Комплексный расчет основных технологических параметров процесса импульсно-дуговой сварки
В.
В. ГриценкоБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Гриценко
В.
В. Комплексный расчет основных технологических параметров процесса импульсно-дуговой сварки // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2015. – Т. 13. – С.
1206–1210. – URL:
http://e-koncept.ru/2015/85242.htm.
Аннотация. В настоящее время одним из путей повышения эффективности применения сварки с импульсной подачей электродной проволоки является использование защитной газовой среды (Ar+CO2). В дальнейшем исследовании рассматриваемого способа сварки целесообразно применение информационных технологий и необходимого для этого математического и программного обеспечения. В результате было разработано специализированное компьютерное приложение «Моделирование процессов управляемого каплепереноса электродного металла», осуществляющее расчет основных технологических параметров процесса сварки на основе адаптированных уравнений расчета формы шва, изменения тепловых полей и скорости охлаждения зон сварного соединения.
Текст статьи
Гриценко Виталий Вадимович,Студент 3курса кафедры «Сварочное производство, Юргинский технологический институт филиал Томского политехнического университета, г. Юргаpavlin123@rambler.ru
Комплексный расчет основных технологических параметров процессаимпульснодуговой сварки
Аннотация.В настоящее время одним из путей повышения эффективности применения сварки с импульсной подачей электроднойпроволоки является использование защитной газовой среды ArCO2. В дальнейшем исследовании рассматриваемого способа сварки целесообразно применение информационных технологий и необходимого для этого математического и программного обеспечения. В результате чего было разработано специализированное компьютерное приложение «Моделированиепроцессов управляемого каплепереноса электродного металла, осуществляющее расчет основных технологических параметров процесса сварки, на основе адаптированных уравнений расчета формы шва, изменения тепловых полей и скорости охлаждения зон сварного соединения.Ключевые слова:сварка, импульсная подача, уравнения расчета, параметры сварки.
Одними из перспективных способов осуществления управляемого переноса электродного металла, являются импульснодуговые технологии и как частный случай способ сварки с использование устройства с импульсной подачей электродной проволоки ИПЭП [1].В основу процесса дуговой сварки с ИПЭП, положено использование дополнительной силы силы инерции, действующей в период торможения электрода, которая прикладываясь к капле, резко изменяет характер плавления ипереноса электродного металла аналогично импульсу электродинамической силы при импульсно дуговом процессе [2].Одним из путей повышения эффективности применения сварки с ИПЭПявляется использование защитной газовой среды ArCO2, что позволит обеспечить лучшее формирование шва и меньшую величину разбрызгивания электродного металла, чем при сварке в чистом углекислом газе [3,4].На основе проведенных экспериментов было установлено, что рационально использовать для сварки с ИПЭП защитную газовую среду Ar(70%±3%СО230%±3% [5].При дальнейшем исследовании рассматриваемого способа сварки целесообразно применение информационных технологий включающих в себя математический аппарат и программное обеспечение.В связи с этим была поставлена цель: разработка специализированного компьютерного приложения для моделирования процессов сварки с импульсной подачей электродной проволоки в управляемой защитной газовой среде.Для решения поставленной задачи на первоначальном этапе, были определены параметры характеризующие получение качественного сварного соединения:1 объем капли возможной перенести в сварочную ванну V, оказывает значительное влияние на устойчивость сварочного процесса, разбрызгивание электродного металла и интенсивность металлургических процессов в дугеи сварочной ванне;2 температура нагрева T и охлаждения поверхности свариваемого материала (ωT), определяют характер и уровень остаточных напряжений и деформаций в сварной конструкции;3 геометрические параметры сварного соединения ширина шва е), глубина проплавления h, усиление шва g)).Комплексный расчет основных параметров процесса сварки, должен осуществляться на основе зависимостей искомых параметров от режима сварки среднее значение тока I, напряжение на дуге Uд, скорость сварки Vсв, а также параметра ИПЭП частота переноса электродного металла f).Параметры удельной теплоемкости, плотности и температуры плавления свариваемого металла, приведены к усредненному значению и приняты как постоянные [6].Определение величины объем капли возможной перенести в сварочную ванну следует рассматривать на основе сил, действующих на каплю в процессе каплепереноса электродного металла [7,8].Fэд+Fд=Fр+Fпн, Н,(1)где электродинамическая сила, Н; динамическая сила, Н, которая является суммой силы тяжести и силы инерции, полученной при движении капли, равная , где gускорение свободного падения, м/с2;Fрсила давления плазменных потоков, Н;сила поверхностного натяжения, Н.Значения указанных выше сил общеизвестны. Введя их в выражение 1 определяется масса капли, которую возможно перенести в сварочную ванную:
