Разработка методики проектирования технологических процессов дуговой сварки алюминиевых сплавов комбинированными импульсами тока тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.06, кандидат технических наук Ельцов, Алексей Владиславович

• Ельцов, Алексей Владиславович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ельцов, Алексей Владиславович

Перечень условных обозначений и сокращений.

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи работы.

1-1 Анализ существующих технологий сварки алюминия и его сплавов

2 Особенности возникновения дефектов при сварке алюминия и его сплавов

1.21 Кристаллизационные (горячие) трещины при сварке.

1.£Z Оксидная пленка. 23 Газовая пористость.

1.2 ¿/Вольфрамовые включения.

3 Анализ существующих математических моделей дуговой сварки.

У. 3 4 Модели, прогнозирующие внешние дефекты, связанные с формой шва (непровары, прожоги, подрезы и пр.).

-3 2 Модели, позволяющие прогнозировать склонность к образованию холодных и горячих трещин.

4.3 3 Модели формирования микроструктуры.

3 4 Модели импульсной сварки.

1. Ц Цель и задачи работы.

Выводы по главе 1.

Глава 2 . Разработка модели импульсно-дуговой сварки. 1 Особенности математического моделирования процессов сварки алюминиевых сплавов.

2.2. Выбор численного метода.

2.3 Теплофизические свойства.

2 I/ Особенности моделирования источника теплоты при дуговой сварке алюминиевых сплавов.

Существующие модели источников.

2. Разработка эквивалентного источника теплоты с учетом особенностей импульсно-дуговой сварки.

2 5 Учет теплоотвода в технологическую оснастку (прижимы и формирующую подкладку).

2.6 Особенности моделирования процесса импульсной сварки с низкочастотной модуляцией.

2. 7 Разработка программного обеспечения.

Выводы по главе 2.

Глава 3 . Исследование особенностей процесса импульсно-дуговой сварки.

3, ¿[ Методика проведения экспериментальной работы.

3. 2 Методика количественной оценки величины теплоотвода в подкладку и прижимы

3.3 Проверка адекватности модели на стационарных режимах.

3. // Влияние темпа плавления на параметры термического цикла сварки

3.5* Проверка адекватности модели импульсно-дуговой сварки.

3.6 Оценка влияния скрытой теплоты плавления на распространение температурных колебаний при импульсно дуговой сварке алюминиевых сплавов.

Выводы по главе 3.

Глава 4 . Оптимизация и проектирование технологических процессов дуговой сварки алюминиевых сплавов комбинированными импульсами тока.

Расчет объема выделившегося газа. tf ,2 Управление дегазацией сварочной ванны с помощью комбинации импульсов различной интенсивности.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики проектирования технологических процессов дуговой сварки алюминиевых сплавов комбинированными импульсами тока»

Известно, что наиболее распространенным материалом, применяемым в аэрокосмической отрасли, является алюминий и его сплавы. В среднем алюминиевые сплавы составляют 60 - 70 % от общего веса изделия.

В настоящее время цветная металлургия переживает нелегкие времена. Резкое сокращение финансирования машиностроительных отраслей сказалось на производителях алюминия — материала, считавшегося, прежде всего стратегическим. В условиях рынка заводы, выпускавшие цветные металлы и сплавы, вынуждены перестраиваться под выпуск недорогой, но пользующейся спросом продукции. Это приводит к падению качества выпускаемых материалов, и в результате возникают новые проблемы даже при сварке ранее хорошо известных сплавов. При этом особо следует отметить рост вероятности возникновения дефектов наследственного происхождения: пор, несплошностей и др. При сварке плавлением алюминиевых сплавов такие дефекты часто возникают в высокотемпературной области (ВТО) и являются наиболее опасными и трудно устранимыми.

