Численный анализ дефектов формы сварного шва при дуговой сварке

МАШИНЫ, ТЕХНОЛОГИИ И МОДЕЛИРОВАНИЕ СВАРО ЧНЫХ ПРОЦЕССОВ *

УДК 621.791.75

В.А. Судник

ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ ДЕФЕКТОВ ФОРМЫ СВАРНОГО ШВА ПРИ ДУГОВОЙ СВАРКЕ

Представлен анализ состояния моделирования и имитации формирования дефектов при дуговой сварке. Приведены формулировки стационарных математических моделей сварки неплавящимся и плавящимся электродами, а также нестационарной модели плавящимся электродом. Решение задач поиска параметров режима сварки, обеспечивающих бездефектные области, проиллюстрированы на примерах двухмерных областей для СНЭ и трехмерных областей СПЭ.

Введение. Возрастание скорости и тока дуговой сварки неизбежно приводит к формированию дефектов сварки, таких, как различные не-сплавления, подрезы, горбистость и т.д. Дефекты сварки плавлением классифицируются международным стандартом 1БО 6520-1 и с 2003 г. в России и странах СНГ ГОСТ 30242-97. В настоящей статье рассматриваются дефекты 4-й (несплавления и непровары) и 5-й групп (нарушения формы шва), воспроизводимые математическими моделями формирования сварного шва. Дефекты других групп типа трещин, пор и твердых включений описываются более сложными моделями, учитывающими реакции между газами и свариваемым металлом, явления кристаллизации, твердофазных превращений и остаточных напряжений.

При обработке данных натурных экспериментов используется вычислительный эксперимент, в котором по дополнительным косвенным измерениям делается вывод о внутренних связях явления. При известной структуре математической модели исследуемого процесса решается обратная задача идентификации. Если модели процесса или явления нет, то проводится обработка в режиме «черного ящика» и решается обратная ап-проксимационная задача [1].

♦Избранные труды Второй Международной электронной научно-технической конференции «КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СОЕДИНЕНИИ МАТЕРИАЛОВ - 2007». - 01.09.2007. - 01.02.2008, Тула.

Модели идентификации и аппроксимации, используемые в обратном моделировании [2] и полученные подобным путем, в САПР называют феноменологическими. Феноменологическое моделирование выделяют при моделировании сварочных процессов наряду с подходами регрессионного анализа и искусственных нейронных сетей [3].

Феноменологическое математическое моделирование может основываться на использовании косвенных экспериментов, контролирующих дефекты 4-й и 5-й групп, таких, как модели разрыва во времени и давления дуги Патона и др., [4] понижения уровня ванны на линии её максимальной ширины Ерохина и др. [5], гидравлического прыжка [6], строжки [7] и др. [8]. В работе [9] анализируются три типа дефектов при аргонодуговой сварке: бугристость, подрез и свищ. Явление бугристости изучено в работе [10]. Известны аналитическая модель Гратзке и др. [11] неустойчивости жидкой струи Рэлея для шва с дефектами при лазерной сварке и упрощенные модели подреза и горбления [12]. Среди численных математических моделей можно назвать трехмерные модели [13, 14] для сварки неплавя-щимся электродом, модели [15, 16] для сварки плавящимся электродом и модель [17] для импульсно-дуговой сварки одним и двумя электродами.

Стационарная модель сварки неплавящимся электродом. Трехмерная модель СНЭ, которая прогнозирует дефекты типа подреза и прожога при стыковой сварке, описывается системой уравнений:

1) сохранения энергии

дН

дх

где Хея(7) - эффективный коэффициент теплопроводности [18], зависящий от температуры Т и учитывающий конвекцию в сварочной ванне,

А.е^-(7')= А,£(2-(Т£ -Т0)/(Т-То)), А,[_ - коэффициент теплопроводности

при температуре ликвидуса и Го - окружающая температура,

pvw - div\keff

с граничными условиями

л дТ r\Q - к— =---------—ехр

fe 2n<jj

-а ҐТ-Т0)-го0

где Нч - эффективная мощность источника теплоты, ст- параметр распределения теплового потока анодной мощности, остальные обозначения общепринятые;

2) сохранения массы соединения, где объём сварочной ванны при комнатной температуре равен объёму расплавленной ванны с учетом выпуклости при объёмном термическом расширении и фазовом превращении «твердое - жидкое», что учитывается через температурное изменение плотности р(7);

3) сохранения движения свободной поверхности [19, 20] сварочной ванны 2=1{х,у) с адаптацией для условий сварки [14]

± о(Т )V •

VZ

Vl + I vz

= peZ + П________________4- T-*.

