Использовать полученные результаты для создания математического, алгоритмического и информационного обеспечения систем автоматизированного проектирования технологии сварки.
Методы исследований и достоверность полученных результатов
Экспериментальные исследования выполнены методами теории вероятностей и математической статистики. Регистрацию электрических параметров сварки осуществляли с помощью пишущих аналоговых (Б-370/3) и цифровых приборов, в частности, цифрового осциллографа Б-421. При изучении плавления основного металла, плавления и переноса электродного металла применяли цифровую цветную видео- и фотосъемку. Видеосъемку проводили WEB-камерой QuickCam Express фирмы Logitech, а фотосъемку - цифровым фотоаппаратом Dimage Z фирмы Minolta с десятикратным оптическим увеличением. Изучение температуры плазмы дуги проводили с использованием спектрографа ДФС-452 и многоканального оптического регистратора спектра на приборах с зарядовой связью LX511 SONY. Расчеты при определении температуры плазмы дуги вели с применением данных Vienna Atomic Lines Database (VALD). Структуру сталей исследовали методами оптической металлографии, применяя металлографический микроскоп МИМ-6 с WEB-камерой.
Теоретические исследования проводились на базе фундаментальных положений термодинамики, теории тепломассообмена с применением методов теории подобия и размерностей, дифференциального и интегрального исчислений, теории графов и множеств. Для математического моделирования технологических процессов применены методы теории нелинейного программирования и исследования функций многих переменных с ограничениями в виде неравенств.
Степень адекватности математических моделей описываемых ими процессам проверялась по экспериментальным данным. Достоверность научных положений и выводов основывается на систематических экспериментальных исследованиях, использовании методов статистической обработки полученных результатов; подтверждается хорошим совпадением результатов эксперимента и теоретических расчетов, а также практическим использованием полученных результатов.
Научная новизна работы
1. Разработаны алгоритмы расчета оптимальных параметров режима сварки соединений с подготовкой кромок по ГОСТ 14771-76, основанные на физико-математических моделях в виде систем уравнений и функции цели, включающей критерии оптимальности, которые определяют качество соединения. Полученные системы уравнений состоят из критериальных и аналитических зависимостей, связывающих характеристики плавления основного и электродного металлов, параметры режима и теплофизические свойства свариваемых материалов и применяемых защитных газов, что позволило для расчета режимов сварки соединений на весу с полным проплавлением и корневого прохода соединений с разделкой кромок создать математические модели, описывающие равновесие сварочной ванны в силовом поле и ее тепловое состояние в двумерной постановке при задании формы проплавления и выпуклости шва.
2. В результате экспериментальных исследований установлены закономерности изменения температуры в смесях Ar+O2, Ar+CO2 и CO2+О2 с плавящимся электродом. Температура плазмы смеси Ar+O2 при увеличении содержания O2 от 0 до 15% падает от 8300±500К (температура аргоновой плазмы дуги Ar) до 7600±300К. Температура плазмы смеси CO2+O2 при увеличении содержания O2 от 0 до 40% снижается от 9000±200К (температура плазмы дуги в CO2) до 7700±500К. Температура плазмы смеси Ar+CO2 при изменении содержания CO2 от 0% до 40% сначала падает от 8300±500К до 7400±300К при 15…20% СО2 в смеси, затем возрастает, достигая 7700±500К при 40% СО2. Выявлено, что снижение температуры плазмы смеси происходит примерно на 40К при увеличении содержания примеси СО2 или О2 в смеси на один процент, что позволяет точно определять температуру сварочной плазмы в зависимости от ее состава.
3. Определены критерии подобия и их выражения, связывающие теплофизические свойства металлов, защитных газов, размеры электрода, ПР, параметры сварочной электрической цепи и позволяющие расчетным путем определять:
величину силы критического тока струйного переноса электродного металла;
частоту переноса электродного металла короткими замыканиями;
коэффициент расплавления электрода-анода;
величину потерь железа и марганца испарением с поверхности капли электродного металла;
размеры сварного шва при наплавке;
размеры сварного шва при сварке с зазором.
4. Установлены закономерности образования подрезов при сварке. На основе аналитического описания распределения напряженности магнитного поля в свариваемом изделии и обработки экспериментальных данных методами теории подобия получена критериальная зависимость, позволяющая расчетным путем определять параметры режима сварки, обеспечивающих формирование сварных швов без образования подрезов.
5. На основе расчетно-экспериментального описания процессов структурных превращений и температурного поля, создаваемого сварочной дугой, ванной жидкого металла и металлом шва, разработан алгоритм расчета оптимальных параметров режима сварки низко и среднелегированных сталей, обеспечивающих минимальное содержание закалочных структур в ЗТВ при соответствии размеров шва требуемым.
6. Разработаны алгоритмы построения технологических маршрутов изготовления сварных конструкций. На основе анализа графовых моделей сварных конструкций разработаны алгоритмы определения последовательности сборки аппаратуры емкостного типа.
На защиту выносится совокупность следующих научных результатов:
1. Закономерности изменения температуры плазмы сварочной дуги в защитных газах и смесях.