(2)где μ,μ0абсолютная и относительная магнитная проницаемостьстали, Гн/м; R2радиус столба дуги, м; R1радиус электрода, м; σкоэффициент поверхностного натяжения, Н/м; Aкоэффициент, зависящий от материала электрода и параметров приэлектродных областей [9], А0,963∙1011Н·м2/А2, данное значение определено экспериментально для сварки с управляемым каплепереносом электродного металла в смеси газов Ar+CO2)).Разделив полученную зависимость 2 на плотность металла, определяется критический объем капли, способный перейти в сварочную ванну при сварке с короткими замыканиями:
(3)где ρплотность металла, кг/м3.Вследствие высокой сложности и многофакторности полученной физической зависимости 3 был использован метод многофакторного планирования эксперимента [10] и с помощью него получена линейная мультипликативная регрессионная модель, описывающая зависимость изменения величины объема капли от входных параметров режима процесса сварки:
(4)Для определения величины расчета приращения температуры от линейного источника постоянной мощности T и скорости охлаждения на оси шва при заданной температуре ωT), осуществлялась адаптация существующих уравнений для расчета приращения температуры от линейного источника постоянной мощности T) и скорости охлаждения на оси шва при заданной температуре ωT)),созданные Рыкалиным Н.Н. [11] для процессов стационарного движения электродной проволоки.Вследствие того, что в процессе сварки с управляемым каплепереносом электродного металла происходит постоянное изменение длиныдуги и соответственно силы тока, амплитуда тока за один период каплепереноса изменяется в пределах от 64 до 368А. На основании этого среднее значение определяется в зависимости от длительности каждого из двух периодов:1. Период образования капли электродного металла, при котором действует сварочный ток I1. 2. Период движения электродной проволоки, при котором действует сварочный ток I2;3. Период торможения электродной проволоки, при котором действует сварочный ток I3;4. Периода короткого замыкания, прикотором действует сварочный ток I1.Тогда эффективная тепловая мощность сварочной дуги определяется:
(5)где t1длительность сварочного тока в период образования капли электродного металла; t2длительность сварочного тока в период движения электродной проволоки, с; t3длительность сварочного тока в период торможения электродной проволоки; t4длительность сварочного тока при коротком замыкании, с; η эффективный к.п.д. нагрева изделия сварочной дугой.На основе выражения 5) уравнения для расчета приращения температуры от линейного источника постоянной мощности T и скорости охлаждения на оси шва при заданной температуре ωT)):
(6)
(7)Для расчетного определения изменения геометрических параметров шва применялся метод И.Ф. Коринец и Цзи Чжень Чун детерминированостатистического моделирования, при котором зависимость размеров шва от параметров сварки и величины зазора представляются в виде произведения степенных функций, а коэффициенты определяются в результате статистической обработки экспериментальных данных [12,13]. Зависимость геометрических размеров шва представляется в виде показательных функций:
(8)
(9)
(10)где bвеличина зазора, мм; hглубина проплавления, мм; eширина шва, мм; gусиление шва, мм.Используя разработанные уравнения410 было создано компьютерное приложение «Моделирование процессов управляемого каплепереноса электродного металла [14]. Блоксхема работы приложения и внешний вид представлены на рисунке 1 и 2.Работа в приложении начинается с создания нового проекта. Одновременно с добавлением элемента «проект создается отдельная база данных БД с набором шаблонных таблиц. Приложение разделено на несколько основных модулей отвечающих за входные данные, их расчет и отображение.Входные данные вносятся непосредственно пользователем а при необходимости выбираются из стандартных данных. На следующем этапе осуществляется контроль полноты вводимой информации системой «Оценка и проверка данных. После чего выполняется расчет основных технологических параметров процесса.