г о Jt urc  »

где о(Т) - поверхностное натяжение расплава, V •- оператор Гамильтона (набла-оператор), g - ускорение свободного падения, /?агс - давление дуги, Г - константа, обозначает вызванное деформацией поверхностей среднее

изменение давления в расплаве, или множитель Лагранжа в экстремальной постановке.

Распределенное давление дуги определяется как

Раге —

гг

1 arc

2 по

(

ехр

2а-

где Farc - полная сила давления дуги, ар - параметр её распределения, г - расстояние от оси дуги.

Расчетная и экспериментальная геометрия ванны. Сопоставление расчетной и экспериментальной геометрии ванны для режимов СНЭ ау-стенитной стали 12Х18Н10Т толщиной 2,2 мм вольфрамовым электродом с углом заточки 30° и диаметром притупления 1 мм приведено на рис. 1,

2. Рис. 1 иллюстрирует продольные сечения сварочной ванны на режиме: I- 265 А, 1агс- 2 мм и vw = 1,1 см/с. Продольные сечения шва получены при высокопроизводительной сварке на режиме: I = 410 A, larc = 1 мм и vw= 3 см/с.

Рис. 1. Сравнение расчетного

Математическая модель и её программное обеспечение хорошо воспроизводит подрез линии сплавления (рис. 2).

Рис. 2. Сравнение расчетного (слева) и натурного (справа) поперечных сечений шва (вверху), а также трехмерный вид (внизу) расчетной продольной половины сварного соединения

Уравнения решали численно методом контрольного объёма. Численная аппроксимация нелинейной математической модели реализована в 1988 г. На языке БоЛтал с операционной системой ОС ДВК на компьютере ДВК-3 с объёмом оперативной памяти 64К производства СССР. Визуализация трехмерной сварочной ванны и ее поверхности с подрезом выполнена и впервые в мире опубликована в 1991 г. Численный анализ формирования подреза линии сплавления выполнен в докторской диссертации автора [19], где показано, что двумя основными факторами, определяющими форму подреза, являются уровень жидкого металла перед фронтом кристаллизации и положение последнего. Первый фактор зависит от равновесия распределенных сил в сварочной ванне и гидродинамики ванны, а второй - от термических условий кристаллизации. Путями предотвращения подрезов являются: 1) перераспределение давления дуги отклонением катода вперед или использованием полого катода для уменьшения давления дуги и исключения строжки; 2) использование подогрева или снижения температуры ванны (для уменьшения градиента температур на фронте кристаллизации); 3) переход к двух- и многодуговым процессам, эффективно реализующим оба вышеназванные пути.

Вытекание ванны, или прожог, является следствием потери устойчивости ее нижней поверхности. Сила поверхностного натяжения пропорциональна кривизне. Радиус продольной кривизны нижней поверхности  а радиус поперечной уменьшается по мере кристаллизации ванны и сужения её ширины. При этом на поперечном профиле неизбежно появление перегибов, приводящих к потере устойчивости. Появление вертикального перегиба нижней поверхности ванны ЪИду со приводит к расхо-

димости численного решения нелинейной задачи равновесия обратной стороны шва, в то время, как линейное решение сходится, что было отмечено ранее в литературе [13].

Если представленная выше модель в упрощенной линейной постановке воспроизводит формирование подрезов, то для расчетного прогноза образования прожогов модель должна строиться только в нелинейной постановке, т.е. с учетом зависимостей коэффициента теплопроводности от температуры и деформации поверхностей от кривизны. Путями предотвращения прожогов являются: 1) уменьшение массы ванны, 2) снижение температуры и давления отдачи пара, например, за счет введения присадочной проволоки или использования электромагнитного перемешивания,

3) наложение позади дуги внешнего поперечного магнитного поля, создающего при взаимодействии с током в сварочной ванне, вертикальные объёмные силы.

Двумерная область бездефектной СНЭ. Двумерная область бездефектного формирования шва и образования сварочных дефектов типа не-провара, а также прожога и непрерывного подреза, зависящих от скорости сварки и тока, приведена на рис. 3.