2. Закономерности плавления, испарения и переноса электродного металла как функции защитной среды, параметров режима, свойств и размеров электрода, позволяющие решать прямую задачу - расчет параметров плавления и переноса при заданных параметрах режима, размерах электрода, защитной среды, а также обратную задачу - расчет критического тока струйного переноса в аргоне как функции свойств и размеров электрода.
3. Закономерности проплавления основного металла, формирования швов при наплавке и в зависимости от зазора в стыке, позволяющие решать прямую задачу - расчет размеров шва при заданных параметрах режима, размерах электрода, свойствах защитной среды.
4. Математические модели дуговой сварки в защитных газах, предназначенные для решения обратной задачи - определения оптимальных параметров режима сварки соединений по заданным размерам шва и подготовленных кромок с учетом металлографической структуры металла ЗТВ, а также зазора в стыке и разделки кромок.
5. Алгоритмы расчета и оптимизации параметров режима сварки и наплавки, включающие математические модели сварки и критерии оптимальности.
6. Закономерности и математические модели формирования шва при сварке стыкового соединения с зазором, дающие возможность рассчитать глубину проплавления и ширину шва как функцию зазора, параметров режима и размеров электрода.
7. Закономерности формирования подрезов при сварке и математическая модель, дающая возможность рассчитывать ПР сварки в обрасти качественного формирования швов при высокой производительности процесса.
8. Алгоритмы построения структуры технологического процесса и последовательности сборки сварных конструкций.
9. Концепция построения САПР технологии сварки.
Практическая значимость работы
Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований являются научной основой автоматизированного проектирования технологических процессов сварки в защитных газах стальных конструкций.
На основании полученных математических моделей разработаны способы сварки в защитных газах, способствующие повышению качества сварных соединений и сокращению затрат на экспериментальное определение значений параметров режима сварки. Новизна полученных результатов и разработанных математических моделей подтверждается 5 авторскими свидетельствами.
Теоретические положения, математические модели и алгоритмы использованы при разработке САПР ТП, которые внедрены на ряде предприятий. Новизна разработанных алгоритмов и программ подтверждается регистрацией в Государственном фонде алгоритмов и программ двух компьютерных программ.
Реализация работы
Системы автоматизированного проектирования технологии сварки внедрены на ряде предприятий: ОАО «Уральский турбомоторный завод» (г. Екатеринбург), ПО «Пищемаш» (г. Красилов, Украина), ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат», ОАО ЛОЭЗ «Гидромаш» (г. Липецк). Расчетные ПР использовались при изготовлении металлоконструкций на предприятиях ОАО «Кислородмонтаж».
Системы автоматизированного проектирования технологических процессов сварки экспонировались на международных выставках СВАРКА-2002, СВАРКА-2003, СВАРКА-2004 (г. СПб, Ленэкспо), РОССВАРКА/WELDEX-2002, РОССВАРКА/WELDEX-2003, (г. Москва, Сокольники). САПР ТП «Autoweld» удостоена диплома международной выставки РОССВАРКА/WELDEX-2003.
Результаты исследований, учебная версия САПР «Autoweld», изданная книга используются в учебном процессе кафедры сварки ЛГТУ при подготовке инженеров по специальности 150107 «Металлургия сварочного производства» при чтении лекций, проведении лабораторных работ и практических занятий по курсам «Моделирование и оптимизация», «САПР технологии сварки и наплавки», а также при курсовом и дипломном проектировании. Учебная версия САПР «Autoweld» используется также в учебном процессе кафедры «Оборудование и технология сварочного и литейного производства» Тульского государственного университета.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались на Международных конференциях «V Международная школа математических методов в сварке» (г. Киев, 1988 г.), «Математическое моделирование и информационные технологии в сварке и родственных технологиях» (Кацивели, Украина, 2002 г.), на девяти Всесоюзных и Всероссийских научно-технических конференциях, среди которых - «Компьютерные технологии в соединении материалов» (г. Тула, 2001 г.), «МАТИ - Сварка XXI века. Технология, оборудование и подготовка кадров в сварочном производстве» (г. Москва, 2003 г.), на одинацати научно-технических конференциях, среди которых -«САПР ТП сварки, пайки, литья и нанесения газотермических покрытий» (г. Москва, 1985 г.), «Математические методы в сварке» (г. Киев, 1986, 1987), «Применение математических методов и ЭВМ в сварке» (г. Ленинград, 1987 г.), «САПР и микропроцессорная техника в сварочном производстве» (г. Москва, 1991), на научных семинарах кафедры «Машины и автоматизация сварочного производства» Донского технического университета в 2005 г., кафедры «Оборудование и технология сварочного и литейного производства» Тульского государственного университета в 2007 г., кафедры «Оборудование и технология сварочного производства» Волгоградского технического университета в 2007 г., кафедры «Оборудование и технология сварочного производства» Воронежского технического университета в 2007 г., кафедры сварки Липецкого технического университета в 2002, 2007 гг., кафедры «Технология сварочного производства» «МАТИ» - РГТУ им. К.Э. Циолковского в 2008 г.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 46 работ, в том числе книга «Расчет и оптимизация параметров режима дуговой сварки металлов»; получено 5 патентов на изобретение, зарегистрированы 2 программы в Государственном фонде алгоритмов и программ. Результаты диссертации отражены также в десяти отчетах по выполненным научно-исследовательским темам.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов и результатов работы, списка использованной литературы и приложения. Работа изложена на 434 страницах, содержит 167 рисунков, 45 таблиц. Список литературы содержит 335 наименования.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение
Приведена формулировка проблемы, раскрыта актуальность темы работы, определены цель и задачи работы, показана ее научная новизна и практическая ценность, приведены основные положения, выносимые на защиту.
Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи работы
Существующие методы разработки технологии сварки и ее документирование основаны, в основном, на ручных методах обработки и представления информации, эмпирическом опыте технологов-сварщиков; проводятся без применения вычислительной техники. Такое положение приводит к назначению неоптимальных параметров режима и как следствие - к большому количеству брака.
Стремительное развитие технических и программных средств, наделенных различными функциональными возможностями, способствует формированию новых принципов организации сварочного производства. Становится очевидным, что только использование современных компьютерных ИПИ/CALS технологий для комплексной автоматизации всех аспектов производства сварных конструкций, включая моделирование совокупности протекающих при сварке процессов и ТПП, позволит быстро находить оптимальные технологические решения для производства качественных конструкций при значительном снижении ресурсоемкости самого процесса разработки. Системы автоматизированного проектирования технологии решают трудоемкую задачу разработки оптимальной технологии сварки, являясь важнейшим звеном системы качества.
Имеющиеся на рынке программных продуктов системы, предназначенные для использования при технологической подготовке сварочного производства, не имеют в своем составе основных процедур - ПР не рассчитываются, а выбираются из таблиц, назначенные параметры не анализируются и не оптимизируются. Структура маршрута и последовательность операций определяются в диалоговом режиме, что требует высокой квалификации технолога-пользователя этой системы. Решение всех задач в таких САПР заменяется информационным поиском в базе данных. Программные проекты работают в отрыве от информационной системы предприятия.
Проблема разработки оптимальной технологии сварки неразрывно связана с расчетом оптимальных параметров режима сварки по заданным показателям качества сварного соединения.
Существенный вклад в разработку методик и зависимостей для расчета параметров режима сварки внесли В.П. Демянцевич, Е. Nauman, В.Е. Кривошея, А.М. Попков, И.Ф. Коринец, которые разработали алгоритмы, предназначенные для решения обратных задач технологии для некоторых сварных соединений из низкоуглеродистых сталей. Алгоритмы включают экспериментально-статистические зависимости между параметрами сварного шва (например, катет шва, глубина проплавления) и параметрами режима. Известные методики определения режима ограничены рамками отдельных типов сварных соединений из низкоуглеродистых сталей, часто применимы только для однопроходных соединений, не учитывают влияние зазора в стыке и вылета электрода на формирование швов.
Определение режимов сварки низко- и среднелегированных сталей является сложной задачей, при решении которой необходимо обеспечить качественное формирование шва и благоприятную металлографическую структуру ЗТВ. Применяемые в настоящее время имитационные методы предназначены для решения прямой технологической задачи - определения структуры металла по заданным параметрам режима сварки.
В работах В.А. Судника, T. Debroy, U. Dilthey и др. исследователей развит метод построения математических моделей на микроуровне в виде систем дифференциальных уравнений с частными производными. Такие математические модели позволяют моделировать процесс формирования сварного шва, т.е. исследовать влияние параметров режима сварки на размеры форму сварного шва, решая прямую задачу технологии.
Расчет оптимальных параметров режима является сложной многопараметрической задачей, требующей рассмотрения взаимосвязанных процессов плавления основного и электродного металлов. Вопросы оптимизации параметров режима сварки рассмотрены в работах Н.Г. Васильева, С.В. Дубовецкого и О.Г. Касаткина, Э.Л. Макарова и Э.А. Гладкова, В.А. Судника. За функцию цели принимают или качественные показатели сварных швов - их размеры или экономические показатели производства, такие как технологическая себестоимость, производительность процесса, оцениваемая, например, штучным временем сварки. В.А. Судник с сотрудниками для поиска вектора оптимальных сварочных параметров проводит вычислительный эксперимент на математической модели с последующей статистической обработкой его результатов. В этом случае требуется значительное время на определение оптимальных сварочных параметров.
В промышленности широко применяются смеси с использованием Ar, СО2 и О2. Однако в настоящее время недостаточно изучено влияние состава защитной атмосферы на проплавление и формирование сварного шва, а также на плавление и перенос электродного металла. Известные сведения не позволяют получить физико-математические зависимости для расчета ПР. В частности, не известна средняя температура плазмы сварочной дуги в смесях защитных газов с плавящимся электродом и ее зависимость от состава смеси.
Важным фактором, сдерживающим рост производительности сварки, являются дефекты швов типа несплавления и подрезы. Единой точки зрения на механизм образования этих дефектов нет, а предложенные феноменологические модели не позволяют использовать имеющиеся представления для количественного определения области сварочных параметров с качественным формированием шва.