Известно, что одной из эффективных мер борьбы с дефектами является использование способов сварки с модуляцией вводимой энергии. Эти способы обладают рядом преимуществ, обеспечивая более широкие возможности для регулирования процесса проплавления основного металла и формирования шва. Управляя параметрами импульсного процесса, можно эффективно воздействовать на форму и размеры сварочной ванны, на кристаллизацию металла, на формирование шва, на временные и остаточные деформации и другие показатели процесса сварки. Основой механизма воздействия на эти показатели являются тепловые процессы в зоне сварного шва. При этом наиболее широкие возможности управления процессами в ВТО обеспечивают способы сварки с достаточно низкой (менее 5 Гц) частотой модуляции вводимой энергии. Экспериментальное исследование сложных тепловых процессов в ВТО, протекающих при использовании таких способов сварки, вызывает значительные трудности. В связи с этим одним из перспективных способов исследования становится численное моделирование, позволяющее получать данные, которые невозможно, либо крайне трудно получить экспериментальным путем.

Использование численных методов исследования способствует более глубокому пониманию исследуемых явлений, так как они не только позволяют констатировать тенденцию к увеличению числа дефектов при изменении того или иного параметра режима сварки, но и помогают установить причину их возникновения. Это, в свою очередь, дает возможность целенаправленно изменять параметры технологического процесса, а так же вносить изменения в сварочное оборудование и оснастку.

Среди способов сварки с модуляцией вводимой энергии наиболее распространенна импульсно-дуговая сварка (ИДС). Инверторные источники питания с микропроцессорным управлением, получившие широкое распространение в последнее время, позволяют управлять параметрами режимов ИДС в весьма широком диапазоне, обеспечивая практически любую форму импульса. Однако при этом резко возрастает число параметров режима, что значительно усложняет проектирование технологического процесса сварки экспериментальным путем. В связи с этим особенно актуальной становится проблема оптимизации режимов для ИДС со сложной формой импульса, решение которой невозможно без использования« современных расчетных методов и компьютерного моделирования.

Методы исследования. Для изучения структуры стыковых сварных соединений использовали оптическую и электронную металлографию на микроскопах МИМ-8М, «ИЕОРНОТ».

Одним из основных методов исследования было выбрано физико-математическое моделирование (ФММ) процессов, протекающих при ИДС. При разработке модели процесса использован детерминированно-статистический подход. При этом нелинейное нестационарное трехмерное уравнение теплопроводности используется как базовое. Были исследованы алюминиевые сплавы 1420, АМгб, АК4М4.

Для расчетов и обработки результатов экспериментов использовалось современное программное обеспечение (ПО) для ЭВМ.

Достоверность научных результатов вычислительного эксперимента, в целом подтверждалась сравнением расчетных и экспериментальных форм проплавления.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Показано, что разработанная модель процесса ИДС с шаговым перемещением электрода позволяет проектировать процессы импульсной сварки с более широкими возможностями управления параметрами термического цикла.

2. Показано, что предложенная расчетно-экспериментальная методика для определения величины тепла, отводимого в прижимы и подкладку, позволяет количественно учесть величину теплоотвода при сварке, соответствующую различным типам технологической оснастки.

3. Установлено, что использование при расчетах экспериментальных данных о нелинейном характере плавления материала позволяет повысить точность вычислений. Показано, что расчетная скорость охлаждения вблизи фронта кристаллизации в хвостовой части ванны в случае неучета характера плавления материала может оказаться завышенной на ~25%.

4. Исследование процесса ИДС, проведенное с помощью разработанной модели, позволило установить диапазон частот модуляции тока, где при расчетах тепловых процессов недопустимо использование непрерывно действующего источника теплоты, эквивалентного пульсирующему. Показано, что зона, лежащая между изотермами Ть-Тз, значительно ограничивает процесс распространения температурных колебаний.

Разработанная в работе методика проектирования технологических процессов дуговой сварки алюминия и его сплавов комбинированными импульсами тока в совокупности представляет собой основополагающий вклад в развитие и практическое использование импульсной дуги для сварки современных алюминиевых сплавов на этапе конструкторско-технологического проектирования инверторного оборудования и технологической подготовки производства, с оценкой и прогнозированием внешних и внутренних дефектов, их основных причин, и определения путей их снижения в условиях производства сварных конструкций.