Рис. 3. Бездефектная рабочая область при СНЭ в аргоне в зависимости от скорости сварки и тока для аустенитной стали толщиной 2 мм, полученная моделированием теплопереноса и гидростатики

Стационарная модель сварки плавящимся электродом. Трехмерная численная модель МАГ сварки описывается системой уравнений энергии, массы и движения. В уравнении энергии электрическая мощность дуги является суммой мощностей, выделяемой в анодной и катодной областях, а также в плазме столба дуги AQC0/. Анодную мощность разделяли на две составляющие - объёмную qvo/, и поверхностную qsurf-

PVW “ = div[X

OX

с граничными условиями

> \

+ Я шг/с + Я $иг/,со1 ” °С 5

г2

. дТ Чзиг/а -Я.— *-----------техр

& 2тга~

2

где дто/ = рУу,Ауу{сТ5 + Нт); - скорость подачи электродной проволоки;

Л„ - площадь ее сечения; Т5 - температура солидуса; Нт - энтальпия плавления; Ч$иг/а у)\ А#«, - энтальпия перегрева капель;

= 0,5(Тгар -Ті); Ттр и Г[ - температуры испарения и плавления

проволоки; Ста - параметр распределения анодной мощности капель.

Уравнение сохранения массы сварного соединения с учетом её локального увеличения от поступления капель электродного металла имеет вид

2

»ті ’р

Шрт0 - Ш Аф* + V ^ .

где с!„ - диаметр электродной проволоки; скорость подачи проволоки; Ьу,р - средняя длина сварочной ванны.

Уравнение движения свободной поверхности сварочной ванны запишется так:

у 7

±ст

Ь'М

где И - высота столба расплава; р„ - давление отдачи паров.

Оптимизация параметров СПЭ и трехмерная область бездефектных швов. Выбор наилучшего значения основывается на решении оптимизационной задачи с учетом параметров сварки. Алгоритм поиска параметров сварки 1,1] и в области вольт-амперной характеристики дуги включает следующие шаги:

1. Выбор максимального сварочного тока.

2. Расчет соответствующего напряжения дуги.

3. Задание некоторой начальной скорости сварки и поиск методом золотого сечения максимальной скорости сварки утах, при которой обеспечивается проплавление угла.

4. Поиск минимальной скорости сварки ут{п, при которой обеспечивается полное проплавление одной из деталей.

5. Оценка вероятности дефектов вытекания ванны и подреза с корректировкой при необходимости ут|„.

6. Расчет г'-го коэффициента вариации Р\.

7. Повторение процедур расчета, начиная с нового значения тока, и расчет нового коэффициента вариации.

8. Выбор наибольшего значения Р, как оптимального и запоминание оптимальных значений тока /50, напряжения Us и скорости сварки vso.

Экранная копия результатов нахождения оптимальной точки в допустимой области изменения тока и напряжения, а также скорости МАГ сварки в смеси СОг + 18 % Аг стыкового соединения низколегированной стали приведена на рис. 4.

"u.cnvraln

1 и. V

Рис. 4. Экранная копия результатов нахождения оптимальной точки в допустимой области изменения параметров сварки

Нестационарная математическая модель сварки плавящимся электродом. Нестационарная модель МИГ/МАГ сварки отличается динамическим членом в уравнении энергии

cp^-pv.f = div\X(T )gradT ] ot ôx

-Æ =

dz

с граничными условиями

ґ 'У N

Qan

2 ко

exp

an

2a

an

2nocat

\

2a

cat y

-*S(T-T0),m

где п - доля мощности столба дуги, затрачиваемая на нагрев стенок кратера и поверхностей угловых соединений.

Уравнение сохранения массы и движения для режима сварки без программирования тока и скорости подачи проволоки не изменяются.

Выводы

1. Представлен анализ состояния моделирования и имитации формирования дефектов при дуговой сварке.

2. Приведены формулировки стационарных математических моделей сварки неплавящимся и плавящимся электродами, а также нестационарной модели плавящимся электродом, которые позволяют воспроизводить формирование дефектов типа подреза и прожога.

3. Решение задач поиска параметров режима сварки, обеспечивающих бездефектные области, проиллюстрировано на примерах двухмерных областей для СНЭ и трехмерных областей для СПЭ.

Библиографический список

1. Самарский А.А. Вычислительная теплопередача / А.А. Самарский, П.Н. Вабищевич - М: Изд-во УРРС. - 2002. - 782 с.

2. Норенков И.П. Основы САПР / И.П. Норенков - М: Изд-во МГТУ им. Баумана. - 2002. - 336 с.

3. Taiioring complex weid geometry through reliable heat-transfer and fluid-flow calculations and a genetic algorithm / A. Kumar, T. DebRoy // Met. and Mat. Trans. A. - 2005. - Vol. 36. - P. 2725 - 2735.

4. Патон Б.Е. Некоторые особенности формирования шва при сварке на повышенных скоростях / Б.Е. Патон, С.Л. Мандельберг, Б.Г. Сидоренко // Автомат, сварка. - 1971. - №8. - С. 3 - 10.