Рис.1.Алгоритм работы приложения «Моделирование процессов управляемого каплепереноса электродного металла
Первоначально для каждого из расчетных модулей происходит выбор необходимых параметров для расчета и построения модели. Данное ограничение позволяет избежать внесения избыточной информации, не используемой при расчете.
Рис. 2. Внешний вид компьютерного приложения «Моделирование процессов управляемого каплепереноса электродного металла
На следующем этапе происходит обработка данных, расчет и построение модели для определяемого параметра процесса через систему «Вывод значений. Если полученный результат удовлетворяет пользователя и не противоречит ограничениям, прописанным на основе ГОСТа, предоставляется возможность печати полученных результатов.Вывод: Разработано специализированное компьютерное приложение, осуществляющее расчет основных технологических параметров процесса сварки, на основе адаптированных уравнений расчета формы шва, объема капли,приращения температуры от линейного источника постоянной мощности T и скорости охлаждения на оси шва при заданной температуре ωT))для процессов сварки импульсной подачей электродной проволоки в управляемой защитной газовой среде.
Ссылки на источники1. Федько В.Т., Брунов О.Г., Соколов П.Д. Сварка с импульсной подачей сварочной проволоки как частный случай импульснодуговой сварки // Сварочное производство. 2006.№7. С. 6 8.2. Павлов Н.В., Крюков А.В., Зернин Е.А. Распределение температурных полей при сварке в смеси газов с импульсной подачей электродной проволоки // Сварочное производство. 2011. №1. С. 3536.3. Языков Ю.Ф.,Алексина И.В. Преимущества сварки в защитных газовых смесях // Сварочное производство. 2008.№9. С. 29 30.4. Карасев М.В., Работинский Д.Н., Головин С.В., Ладыжанский А.П., Павленко Г.В., Розерт Р., DrahtugStein, Зинченко А.В. Влияние режима механизированной сварки в смесях газов на служебные свойства наплавленного металла // Сварщик в России. 2007. №6. С.35 40.5. Павлов Н.В., Крюков А.В., Зернин Е.А. Сварка с импульсной подачей электродной проволоки в смеси газов // Сварочное производство. 2010.№4. С. 2728.6. Теория сварочных процессов: Учебник для вузов по спец. «Оборудование и технология сварочного производства // под ред. В.В. Фролова. М.: Высш.шк., 1988. 559с.7. Брунов, О.Г. Механизированная сварка в среде активных газов с импульсной подачей проволоки: научное издание Томск: Издво Томского политехнического университета, 2007. 137с.8. Сараев, Ю.Н. Исследование кинетики плавления и переноса электродного металла при электродуговой сварке плавящимся электродом в среде защитных газов [Текст] / Ю.Н. Сараев, А.А. Демьянченко, Д.А. Чинахов, А.В. Крюков, Н.В. Павлов // Материалы трудов IIмеждународной научнопрактической конференции с элементами научной школы для молодых ученых «Инновационные технологии и экономика в машиностроении:сборник. г.Томск 2011. С. 117 33.9. Солодский С.А. Разработка автоматизированной системы для сварки в СО2с импульсной подачей проволоки и модуляцией сварочного тока: автореф. дис. канд. техн. наук. Челябинск, 2010. 20 с.10. Березовский Б.М.Математические модели дуговой сварки: Т.1: Математическое моделирование и информационные технологии, модели сварочной ванны и формирования шва. Челябинск: Изд во ЮУрГУ, 2002. 585 с.11. Рыкалин, Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке / Н.Н. Рыкалин//. г.Москва 1951. 291 с.12. Коринец И.Ф., Цзи Чжень Чун. Детерминированностатистическая модель формы шва при дуговой сварке // Автоматическая сварка. 2001. №10. С.4447.13. Коринец И.Ф., Цзи Чжень Чун. Влияние зазора на размеры стыкового шва при дуговой сварке в смеси Аr 25% СO2плавящимся электродом // Автоматическая сварка. 2002. №8. С.1619.14. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2011616056 от 03.08.2012г. Моделирование процессов управляемого каплепереноса электродного металла. Павлов Н.В., Крюков А.В., Домнина Е.Г., Зернин Е.А.