Автор глубоко благодарен и признателен за полученные советы и замечания специалистам «МАТИ»-РГТУ им. К. Э. Циолковского: Сидякину В. А., Федорову С. А., Никитиной Е. В., Мачневу Е. А., а так же специалистам Тульского ГУ: Рыбакову А. С., Ерофееву В. А., Зайцеву О. И. и др

Заключение диссертации по теме «Технология и машины сварочного производства», Ельцов, Алексей Владиславович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Известной проблемой при дуговой сварке алюминиевых сплавов являются дефекты - поры и трещины. Одной из технологических мер по снижению числа дефектов является использование импульсной сварки. Использование комбинированных импульсов тока низкой частоты расширяет возможности по воздействию на дефектность сварных соединений, и в то же время затрудняет оптимизацию процесса сварки благодаря большому количеству параметров. Для решения этой проблемы предложено использовать математическое моделирование.

2. Разработана физико-математическая модель импульсно-дуговой сварки, позволяющая моделировать нестационарные тепловые процессы, учитывающая ряд особенностей процесса ИДС алюминиевых сплавов. Предложена модель источника теплоты, представляющая собой сочетание поверхностного нормальнокругового источника с внутренним полуэллиптическим.

3. Предложена расчетная схема, позволяющая моделировать ИДС с шаговым перемещением электрода. Показано, что использование данного процесса дает более широкие возможности по управлению тепловыми процессами в ВТО.

4. Проведены мероприятия, направленные на повышение адекватности модели. Изменение радиуса активного пятна нагрева, имеющее место при ИДС, оказывает значительное влияние на формирование шва, его необходимо учитывать при расчетах. Для моделирования этого явления предложено использовать экспериментальные данные. Установлено, что учет неравномерного характера плавления и кристаллизации металла позволяет снизить погрешность при расчете скорости охлаждения в хвостовой части сварочной ванны на 25 %. Предложена и опробована расчетно-экспериментальная методика, позволяющая учитывать при расчетах стоки тепла в прижимы и формирующую подкладку.

5. С помощью разработанной компьютерной модели проведено численное исследование влияния частоты колебаний на параметры термического цикла сварки. Установлен диапазон частот, в которых неправомерно использование при расчетах непрерывного источника, эквивалентного импульсному.

6. Показана возможность использования модели для расчета газовыделения в ВТО для сплавов, склонных к образованию наследственной пористости. Получены номограммы, описывающие характер газовыделения в зависимости от режима сварки, которые могут быть использованы для оптимизации режима сварки.

7. Разработанная модель использована для проектирования процесса дуговой сварки с комбинированной формой импульса, направленного на снижение пористости наследственного происхождения в сплаве 1420 и других сплавов, склонных к образованию наследственной пористости. Оптимальные параметры режима удалось получить при использовании схемы с шаговым перемещением электрода. Разработаны технологические рекомендации для разработки сварочного оборудования, реализующего предложенный процесс.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ельцов, Алексей Владиславович, 2004 год

1. Николаев Г. А., Фридляндер И. Н. Арбузов Ю. П. Свариваемые алюминиевые сплавы—М.: Металлургия, 1990. 276 с.

2. Сварка в машиностроении: справочник в 4-х томах/ Николаев Г. А., Ольшанский Н. А., Акулов А. И. и др.- М.: Машиностроение, 1978.

3. Шиганов Е В., Казаков В. А. Технология и оборудование для импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом алюминиевых сплавов

4. Никитина Е. В. Исследование свариваемости и разработка технологии сварки вторичных алюминиевых сплавов: Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. МАТИ, 1981. - 252 с.:ил.

5. Никифоров Г. Д. Металлургия сварки плавлением алюминиевых сплавов. — М.: Машиностроение, 1972. — 264 с.:ил.

6. Рязанцев В. И., Федосеев В. А. Металлургическая и технологическая пористость алюминиевых сплавов при дуговой сварке// Сварочное производство. 2001. № 11. С. 22-27

7. Рыкалин H.H. Расчеты тепловых процессов при сварке. М.: Машгиз. 1951. 296 с.

8. Сараев Ю.Н. Импульсные технологические процессы сварки и наплавки. Новосибирск: Наука, 1994. 108 с.