5. Ерохин А.А. Влияние заточки электрода вольфрамового катода на формирование подрезов и газовых полостей при сварке / А.А. Ерохин,

В.А. Букаров, Ю.С. Ищенко // Автомат, сварка. - 1972. - №5. - С. 10-16.

6. Чернышов Г.Г. О движении металла в сварочной ванне / Г.Г. Чернышов, А.М. Рыбачук, С.Ф. Кубарев // Известия вузов. - М.: Машиностроение. - 1979. - №3. - С. 123 - 129.

7. A study on bead formation by low pressure TIG arc and prevention of undercut bead / W. Shimada, S.A. Hoshinouchi // J. Jap. Weld. Soc. - 1982. -Vol. 51. - № 3. - P. 125- 130.

8. Березовский Б.М. Математические модели дуговой сварки: в 4 т. Т. 3. Давление дуги, дефекты сварных швов, перенос электродного металла / Б.М. Березовский. - Изд-во ЮУрГУ. - 2003. - С. 486.

9. Effect of Arc Force on Defect Formation in GTA Welding / W.F. Savage, E.F. Nippes, K. Agusa // Weld. J. - 1979. -Vol. 58. - № 7. -P. 212-24.

10. The humping phenomenon during high speed GMAW / T.C. Nguyen, D.C. Weckman, D.A. Johnson, H. W. Kerr // Sci. and Techn. of Weld, and Joining. - 2005. - Vol. 10. - № 4. - P. 447 - 459.

11. Theoretical approach to the humping phenomenon in welding processes / U. Gratzke, P.D. Kapadia, J. Dowden // J. Phys. D: Appl. Phys. - 1992. -Vol. 25-P. 1640- 1647.

12. Penetration and defect formation in high-current arc welding / P.F. Mendez, T.W. Eagar // Weld. J. - 2003. - Vol. 82. - No 10. - P. 296 - 306.

13. Mathematical modelling of a molten pool in arc welding of thin plates / T. Ohji, K. Nishiguchi // Rep. of Osaka Univ. - 1983. - Vol. 33. -№ 1688.-P. 35-43.

14. Sudnik W.A. Digital and experimental temperature distribution in the weld zone when subjected to the effect of a defocused energy beam /' W.A. Sudnik // 2nd Int Conf “Beam Technology”, Düsseldorf, DVS Verlag. - 1985. -P. 158-161.

15. Судник В.А. Программное обеспечение MAGSIM для анализа, оптимизации и диагностики процесса сварки тонколистовых соединений плавящимся электродом в активном газе / В.А. Судник, В.А. Иванов, O.A. Мокров // Свароч. пр - во. - 1995. - №11. - С. 19-24.

16. Судник В.А. Моделирование и численная имитация импульсно-дуговой сварки алюминиевых сплавов / В.А. Судник, A.C. Рыбаков,

С.В. Кураков /'/' Свароч. пр-во. - 2002. - №3. - С. 9 - 15.

17. Судник В.А. Теплофизические модели и прикладные программы расчётов на ЭВМ температурных полей при сварке плавлением тонколистовых соединений / В.А. Судник // Сварка цветных сплавов. - Тула: Тул-ПИ.- 1985.-С. 18-28.

18. Ландау С.Д. Теоретическая физика: в 3 т. Т. 3. Механика сплошных сред. / С.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц - М-Л: ОГИЗ. - 1944. - 450 с.

19. Судник В.А. Прогнозирование качества сварных соединений на основе численных моделей формирования шва при сварке плавлением тонкостенных конструкций: дис. ... д-ра техн. наук / В.А. Судник - Л., 1991.-340 с.

20. Судник В.А. Расчеты сварочных процессов на ЭВМ / В.А. Судник, В.А. Ерофеев. - Тула: ТПИ, 1986. - 100 с.

Получено 23.04.08

УДК 621.791.92:658.58

Ю.Ю. Левин, В.А. Ерофеев, В.А.Судник

ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ПОЛУЧЕНИЯ БЕЗДЕФЕКТНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ ИМПУЛЬСНОЙ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКЕ

Рассмотрены физические закономерности ИЛС и установлены физикотехнологические условия возникающих дефектов сварки, отражающие связь появления выплесков в начале импульса, пустот в корне шва в конце импульса, усадочных раковин в паузе между импульсами, герметичности шва с параметрами режима импульсной лазерной сварки. Установлено, что причиной возникновения выплеска является быстрое заглубление луча, вызывающее вытеснение расплава и создающее скоростной напор, который может преодолеть силы поверхностного натяжения.

Анализ конструктивных особенностей изделий в приборостроении и требований, предъявляемых к ним, показал, что наиболее эффективным способом получения неразъемных соединений малых толщин является ис-