На основе анализа и обобщения литературных данных, производственного опыта, и в соответствии с целью работы в главе сформулированы задачи работы, определены области и методы исследований.
Глава 2. Исследование и моделирование формирования сварных соединений в защитных газах
Приведены результаты экспериментальных исследований и моделирования плавления основного металла и формирования сварного шва при наплавке, при сварке с зазором. Исследовано явление образования подрезов и несплавлений.
С целью вывода выражения для расчета какого-либо размера шва, например, глубины проплавления h или ширины шва eш, получили критерии подобия (КП) из следующей функциональной зависимости, связывающей ПР сварки, представленных в форме эффективной мощности дуги q, и теплофизические свойства свариваемого материала (объемную теплоемкость сг, теплопроводность л, температуру плавления T)
. (1)
Установлено, что процесс описывают следующие КП: критерий Пекле , критерий Н. Кристенсена , критерий М.В. Кирпичева . Дополнительно перемножением критерия Пекле на критерий Кирпичева получили критерий .
Установлено, что схема распространения тепла в свариваемом изделии зависит от вводимой мощности и вида переноса электродного металла. Например, в случае сварки в смеси Ar+%5O2 сталей на обратной полярности схема линейного источника теплоты наиболее вероятна при мощности дуги от 10 до 15 кВт. Для переноса электродного металла короткими замыканиями более характерна схема линейного источника теплоты. Этот факт согласуется с наибольшей глубиной проплавления, наблюдаемой при переносе электродного металла короткими замыканиями. Наименьшая глубина проплавления соответствует струйному переносу.
Полученные критерии использовали при выводе зависимостей для расчета размеров сварных швов. Они позволяют рассчитывать глубину проплавления и ширину шва по известным ПР, т.е. решать прямую задачу технологии, и имеют вид (рис. 1)
, (2)
где а1, а2 - коэффициенты; для наплавки в СО2 проволоками dэ=1,2….2,0 мм а1=-3,603, а2=0,539.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Зазор между кромками свариваемых деталей, несомненно, является важным технологическим фактором, влияющим на размеры сварочной ванны. Незнание реальной зависимости h от зазора в стыке b и ПР может приводить как к прожогам, так и к непроварам свариваемых кромок деталей.
Исследовали зависимости глубины проплавления при сварке с зазором h и eш от ПР. Для планирования и обработки экспериментов использовали следующие КП: критерий Пекле глубины проплавления, ширины шва, критерий Кирпичева рK, критерий р23, критерий Кристенсена рCr. Для учета влияния b на размеры шва образовали новый КП - критерий зазора
. (3)
В ходе экспериментального исследования сварки в углекислом газе ПР сварки варьировали таким образом, что критерий 23 менялся от 3691 до 11637. Зазор в стыке b изменяли от 0 мм до 2,2 мм. Обработкой методами линейного регрессионного анализа экспериментальных данных, представленных в виде КП, получили формулу для расчета глубины проплавления при сварке в СО2 с зазором в стыке
. (4)
Рассмотрено влияние зазора в стыке на величину ширины шва. Показано, что между шириной шва, ПР и зазором существует зависимость
. (5)
Для изучения влияния защитной атмосферы на проплавление и формирование сварного шва исследовали сварку в газах СО2, Ar и наиболее часто применяемых на практике смесях Ar+25….30%СО2, Ar+5%О2 и СО2+25….30%СО2. Анализ процесса сварки в смесях показал, что величина глубины проплавления определяется двумя факторами: параметрами режима, описываемыми критерием р23, и свойствами плазмы сварочной дуги. Последние представлены полученным в работе КП
, (6)
который связывает такие свойства плазмы сварочной дуги как: температура Тп, теплопроводность, теплоемкость Н, транспортное сечение рассеяния на атомах и молекулах F, а также поверхностное натяжение металла в газовой защитной среде у.
Экспериментальные исследования влияния ПР сварки на глубину проплавления и ширину шва при сварке в СО2, в смесях СО2+30%О2 и Ar+30%СО2, а также Ar+5%О2 позволили получить следующие выражения, связывающее размеры шва, ПР и состав защитных газов
, (7)
, (8)
где k1h, k1e - коэффициенты, учитывающие влияние свойств плазмы сварочной дуги, соответственно на глубину проплавления и ширину шва; k2h, k2e - коэффициенты, учитывающие влияние ПР на размеры шва.
Установлено, что k2h слабо зависит от состава газовых смесей и изменяется в узких пределах: в случае применения смесей с углекислым газом - СО2, Ar+30%СО2 и СО2+30%СО2 k2h=0,5…0,6, при использовании аргона и смеси Ar+5%О2 k2h=0,7…0,8. Коэффициент, учитывающий влияние свойств плазмы сварочной дуги на h, находится в обратной квадратичной зависимости от свойств плазмы. Выражение для его расчета определили обработкой МНК экспериментальных данных
. (9)
С целью определения аналитического выражения для оценки условий качественного формирования сварных швов на форсированных режимах без образования подрезов и несплавлений методами теории подобия проведен теоретический и экспериментальный анализ магнитогидродинамической обстановки в зоне сварочной дуги и ванны.