9. Березовский Б. М. Математическое моделирование формирования шва в различных пространственных положениях // Сб. Научн. Трудов ИЭС им. Е. О. Патона: математические методы в сварке. Киев: ИЭС им. Е. О. Патона, 1986. С. 111-116

10. Berezowsky В. М. The mathematical model for optimization of weld shape formation in different position of arc welding. 6th Int. Conf. Computer Technology in Welding. Lanaken 9-12 June. 1996. Paper 12.

11. Макаров Э. JI., Коновалов А. В. Математические модели икомпьютерные программы для расчетов показателей свариваемости // САПР и экспертные системы в сварке. Изв. ТулГТУ. Тула: ТулГТУ, 1995. С. 43-50.

12. Гладков Э. А., Малолетков А. В., Перковский Р. А. Прогнозирование качества стыковых соединений при дуговой сварке неплавящимся электродом с помощью нейросетевых моделей // Сварочное производство. Л997. № 8. С 3-7.

13. Штрикман М. М. Тепловые процессы при аргонодуговой сварке с вертикальной подачей присадочной проволоки// Сварочное производство. 1995. № 7. С 18-20.

14. Гладков Э.А. Задачи прогнозирования качества и управления формированием шва в процессе сварки с использованием нейросетевых моделей//Сварочное производство. 1996. № 10. С 36-41

15. Кархин В.А., Нгуен Н.М. Расчетная оценка предела усталости сварных стыковых, тавровых и крестовых соединений на основе подходов механики трещин// САПР и экспертные системы в сварке. Тула: ТулГТУ, 1995. С. 100-107.

16. Дилтей У., Павлик В., Райхель Т. Компьютерное моделирование формирования микроструктуры металла при сварке плавлением. //Автоматическая сварка. 1997. №3. С. 3-9

17. Судник В. А., Иванов А. В. Програмное обеспечение для проектирования процессов аргонодуговой сварки на базе модели формирования, шва // САПР и экспертные системы в сварке. Изв. ТулГТУ. Тула: ТулГТУ, 1995. С. 108-119.

18. Ерофеев В. А. Решение задач оптимизации технологии на основе компьютерного моделирования процесса сварки//Сварочное производство. 2003. № 7. С 19-26

19. Мокров О. А. Моделирование формирования угловых швов и параметрическая оптимизация процесса сварки сталей плавящимся электродом. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. Тула, 1991 г.

20. Ерофеев В. А. Методы решения обратных задач в сварке//Компьютерные технологии в соединении материалов: Сб. научи, трудов 3-й Всерос. науч.-техн. конф. Тула: ТулГУ, 2001. 227 с.

21. Судник В.А, Рыбаков A.C. Программное обеспечение для проектирования процессов аргонодуговой сварки на базе модели формирования шва.// "САПР и экспертные системы в сварке. Изв. ТулГУ. Тула: ТулГУ, 1995, С. 31 38.

22. Амосов А. П., Николаев В. Е., Амосов С. П. Расчет температурного поля с учетом производительности сварки. // Сварочноепроизводство. 1993. № 11-12. С 18-20.

23. Букаров В. А., Ермаков С. С. Механизм образования капли и ее переход в ванну при дуговой сварки// Сварочное производство. 1993. № 11-12. С 20-22.

24. Букаров В. А., Ищенко Ю. С., Лошакова В. Г. Влияние конвекции металла в сварочной ванне на проплавление // Сварочное производство. 1978. № 11. С. 4-7.

25. Киселев С. Н., Топоров В. Г. Расчет температурных полей при сварке пластин в нелинейной постановке с учетом распределенности источника теплоты. // Вопросы атомной науки и техники. М.: НИКИМТ, 1984. Вып. 1(12). С. 25-32

26. Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен: В 2-х т. Пер. с англ.- М.: Мир, 1990.—728 с.:ил.

27. Локуциевский О. В., Гавриков М. Б. "Начала численного анализа".-М.: ТОО "Янус:, 1995.- 581 с.:ил.

28. Физические величины: справочник / Бабичев А. П., Бабушкина Н. А., Братковский А. М. и др.-М.: Энергоатомиздат, 1991.-1232 с.