Комплексный расчет основных технологических параметров процессаимпульснодуговой сварки
Аннотация.В настоящее время одним из путей повышения эффективности применения сварки с импульсной подачей электроднойпроволоки является использование защитной газовой среды ArCO2. В дальнейшем исследовании рассматриваемого способа сварки целесообразно применение информационных технологий и необходимого для этого математического и программного обеспечения. В результате чего было разработано специализированное компьютерное приложение «Моделированиепроцессов управляемого каплепереноса электродного металла, осуществляющее расчет основных технологических параметров процесса сварки, на основе адаптированных уравнений расчета формы шва, изменения тепловых полей и скорости охлаждения зон сварного соединения.Ключевые слова:сварка, импульсная подача, уравнения расчета, параметры сварки.
Одними из перспективных способов осуществления управляемого переноса электродного металла, являются импульснодуговые технологии и как частный случай способ сварки с использование устройства с импульсной подачей электродной проволоки ИПЭП [1].В основу процесса дуговой сварки с ИПЭП, положено использование дополнительной силы силы инерции, действующей в период торможения электрода, которая прикладываясь к капле, резко изменяет характер плавления ипереноса электродного металла аналогично импульсу электродинамической силы при импульсно дуговом процессе [2].Одним из путей повышения эффективности применения сварки с ИПЭПявляется использование защитной газовой среды ArCO2, что позволит обеспечить лучшее формирование шва и меньшую величину разбрызгивания электродного металла, чем при сварке в чистом углекислом газе [3,4].На основе проведенных экспериментов было установлено, что рационально использовать для сварки с ИПЭП защитную газовую среду Ar(70%±3%СО230%±3% [5].При дальнейшем исследовании рассматриваемого способа сварки целесообразно применение информационных технологий включающих в себя математический аппарат и программное обеспечение.В связи с этим была поставлена цель: разработка специализированного компьютерного приложения для моделирования процессов сварки с импульсной подачей электродной проволоки в управляемой защитной газовой среде.Для решения поставленной задачи на первоначальном этапе, были определены параметры характеризующие получение качественного сварного соединения:1 объем капли возможной перенести в сварочную ванну V, оказывает значительное влияние на устойчивость сварочного процесса, разбрызгивание электродного металла и интенсивность металлургических процессов в дугеи сварочной ванне;2 температура нагрева T и охлаждения поверхности свариваемого материала (ωT), определяют характер и уровень остаточных напряжений и деформаций в сварной конструкции;3 геометрические параметры сварного соединения ширина шва е), глубина проплавления h, усиление шва g)).Комплексный расчет основных параметров процесса сварки, должен осуществляться на основе зависимостей искомых параметров от режима сварки среднее значение тока I, напряжение на дуге Uд, скорость сварки Vсв, а также параметра ИПЭП частота переноса электродного металла f).Параметры удельной теплоемкости, плотности и температуры плавления свариваемого металла, приведены к усредненному значению и приняты как постоянные [6].Определение величины объем капли возможной перенести в сварочную ванну следует рассматривать на основе сил, действующих на каплю в процессе каплепереноса электродного металла [7,8].Fэд+Fд=Fр+Fпн, Н,(1)где электродинамическая сила, Н; динамическая сила, Н, которая является суммой силы тяжести и силы инерции, полученной при движении капли, равная , где gускорение свободного падения, м/с2;Fрсила давления плазменных потоков, Н;сила поверхностного натяжения, Н.Значения указанных выше сил общеизвестны. Введя их в выражение 1 определяется масса капли, которую возможно перенести в сварочную ванную:
