Моделирование процессов сварки

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки

При сварке разнородных металлов для предотвращения возникновения в зоне контакта хрупкого слоя интерметаллидов, прибегают к сокращению продолжительности процесса за счет приложения ударного сварочного давления.

В случае проведения сварки в вакууме при воздействии ударного давления образуется вакуумноп-лотное соединение с необходимыми механическими свойствами. Прочность сварного соединения сравнима с прочностью основного, менее прочного металла.

Перспективное направление развития диффузионной сварки связано с осуществлением контролируемого принудительного деформирования свариваемых деталей.

Диффузионную сварку с принудительным деформированием проводят при механических напряжениях, превышающих предел текучести материалов. Скорость деформирования деталей определяется приложенной нагрузкой и условиями, в которых она действует: температурой и временем выдержки.

Преимуществом ДСПД является то, что контроль основных параметров осуществляется непосредственно во время сварки по диаграмме «деформирующая нагрузка - деформация» или «деформирующая нагрузка - время выдержки».

Наиболее эффективные технологические методы интенсификации массообмена при соединении металл - не металл наложение электрических и магнитных полей, а также облучение свариваемых поверхностей ионизирующим излучением.

Воздействие ионизирующего излучения возможно реализовать по следующим схемам:

Предварительное облучение с последующим воздействием температуры и давления.

Нагрев деталей ионизирующим излучением в процессе сварки.

Облучение поверхности свариваемых деталей нейтронами.

Интенсификация процесса диффузионной сварки позволяет улучшить качество получаемых соединений, увеличить прочность, вакуумную плотность и других характеристики соединения.

Интенсификация процесса сокращает время затрачиваемое на сварку, повышает производительность на участке диффузионной сварки, позволяет сократить энерго затраты, тем самым повышая экономическую эффективность производства.

Сочетание методов интенсификации позволяет значительно повысить эффективность диффузионной сварки на производстве.

Библиографические ссылки

1. Люшинский А. В. Диффузионная сварка разнородных материалов. М. : Академия, 2006.

2. Казаков Н. Ф. Диффузионная сварка материалов. М. : Машиностроение, 1976.

3. Бачин В. А. Теория, технология и оборудование диффузионной сварки : учебник для вузов. М. : Машиностроение, 1991.

4. Хлопков Ю. В. Ультразвуковая сварка пластмасс и металлов. М. : Машиностроение, 1988.

© Сахаров С. С., Прокопьев С. В., Михеев А. А., 2010

УДК 621.79.01

Л. Г. Семичева, С. С. Сахаров, С. Ю. Смирнов Научный руководитель - А. А. Михеев Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СВАРКИ

Рассмотрены этапы и области применения математического моделирования для построения моделей сварочных систем.

Для моделирования сварочных процессов широко применяют компьютерное моделирование.

Математическая модель - это эквивалент объекта, отражающий в математической форме важнейшие его свойства - законы, которым он подчиняется, связи, присущие составляющим его частям.

Математическая модель разрабатывается по пути модель-алгоритм-программа. Создав математическую модель, исследователь получает в руки универсальный и гибкий инструмент, который вначале отлаживается, тестируется в пробных вычислительных экспериментах. После того, как адекватность математической модели исходному объекту установлена, с ней проводятся разнообразные и подробные опыты, дающие все требуемые качественные и количественные свойства и характеристики объекта.

Математическое моделирование незаменимо в тех случаях, когда натурный эксперимент невозможен или проведение большего количества экспериментов экономически не целесообразно. Однако такой эксперимент с успехом можно провести на компьютере, построив математическую модель изучаемого процесса.

Основные этапы математического моделирования:

1. Построение модели. На первом этапе задается объект для исследования. Четкое описание ситуации затруднено. Выявляются основные особенности объекта и связи между ними на качественном уровне. Найденные качественные зависимости формулируются на языке математики в математическую модель.

2. Решение математической задачи, к которой приводит модель. На этом этапе проводится разработка алгоритмов и численных методов решения

Секция «Сварка летательных аппаратов»

задачи, при помощи которых результат может быть найден с необходимой для эксперимента точностью.