Показано, что магнитогидродинамические процессы в сварочной ванне могут быть описаны зависимостью между КП Хартмана и рCr. КП Хартмана является функцией напряженности магнитного поля Н.
В работе решена задача расчета распределения Н сварочного тока в изделии на основе вычисления взаимодействия потенциалов, приписываемых сварочной дуге и токоподводу. Принимая, что ввод электрического тока в изделие в обоих случаях осуществляется через площади, ограниченные активным пятном rд для сварочной дуги и rT для токоподвода и находящимися на расстоянии L друг от друга, получили
, (10)
где разность потенциалов у основания дуги и у токоподвода, соответственно; - удельная электрическая проводимость; h, r - координаты точки.
Получена зависимость между критериями Кристенсена и Хартмана (рис. 2), описывающая область качественного формирования швов независимо от способа сварки
, (11)
где b=0,972±0,026; c=-6,890±0,298.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Для расчета структурных превращений в ЗТВ исследовали сварочные температурные поля. Предложено температурное поле при сварке описывать суперпозицией полей сварочной дуги, ванны жидкого металла и шва. Представили сварочную дугу как распределенный источник теплоты в виде интегральной суммы точечных источников, интенсивность которых спадает по нормальному закону по мере удаления от центра анодного пятна до некоторого характерного размера - эффективного радиуса дуги r0, где T?Tкип
, (12)
где qmax - наибольший тепловой поток с учетом потерь на нагрев и расплавление основного металла; А1 - нормирующий множитель.
Приняли, что жидкий металл сварочной ванны с тепловой мощностью является распределенным источником теплоты с радиусом , расположенным на расстоянии 2r0 от центра сварочной дуги, тогда распределение температуры от действия этого источника теплоты описывается уравнением (12).
Остывающий металл сварного шва с тепловой мощностью представили источником теплоты, нормально распределенным по оси Y и подчиняющимся пуассоновскому распределению по оси Х. Его температурное поле описали как
, (13)
где А2 - нормирующий множитель; Lш=10еш.
Для расчета структурных составляющих сплава околошовной зоны использовали уравнение Колмогорова-Мела-Аврами, для которого приняли произведение для процессов распада аустенита, протекающих по диффузионному механизму (образование феррита, перлита и карбидов) и промежуточному (образование бейнита), в виде
, (14)
где k - кинетический параметр, зависящий от свободной энергии и скорости образования новой фазы; - длительность превращения; ; - скорость образования центров новой фазы; - скорость движения межфазной границы; - полное время превращения; - момент образования центра новой фазы.
Скорость образования и роста центров новой фазы (зародышей) в аустените описали выражениями
, (15)
, (16)
где Ac - соответствующая критическая температура; Т - текущая температура исследуемой точки ЗТВ во время охлаждения; В - кинетический параметр, учитывающий энергию образования критического зародыша; - константа скорости образования зародышей; - константа скорости движения межфазной границы; Q - энергия активации движения межфазных границ.
Кинетический параметр В определяли исходя из (Тн - температура минимальной устойчивости аустенита при соответствующем превращении). Параметр С2= определяли исходя из граничных условий V(Tн, фн)=Vн, где Vн - инкубационная объемная доля новой фазы.
Возникающие в процессе бейнитного превращения существенные внутренние напряжения, которые препятствуют образованию новых зародышей, учитывали при расчете скоростей образования и роста введением дополнительного члена. Последний включает текущее значение объемной доли бейнита.
Количество структурных составляющих (феррита Ф, карбидов К, перлита П, мартенсита М) в конечной структуре определяется по выражениям, аналогичным следующему
, (17)
где е - относительная объемная доля структурной составляющей.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Результаты проведенных исследований свидетельствуют о том, что предложенная модель сварочного источника теплоты описывает процессы нагрева и охлаждения пластин при наплавке значительно более точно, нежели известные распределённый источник и точечный источник теплоты. Установлено, что экспериментально полученные значения твердости в заданных точках близки к расчетным и находятся в пределах ошибки измерения (рис. 3).
Глава 3. Исследование и моделирование влияния сварочной дуги на плавление, испарение и перенос электродного металла в защитных газах
Температура, развивающаяся в сварочной дуге, является важнейшей характеристикой, которая определяет тепловое воздействие на электроды. Оценку температуры провели по методу относительных интенсивностей спектральных линий: искали связь между относительной интенсивностью спектральных линий I в виде, где л - длина волны спектральной линии, g - статистический вес нижнего уровня, f - сила осциллятора для эмиссионной линии, и энергией верхних уровней Е. Для измерения интенсивности спектральных линий и их длины волны использовали установку, включающую спектрограф ДФС-452 и многоканальный оптический регистратор спектра на приборах с зарядовой связью.
Установлено, что при токах 130...140 А температура плазмы промышленной сварочной дуги, образованной СО2 с проволокой Св-08Г2С диаметром 1,2мм, составляет 9000±200К. Температура плазмы дуги, образованной аргоном, при тех же условиях имеет температуру 8300±500К.