(2)где μ,μ0абсолютная и относительная магнитная проницаемостьстали, Гн/м; R2радиус столба дуги, м; R1радиус электрода, м; σкоэффициент поверхностного натяжения, Н/м; Aкоэффициент, зависящий от материала электрода и параметров приэлектродных областей [9], А0,963∙1011Н·м2/А2, данное значение определено экспериментально для сварки с управляемым каплепереносом электродного металла в смеси газов Ar+CO2)).Разделив полученную зависимость 2 на плотность металла, определяется критический объем капли, способный перейти в сварочную ванну при сварке с короткими замыканиями:
(3)где ρплотность металла, кг/м3.Вследствие высокой сложности и многофакторности полученной физической зависимости 3 был использован метод многофакторного планирования эксперимента [10] и с помощью него получена линейная мультипликативная регрессионная модель, описывающая зависимость изменения величины объема капли от входных параметров режима процесса сварки:
(4)Для определения величины расчета приращения температуры от линейного источника постоянной мощности T и скорости охлаждения на оси шва при заданной температуре ωT), осуществлялась адаптация существующих уравнений для расчета приращения температуры от линейного источника постоянной мощности T) и скорости охлаждения на оси шва при заданной температуре ωT)),созданные Рыкалиным Н.Н. [11] для процессов стационарного движения электродной проволоки.Вследствие того, что в процессе сварки с управляемым каплепереносом электродного металла происходит постоянное изменение длиныдуги и соответственно силы тока, амплитуда тока за один период каплепереноса изменяется в пределах от 64 до 368А. На основании этого среднее значение определяется в зависимости от длительности каждого из двух периодов:1. Период образования капли электродного металла, при котором действует сварочный ток I1. 2. Период движения электродной проволоки, при котором действует сварочный ток I2;3. Период торможения электродной проволоки, при котором действует сварочный ток I3;4. Периода короткого замыкания, прикотором действует сварочный ток I1.Тогда эффективная тепловая мощность сварочной дуги определяется:
(5)где t1длительность сварочного тока в период образования капли электродного металла; t2длительность сварочного тока в период движения электродной проволоки, с; t3длительность сварочного тока в период торможения электродной проволоки; t4длительность сварочного тока при коротком замыкании, с; η эффективный к.п.д. нагрева изделия сварочной дугой.На основе выражения 5) уравнения для расчета приращения температуры от линейного источника постоянной мощности T и скорости охлаждения на оси шва при заданной температуре ωT)):
(6)
(7)Для расчетного определения изменения геометрических параметров шва применялся метод И.Ф. Коринец и Цзи Чжень Чун детерминированостатистического моделирования, при котором зависимость размеров шва от параметров сварки и величины зазора представляются в виде произведения степенных функций, а коэффициенты определяются в результате статистической обработки экспериментальных данных [12,13]. Зависимость геометрических размеров шва представляется в виде показательных функций:
(8)
(9)
(10)где bвеличина зазора, мм; hглубина проплавления, мм; eширина шва, мм; gусиление шва, мм.Используя разработанные уравнения410 было создано компьютерное приложение «Моделирование процессов управляемого каплепереноса электродного металла [14]. Блоксхема работы приложения и внешний вид представлены на рисунке 1 и 2.Работа в приложении начинается с создания нового проекта. Одновременно с добавлением элемента «проект создается отдельная база данных БД с набором шаблонных таблиц. Приложение разделено на несколько основных модулей отвечающих за входные данные, их расчет и отображение.Входные данные вносятся непосредственно пользователем а при необходимости выбираются из стандартных данных. На следующем этапе осуществляется контроль полноты вводимой информации системой «Оценка и проверка данных. После чего выполняется расчет основных технологических параметров процесса.
Рис.1.Алгоритм работы приложения «Моделирование процессов управляемого каплепереноса электродного металла
Первоначально для каждого из расчетных модулей происходит выбор необходимых параметров для расчета и построения модели. Данное ограничение позволяет избежать внесения избыточной информации, не используемой при расчете.