29. Лошкарев В. Е., Немзер Г. Г., Самойлович Ю. А. Определение теплофизических характеристик стали из решения обратной задачи теплопроводности// Промышленная теплотехника. 1980. Т. 2. № 3. С. 22-28

30. Рязанцев В. И., Федосеев В. А., Гринин В. В., Кирышева Т. И. Влияние металлургических и технологических факторов на пористостьсварных соединений сплава 1420//Сварочное производство. 1982. № 9. С 21-22

31. Фролов В. А., Никитина Е. В., Ельцов А. В. Прогнозирование физико-химических процессов при дуговой сварке алюминиевых сплавов // Сварочное производство. 2002. № 7 С 20-25

32. Гуревич В. И. Приближенный метод тепловых расчетов при импульсном режиме работы источника тепла. // Сварочное производство. 1966. № 11. С. 8-10

33. Макаров Э. Л., Коновалов А. В., Якушин Б. Ф., Пшенников А. А. Расчетный метод оценки стойкости сварных соединений сплавов против образования горячих трещин // Сварочное производство. 1997. № 11. С 13-16.

34. Прохоров Н. Н. Горячие трещины при сварке. М.: Машгиз, 1954,-220 с.

35. Третяк Н. Г., Илюшенко Р. В., Яворская М. Р., Лещинер Л. И., Латушкнна Л. В! Свариваемость листовых полуфабрикатов сплава 1440//Автоматическая сварка. 1995. №4. С. 27-30

36. Овчинников В. В., Редчиц В. В. О двух механизмах образования зародышей газовых пузырьков при сварке алюминиевых сплавов, легированных литием//Сварочное производство. 1991. № 9. С. 40-43.

37. Овчинников В. В., Рязанцев В. И., Гринин В. В. О причинах пористости при дуговой сварке деформируемых алюминиевых сплавов//Сварочное производство. 1989. № 07. С. 32-34.

38. Никифоров Г. Д., Радченко С. В., Виноградов В. С.Кинетикадиффузионного увеличения объема пузырьков газа в расплаве.// Сварочное производство. 1980. № 5. С 1-4

39. Серенко А. Н., Шаферовский В. А., Пивторак Н. И: Температурные поля при двухдуговой сварке с программированием режима//Сварочное производство. 1992. № 7. С 23-24.

40. Макаров Э. JI., Куркин А. С., Выборное А. П., Сухарев С. Н. Программный комплекс для оценки надежности и остаточного ресурса сварных соединений// Сварочное производство. 2001. № 10. С. 4-9.

41. Березовский Б. М., Суздалев И. В, Сажин О. В. Влияние давления дуги и ширины шва на форму поверхности и глубину кратера сварочной ванны//Сварочное производство. 1990. № 2. С 32-35.

42. Кархин В. А. Расчет температурных полей при использовании источников тепла с периодически изменяющейся мощностью//Автоматическая сварка. 1993. №6. С. 3-7

43. Сараев Ю.Н., Кректулева P.A., Косяков В.А. Математическое моделирование технологических процессов импульсной аргонодуговой сварки неплавящимся электродом//Сварочное производство. 1997. № 4. С 2-4

44. Зайцев О. И., Рыбаков А. С., Судник В. А. Модель источника теплоты при имитации импульсной МИГ-сварки алюминиевых сплавов/ЛСомпьютерные технологии в соединении материалов: Сб. научи, трудов 3-й Всерос. науч.-техн. конф. Тула: ТулГУ, 2001. 227 с.

45. Судник В. А., Иванов А. В., Дилтай У. Адекватность компьютерной имитации процесса импульсной дуговой сварки стальных пластин/ЛСомпьютерные технологии в соединении материалов: Сб. научи, трудов 3-й Всерос. науч.-техн. конф. Тула: ТулГУ, 2001. 227 с.

46. Рыбаков А. С. Физико-математическая модель импульсно-дуговой сварки алюминиевых сплавов: Монография/под общ. ред. В. А. Судника, В. А. Фролова.-Тула: ТулГУ, 2002, 160 с.

47. Щетинина В. И., Лещи некий Л. К., Серенко А. Н. Движениежидкого металла в сварочной ванне//Сварочное производство. 1988. № 04. С. 31-33.