Добавляемые к аргону углекислый газ (до 20%) и кислород (до 15%), снижают температуру плазмы сварочной дуги. Добавка кислорода к углекислому газу также снижает температуру плазмы (рис. 4).
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Установлено, что снижение температуры во всех исследованных случаях составляет ~40K на каждый объемный % примеси. При 40%CO2 в смеси падения температуры плазмы не происходит по сравнению с плазмой смеси Ar+20%CO2.
Известно, что плавление электродной проволоки, в основном, происходит под действием двух источников теплоты - анодной области дуги и джоулева тепла, выделяющегося в вылете электрода: , где есть суммарный коэффициент расплавления электродной проволоки, - результат действия тепла, выделяющейся в анодной области, - результат действия джоулева тепла, выделяющегося в металле вылета электрода.
Величина тепла, выделяющегося в анодной области, следовательно, и коэффициент расплавления зависит от свойств плазмы, образованной защитным газом и парами электрода (работы ионизации атомов газа , транспортное сечение рассеяния электронов на атомах и молекулах газа F, теплопроводности и энтальпии газа Н), а также от свойств металла электрода (температура плавления металла Тпл, работы ионизации атомов металла ). Анализом величин, характеризующих процессы в анодной области дуги, получены следующие КП
, (18)
. (19)
Интерполяцией экспериментальных данных методом наименьших квадратов получено выражение для расчета коэффициента расплавления как функции свойств плазмы сварочной дуги
, (20)
где n - эмпирический коэффициент, Iсв=1 А.
С целью с целью учета влияния вылета электродной проволоки Lэ на скорость плавления низкоуглеродистой электродной проволоки бр и Vпл при сварке в углекислом газе и смесях Ar+CO2, Ar+O2 проведены экспериментальные исследования. Получены выражения вида
, (21)
где ki - эмпирические коэффициенты. В случае сварки в углекислом газе на обратной полярности k1 =0,616, k2=0,37, k3=0,32.
Для расчета частоты переноса электродного металла короткими замыканиями f анализом процесса методами теории подобия получены КП, связывающие характеристики сварочного контура (сопротивление R, индуктивность L), теплофизические свойства материала электродной проволоки (теплоемкость, теплопроводность, температуру плавления), а также ПР
, (22)
. (23)
Зависимость между ними в случае сварки в углекислом газе имеет вид
. (24)
Области, ограниченные известными видами переноса электродного металла через дуговой промежуток, зависят от плотности тока в электроде j и напряжения на дуге Uд. Для оценки величины напряжения на дуге при применении смесей Ar, CO2 и О2 как функции плотности сварочного тока при различных видах переноса методами нелинейного регрессионного анализа получены зависимости вида (рис. 5)
, (25)
где a1, a2 - эмпирические коэффициенты.
Обработкой экспериментальных данных получены зависимости для расчета коэффициента потерь на угар и разбрызгивание п при сварке в углекислом газе и смеси Ar+5%O2. При сварке в углекислом газе зависимость имеет вид
, (26)
где о - коэффициент, зависящий от типа источника питания.
Одним из источников потерь легирующих элементов при плавлении электродного металла является испарение металла с поверхности капли. Имеется два источника испарения: поверхность капель электродного металла и анодное пятно.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
В неизотермических условиях дуговой сварки плавлением унос паров металлов от поверхности испарения, которой является свободная поверхность капли диаметром dк, происходит путем конвективной диффузии. У поверхностей испарения образуется пограничный слой паров с ламинарным течением. При этом испарившийся атом диффузионным путем преодолевает пограничный слой паров, затем, подхваченный потоками защитного газа, уносится в околодуговое пространство.
С целью описания массопереноса в движущемся потоке газа применили теорию подобия и получили выражение для оценки коэффициента массопереноса, включающее критерии Рейнольдса Re и Шмидта Sc,
. (27)
Для использования зависимости (27) определили коэффициент диффузии паров металлов через пограничный слой (паровую рубашку) и скорости потоков газов, омывающих каплю электродного металла. Значение коэффициента бинарной молекулярной диффузии элементов металлического пара железа и марганца в защитной атмосфере СО, О2 или Аr определено расчетно-экспериментальным путем с использованием 6-12 потенциала Леннарда-Джонса. Установлено, что изменяется в пределах (0,5…2)10-3м2с-1. Экспериментально определено, что скорость газовых потоков на уровне капли Vг, параллельных скорости сварки, при сварке вертикальным электродом, а также углом вперед составляет 0,2…0,6 мс-1.
Установлено, что с ростом скорости потока газов и диаметра капли увеличиваются потери элементов с ее свободной поверхности. Причем влияние dк сильнее влияния скорости потоков: рост потерь элементов пропорционален и . Потери железа достигают 710-6 кг/с, а марганца - 110-6 кг/с. Принимая скорость потоков 0,4…1 мс-1 и диаметр капли 1,0…1,5 мм при теплоте испарения железа ДH=6,54 МДжкг-1 и марганца ДH=4,31 МДжкг-1, получили, что мощность, теряемая испарением с поверхности капли, соответственно, железа и марганца, составляет - 40…45 Вт и 2…4 Вт.