Рис. 2. Внешний вид компьютерного приложения «Моделирование процессов управляемого каплепереноса электродного металла
На следующем этапе происходит обработка данных, расчет и построение модели для определяемого параметра процесса через систему «Вывод значений. Если полученный результат удовлетворяет пользователя и не противоречит ограничениям, прописанным на основе ГОСТа, предоставляется возможность печати полученных результатов.Вывод: Разработано специализированное компьютерное приложение, осуществляющее расчет основных технологических параметров процесса сварки, на основе адаптированных уравнений расчета формы шва, объема капли,приращения температуры от линейного источника постоянной мощности T и скорости охлаждения на оси шва при заданной температуре ωT))для процессов сварки импульсной подачей электродной проволоки в управляемой защитной газовой среде.
Ссылки на источники1. Федько В.Т., Брунов О.Г., Соколов П.Д. Сварка с импульсной подачей сварочной проволоки как частный случай импульснодуговой сварки // Сварочное производство. 2006.№7. С. 6 8.2. Павлов Н.В., Крюков А.В., Зернин Е.А. Распределение температурных полей при сварке в смеси газов с импульсной подачей электродной проволоки // Сварочное производство. 2011. №1. С. 3536.3. Языков Ю.Ф.,Алексина И.В. Преимущества сварки в защитных газовых смесях // Сварочное производство. 2008.№9. С. 29 30.4. Карасев М.В., Работинский Д.Н., Головин С.В., Ладыжанский А.П., Павленко Г.В., Розерт Р., DrahtugStein, Зинченко А.В. Влияние режима механизированной сварки в смесях газов на служебные свойства наплавленного металла // Сварщик в России. 2007. №6. С.35 40.5. Павлов Н.В., Крюков А.В., Зернин Е.А. Сварка с импульсной подачей электродной проволоки в смеси газов // Сварочное производство. 2010.№4. С. 2728.6. Теория сварочных процессов: Учебник для вузов по спец. «Оборудование и технология сварочного производства // под ред. В.В. Фролова. М.: Высш.шк., 1988. 559с.7. Брунов, О.Г. Механизированная сварка в среде активных газов с импульсной подачей проволоки: научное издание Томск: Издво Томского политехнического университета, 2007. 137с.8. Сараев, Ю.Н. Исследование кинетики плавления и переноса электродного металла при электродуговой сварке плавящимся электродом в среде защитных газов [Текст] / Ю.Н. Сараев, А.А. Демьянченко, Д.А. Чинахов, А.В. Крюков, Н.В. Павлов // Материалы трудов IIмеждународной научнопрактической конференции с элементами научной школы для молодых ученых «Инновационные технологии и экономика в машиностроении:сборник. г.Томск 2011. С. 117 33.9. Солодский С.А. Разработка автоматизированной системы для сварки в СО2с импульсной подачей проволоки и модуляцией сварочного тока: автореф. дис. канд. техн. наук. Челябинск, 2010. 20 с.10. Березовский Б.М.Математические модели дуговой сварки: Т.1: Математическое моделирование и информационные технологии, модели сварочной ванны и формирования шва. Челябинск: Изд во ЮУрГУ, 2002. 585 с.11. Рыкалин, Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке / Н.Н. Рыкалин//. г.Москва 1951. 291 с.12. Коринец И.Ф., Цзи Чжень Чун. Детерминированностатистическая модель формы шва при дуговой сварке // Автоматическая сварка. 2001. №10. С.4447.13. Коринец И.Ф., Цзи Чжень Чун. Влияние зазора на размеры стыкового шва при дуговой сварке в смеси Аr 25% СO2плавящимся электродом // Автоматическая сварка. 2002. №8. С.1619.14. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2011616056 от 03.08.2012г. Моделирование процессов управляемого каплепереноса электродного металла. Павлов Н.В., Крюков А.В., Домнина Е.Г., Зернин Е.А.