48. Столбов В. И. Роль активного пятна электрической дуги в формировании сварочной ванны//Сварочное производство. 1992. № 4. С. 26-28.

49. Столбов В. И. Потехин В. П. Модель нагрева поверхности сварочной дугой //Автоматическая сварка. 1979. № 12, С. 10-12. %

50. Столбов В. И. Исследование формы сварочной дуги //Автоматическая сварка. 1979. № 2. С. 15-22.

51. Дмитрик В. В. Разработка метода определения температурного режима расплава ванны// Машиностроение Изв. вузов. 1999. №1. С. 7680

52. Славин Г. А., Трохинская Н. М. О связи тепловых и гидродинамических процессов в ванне при сварке непрерывно горящей дугой тонколистовых материалов //Сварочное производство. 1983. № 4. С 4-6

53. Славин Г. А., Трохинская Н. М. О связи тепловых и гидродинамических процессов в ванне при сварке импульсной дугой неплавящимся электродом тонколистовых материалов//Сварочное производство. 1985. № 9. С 39-41

54. Размышляев А. Д. Исследование потоков жидкого металла в ванне при дуговой сварке//Сварочное производство. 1985. № 10. С 31-32

55. Славин Г. А., Трохинская Н. М., Рязанцев В. И., Столпнер Е. А. К вопросу о механизме разрушения оксидных пленок при дуговой сварке неплавящимся электродом алюминиевых сплавов//Автоматическая сварка. 1991. №7. С. 29-30.

56. Судник В.А., Карпухин Е.В., Радаи Д., Хекелер Г. Метод эквивалентного источника теплоты: поверхность солидуса движущейся сварочной ванны для мкэ-расчета трехмерного температурного поля// Компьютерные технологии в соединении материалов: Известия

57. Тульского государственного университета. Под ред. В.А. Судника. Тула: ТулГУ,1999. С. 49-63

58. Goldak J., Chakravarti A., Bibby M. A new fînite element model for welding heat sources. Metallurgical Transactions, 1984. V. 15B, P. 299305.

59. Шоршоров M. X., Барашков A. С. К оценке эффективного радиуса подвижного нормально-кругового источника на поверхности плоского слоя по ширине зоны проплавления//Сварочное производство. 1990. № 8. С 40-42.

60. Пентегов И. В., Сидорец В. К. Силовое воздействие сварочной дуги при учете ее динамики//Автоматическая сварка. 1993. №12. С. 2731

61. Царьков А. В., Орлик Г. В. Определение коэффициента сосредоточенности сварочной дуги при сварке неплавящимся электродом//Сварочное производство. 2001. № 6. С 3-6

62. Ковалев А. А., Никулин В. П., Симоник А. Г. Верещагин С. И. Однопроходная гелиеводуговая сварка погруженным вольфрамовым электродом толстолистового алюминиевого сплава АМг6//Сварочное производство. 1978. № 8. С. 16-17.

63. В.И. Рязанцев, В.А. Федосеев Некоторые аспекты дуговой сварки алюминиевых сплавов на весу//Сварочное производство. 1996. № 10. С 4-6

64. Гринин В. В., Петров А. В., Овчинников В. В., Ширяева Н. В., Гуреева М. А., Филиппова М. А.Свойства сварных соединений сплава 1420, выполненных сканирующей дугой //Сварочное производство.1986. №6. С 20-21

65. Абралов М. А., Абдурахманов Р. У. Механизм образования пор в сварных швах//Сварочное производство. 1988. № 02. С. 39-41.

66. Рязанцев В. И., Славин Г. А., Трохинская Н. М., Толкачев Ю. И., Абрамова А. А. Особенности кристаллизации сварочной ванны при сварке с наложением на дугу кратковременных импульсов тока//Сварочное производство. 1988. № 04. С. 39-41.

67. Илюшенко Р. В., Третяк Н. Г., Лозовская А. В., Ищенко А. Я. Особенности дуговой сварки промышленных полуфабрикатов алюминиевого сплава 1420//Автоматическая сварка. 1991. №4. С. 53-60.