Для расчета потока испарения с поверхности анодного пятна использовали уравнение Ленгмюра. Экспериментально-расчетным путем установлено, что при сварке в углекислом газе проволокой Св-08Г2С с анодного пятна капли потери железа достигают 510-6 кг/с, а марганца - 210-4 кг/с (принятая температура поверхности анодного пятна составляет 3145 К).
При сварке плавящимся электродом в аргоне часто используется струйный перенос электродного металла, который характеризуется силой критического тока Iкр. На основании критериального анализа получены КП, описывающие связь между плотностью металла электродной проволоки г, его температурой плавления Tпл, скрытой теплотой плавления H и удельным электрическим сопротивлением с; а также размерами электрода Lэ (dэ) и поверхностным натяжением металла в газовой среде
, (28)
. (29)
После преобразования регрессионной критериальной зависимости получили выражение для расчета силы критического тока при сварке проволоками Св-08Г2С, Св-06Х18Н9Т. Например, для Св-08Г2С выражение имеет вид
. (30)
Глава 4. Разработка математических моделей и алгоритмов расчета оптимальных параметров режима сварки
Посвящена определению критериев оптимальности, разработке математических моделей методов и алгоритмов расчета оптимальных параметров режима в допустимой области их изменения.
Каждая операция дуговой сварки может быть описана взаимосвязью векторов внешних Q, внутренних X, в том числе, управляемых параметров P, РX, и выходных параметров Y. Приняли за управляемые параметры . Выходные параметры Y характеризуют свойства продукта операции. Выделим среди них векторы геометрических G, структурных S и механические M свойств Y={G, S, M}. Вектор М задается механическими свойствами . Вектор геометрических свойств G сварного соединения задается геометрическими размерами сварного соединения . Структурные свойства составляют вектор . Соответствие выходных параметров техническим требованиям (TT) определяет качество изделия
. (31)
ТТG для вектора геометрических свойств G является соответствующий государственный или отраслевой стандарт. Тогда имеет место функциональная зависимость
. (32)
Очевидно, что для любой технологической операции существует множество таких функциональных зависимостей, обеспечивающих выполнение равенства Y=TT±Д в пределах допустимых отклонений Д и области работоспособности РД пространства управляемых параметров, т.е. Р РД.
Введя функционалы Ц1(Р) и Ц2(Y), определяющие, соответственно, технологию и ее результат, можно сформулировать задачу нахождения оптимальной технологии следующим образом
(33)
где Ц2(Y) - ФЦ, а условие - ограничение на область изменения управляемых параметров.
В случае i-того сечения функционалов Ц1(Р) и Ц2(Y) имеем
(34)
Качество сварных конструкций имеет два аспекта - соответствие размеров сварного соединения требованиям конструкторской документации, ТТ и технологическое качество - отсутствие разного рода дефектов, таких как подрезы, прожоги, непровары, горячие и холодные трещины и некоторые др.
Соответствие размеров устанавливается государственными стандартами на сварные соединения. Однако принятие отдельных размеров шва как критериев оптимальности (КО) в процедурах проектирования технологии нежелательно, т.к. таким образом образуется вектор конфликтных частных критериев: достижение оптимального значения одного размера приводит к ухудшению другого.
В работе применены комплексные КО, связывающие размеры шва. Среди них выделяются технологические критерии, например, коэффициенты формы проплавления, формы валика (выпуклости), перекрытия корня шва. Такой подход позволяет разрабатывать режимы сварки оптимальные как по геометрическим показателям, определяемыми государственными стандартами на сварные соединения, так и по технологическими, такими как концентрация напряжений, свариваемость и потери присадочного метала.
Показано, что технологические задачи, возникающие при подготовке производства сварных конструкций, могут быть сформулированы как математические задачи нелинейного программирования, в которых ФЦ и ограничения являются нелинейными относительно ПР сварки. В соответствии с классической теорией оптимизации, предполагая, что функции вида непрерывны и дифференцируемы, использовали метод множителей Лагранжа для расчета оптимальных параметров режима сварки.
Применение методики показано, в частности, на распространенной при сварке и наплавке задаче получения качественного шва при минимальном времени процесса. Постановка задачи оптимизации при сварке: найти минимальное время заполнения разделки кромок сварного соединения при наличии некоторого набора ограничений. В качестве последних могут выступать требования обеспечения заданных h или щ, или формы проплавления и т.п. Причем перечисленные ограничения должны быть учтены как раздельно, так и в совокупности. За оптимизируемую величину приняли основное время сварки или наплавки, т.е. время горения дуги.
Математический формализм указанной задачи - минимизировать основное время при сварке соединений с разделкой кромок при обеспечении заданной глубины проплавления предыдущего слоя h. Дальнейшие рассуждения распространяются также на операцию наплавки. Рассматривая сварное соединение с разделкой кромок длиной L площадью поперечного сечения F, заполняемое за N проходов, получили ФЦ вида . Ограничение на глубину проплавления h установили в виде равенства (4). Видно, что оптимизируемая функция и ограничение являются функцией одних и тех же управляемых переменных, а именно - Iсв, Uд, Vсв, dэ.