3. Интерпретация полученных следствий из математической модели. Следствия, выведенные из модели на языке математики, интерпретируются на языке, принятом в данной области.

4. Проверка адекватности модели. На этом этапе выясняется, согласуются ли результаты эксперимента с теоретическими следствиями из модели в пределах определенной точности.

5. Модификация модели. На этом этапе проводят упрощение модели для достижения практически приемлемого решения, либо усложнение модели для более адекватной действительности.

Математическое моделирование процессов сварки охватывает следующие области:

1. Прямое и обратное математическое моделирование и оптимизацию сварочных процессов. Проводится разработка алгоритмов, математических моделей процесса сварки и компьютерных программ. Решение данной задачи позволяет определить оптимальные режимы сварки.

2. Теорию сварочных деформаций и напряжений. Проводится разработка механических моделей и алгоритмов, решение задач теории термопластичности методом конечных элементов, методом уменьшения временных и остаточных деформаций и напряжений. Любая сварочная операция, связанная с нагревом, неизбежно приводит к изменению формы конструкции и возникновению в ней временных и остаточных деформаций. Решение данных задач позволяет определить, какие напряжения и деформации возникнут в конструкции при данной технологии сварки в зависимости параметров сварки.

3. Тепловые процессы при сварке. Позволяет провести решение задач теплопроводности аналитическими и численными методами. Позволяет определить, как распределяется тепло при сварке в изделии, так как от этого зависит форма сварного шва, размеры зоны термического влияния, временные и остаточное деформации и напряжения, время пребывания металла в критическом диапазоне температур, когда происходят структурные превращения.

4. Диффузионные процессы при сварке. Проводится разработка физико-математических моделей, анализ химической микро- и макронеоднородности сварных соединений. Математическое моделирование диффузионных процессов позволяет определить перераспределение химических элементов при сварке в околошовной зоне и металле шва, вызывающее изменение механических характеристик сварного шва.

5. Металлургия сварки. Проводится моделирование плавления и затвердевания металла шва, фазовые превращения в твердом состоянии, прогнозирование свойств различных зон сварного соединения. Позволяет определить характер кристаллизации сварочной ванны, рост и строение кристаллов, механические свойства различных зон сварного соединения. Позволяет подобрать наиболее рациональный режим сварки, ее последовательность, оптимальную температуру подогрева и сварочные материалы.

Математическое моделирование позволяет получить режимы сварки, которые будут гарантированно отвечать всем требованиям по механическим свойствам и структуре металла во всех зонах сварного соединения, сокращает время, затраченное инженером на расчеты, позволяет более точно определять режимы сварки, помогает избежать ошибок при проектировании, позволяет автоматизировать процесс расчетов, снижая труд инженера сварщика. Математическое моделирование незаменимо в тех случаях, когда проведение большого числа экспериментов экономически не целесообразно, либо не возможно. Математическое моделирование позволяет свести к минимуму затрачиваемые на производстве ресурсы, при сохранении качества выпускаемой продукции и тем самым помогает создать более экономичную технологию.

В качестве примера разработана математическая модель процесса диффузионной сварки фторопла-ста-4 с алюминиевым сплавом АМг6 с наложением ультразвуковых колебаний, алгоритм и программа расчетов параметров режимов сварки, которая учитывает влияние температуры, сварочного давления, интенсивности ультразвуковых колебаний и времени озвучивания на прочность соединения. Проведенные эксперименты показали, что погрешность расчетов не превышает 10 %.

Библиографические ссылки

1. Самарский А. А., Михайлов А. П. Математическое моделирование. Идеи. Методы. Примеры. 2-е изд., испр. М. : Физматлит, 2001.

2. Математическое моделирование сварочных процессов. URL: http://www.eta-group.ru/welding/ research4.

3. Зарубин В. С. Математическое моделирование процессов в континуальных системах // ЭТИ «Наука и образование». 2008.

© Семичева Л. Г., Сахаров С. С., Смирнов С. Ю.,

Михеев А. А., 2010