На практике на управляемые переменные Uд и Vсв накладываются технологические ограничения. Связь между Iсв и Uд устанавливали по зависимости (25). Скорость сварки ограничивается с одной стороны минимально возможным значением Vmin, обеспечиваемой оборудованием или сварщиком при полуавтоматической сварке, или вероятностью образования дефектов шва типа наплывы, с другой - максимально возможным значением Vmax, обеспечиваемой оборудованием или сварщиком, или вероятностью образования дефектов шва типа подрезы и несплавления
. (35)
Аналогично, на силу сварочного тока накладывают ограничения, связанные с устойчивостью горения дуги, формированием шва и техническим возможностям сварочного оборудования
. (36)
После преобразования ограничений вида (35-36) к виду равенств с помощью фиктивных переменных i и v поставленная задача принимает вид
. (37)
В случае невозможности свертки вектора КО разработана ФЦ, которая в общем виде представляется средствами исчисления предикатов и логики первого порядка
сварной шов газ плавление
, (38)
где Kпр1,2, Kв1,2, Kпк1,2, Kп - предикаты, представляющие с первой и второй стороны соединения коэффициенты формы проплавления, формы выпуклости, перекрытия корня шва и коэффициент потерь электродного металла на разбрызгивание, Ф - высказывание «шов качественный»; - логическая связка «и».
Полученная логическая формула и принимает значение «истина», если каждый предикат, входящий в нее, истинен. Из полученной логической формулы следует, что достигнут экстремум функции цели, если при текущих значениях размеров шва и потерях на разбрызгивание формула истинна. Для реализации поисковой оптимизации определены управляемые параметры, наложены ограничения на область их изменения и разработаны алгоритмы.
Математические модели в этом случае имеют вид системы уравнений, среди которых выражения вида (4), (25) и
, (39)
где бр задается по (20), шп - по (26).
Формирование систем с различным числом уравнений необходимо в тех случаях, когда известны какие-либо ПР. Например, при технологической подготовке производства часто назначают dэ по толщине свариваемого металла или катету, поэтому для расчета Iсв,Uд, Vсв требуется система трех уравнений. В случае полуавтоматической (механизированной) сварки можно принять Vсв=7…8 м/ч, а для определения Iсв,Uд при заданном диаметре электродной проволоки dэ потребуется система двух уравнений, однако всегда требуется выражение вида (25).
Подобные документы
История развития сварки в защитных газах. Особенности и виды сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей в защитных газах, используемое на современном этапе оборудование, методы и приемы. Описание изделия, сваренного с применением защитных газов.
курсовая работа [491,5 K], добавлен 20.06.2013История и основные этапы развития сварки в защитных газах, ее сущность и принципы реализации. Характеристика защитных газов, применяемых при сварке. Оценка преимуществ и недостатков, область применения и преимущества аргонодуговой и ручной сварки.
реферат [26,9 K], добавлен 17.01.2010Основные трудности сварки титановых сплавов. Выбор и обоснование разделки кромок. Специальные технические мероприятия для удаления горячих трещин и пористости в швах. Сущность электронно-лучевой сварки. Особенности автоматической сварки в защитных газах.
курсовая работа [717,1 K], добавлен 02.12.2013Процесс ручной дуговой сварки электродами с основным видом покрытия и автоматической сварки порошковой проволокой в защитных газах. Расчет предельного состояния по условию прочности, времени сварки кольцевого стыка и количества наплавленного металла.
курсовая работа [167,8 K], добавлен 18.05.2014Современное состояние сварки. Металлургические приемы совершенствования сварки в углекислом газе. Сварка в защитных газах. Состав и свойства основного и присадочного материала. Диапазон оптимальных напряжений при сварке проволоками различных диаметров.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 17.06.2016Описание способа сварки неплавящимся электродом в защитных газах корневых слоев сварных соединений. Анализ изобретений в области сварки. Изучение основных приемов и методов теории решения изобретательских задач, позволяющих устанавливать системные связи.
курсовая работа [41,5 K], добавлен 26.10.2013Требования к качеству выполнения работ производственного цикла сварочных работ. Преимущества, недостатки и разновидности сварки в защитных газах. Состав технологического оборудования, необходимого для выполнения сварочных работ; технологический процесс.
курсовая работа [499,0 K], добавлен 01.09.2010Высокопроизводительный процесс изготовления неразъемных соединений. Необходимость сварки деталей разных толщин. Процесс электрошлаковой сварки. Скорость плавления присадочного металла. Выполнение прямолинейных, криволинейных и кольцевых сварных швов.
дипломная работа [2,7 M], добавлен 15.02.2013Технология дуговой сварки в защитных газах, характеристика сырья и продукции. Анализ затрат живого и прошлого труда с целью определения варианта развития технологического процесса. Место технологии дуговой сварки в структуре машиностроительного комплекса.
курсовая работа [100,4 K], добавлен 19.01.2013Развитие и промышленное применение сварки. Основные дефекты сварных швов и соединений, выполненных сваркой плавлением. Нарушение формы сварного шва. Влияние дефектов на прочность сварных соединений. Отклонения от основных требований технических норм.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 13.06.2016
