Моделирование тепловых процессов при сварке соединений с криволинейными швами

УДК 621.791

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СВАРКЕ СОЕДИНЕНИЙ С КРИВОЛИНЕЙНЫМИ ШВАМИ

С.Ю. Иванов, В. А. Кархин, В.Г. Михайлов

Приведено решение задачи теплопроводности методом источников при дуговой сварке. Плотность мощности дуги на поверхности плоского тела принята нормально распределенной. На примере сварки плавящимся электродом структурированной панели толщиной 0.7 мм с криволинейным швом показана несимметричность поля максимальной температуры относительно оси движения дуги. Приведено сравнение расчетных и экспериментальных циклов.

Ключевые слова: дуговая сварка, структурированная панель, криволинейный шов, метод источников.

Криволинейные траектории движения источников теплоты используются при сварке, наплавке, напылении и поверхностной термической обработке с целью получения заданных свойств изделия. Однако особенности тепловых процессов при сварке соединений с криволинейными швами изучены недостаточно.

Целью исследования является разработка методики расчета тепловых процессов при сварке плоских тел с заданными криволинейными швами.

Рассмотрим решение задачи теплопроводности при дуговой сварке плавящимся электродом структурированных панелей из низкоуглеродистой стали БС04 (<0,08 % С и <0,4 % Мп) толщиной И = 0,7 мм (рис. 1). Теплофизические свойства стали: теплопроводность X = 0,025 Вт мм-1 К-1, температуропроводность а = 5 мм2 с-1, температура плавления Тт = 1728 К. Условия сварки: ток I = 45 А, напряжение дуги и = 10,5 В, скорость сварки V = 15 мм с-1, присадочная проволока 02811 (0,07 % С, 1,0 % Мп, 0,3 % 81 ) диаметром 0,8 мм, защитный газ 82 % Аг + 18 % С02, начальная температура Т0 = 293 К [1]. Сотовые ячейки шириной 33 мм, глубиной 3 мм и радиусом закругления дуги 5 мм значительно повышают жесткость панели и уменьшают аэродинамическое сопротивление [2]. Движение дуги по граням ячеек с постоянной скоростью и мощностью (постоянной погонной энергией) и переменным радиусом кривизны приводит к формированию извилистого шва с заметной несимметричностью температурного поля относительно траектории оси дуги (неравномерностью ширины шва и зоны термического влияния) (рис. 1). Это вызывает неравномерность микроструктуры и механических свойств металла по длине шва.

При решении задачи теплопроводности принимали, что тело представляет собой плоский слой (искривлением поверхности пренебрегали), а сварочная дуга - поверхностный круговой нормально распределенный источник теплоты. Тепловой поток источника описывается уравнением

Я2(г) = ^2 ехр

РГе

г \ г

V ге У

2

где г - расстояние до оси источника; ге - нормальный радиус источника (расстояние от центра источника, на котором мощность падает в е ~ 2,72 раз); q - эффективная мощность источника, д = цИШ = 0,9x10,5x45 = =425,25 Вт (где тепловая эффективность дуги щ = 0,9 [3] ); ге - радиус источника, ге = 2 мм.

Рис. 1 Поверхность соединения структурированной панели толщиной 0,7 мм при сварке криволинейного шва плавящимся электродом

Пусть непрерывно действующий источник движется по поверхности плоского слоя по заданной траектории ЛБСО и в данный момент t он находится в точке С (рис. 2). Найдем температурное поле методом источников (методом функций Грина). Представим непрерывно действующий источник в виде совокупности элементарных мгновенных источников, каждый из которых находится в точке Б с координатой £,,п,0, действует в момент т в течение ёт и выделяет энергию д(т)ёт. Тогда приращение температуры в любой точке Р(х,у^) в момент t от элементарного источника описывается формулой [4]

12 , г

dT (х, у, z, t) =

ц

ехр

х

1 + 2 ^ ооб г=1

И

ехр

[х -Х

Г р2 • 2 а(г -т)Л — р г -

х

И

2

• 1

где to = ге /(4а), ^ - т) - время распространения теплоты элементарного источника.

Суммируя приращения температуры от всех элементарных источников (интегрируя функцию (2) по т), получим

оо

Т(х, у, г, t)- Т0 =

д

4к1И

шт^, I^ )

| ——— ехр 0 t-т +10

д

[х -Х(т)]2 + [у -Л(т)]2

-т + t 0)

х

х

1 + 2 ^ ооб

I=1

И

ехр

И

2

^,

где tf - момент окончания действия источника в точке О (рис. 2).

Так как траектория известна (известны функции £,(т) и п(т)), то интеграл несложно найти численными методами. Формула (3) позволяет рассчитать все характеристики температурного поля (поле максимальной температуры, термические циклы, скорость охлаждения и т.п.) и по ним прогнозировать локальные свойства металла [5]. Отметим, что влияние поверхностной теплоотдачи может быть учтено, но в этом случае решение задачи методом источников усложняется [4].

Рис. 2. Схема расчета температуры в точке Р от поверхностного источника теплоты с заданной траекторией ЛБСБ

Поле максимальных температур на участке, далеком от начала шва, показано на рис. 3. Оно несимметрично относительно криволинейной оси движения дуги, особенно в зоне перехода между двумя соседними прямолинейными участками шва. Ширина шва Ж переменна по его длине. Такой характер поля подтверждается экспериментально (см. рис. 1).

При сварке криволинейных швов поле тепловых потоков значительно сложнее, чем при сварке прямолинейных швов, что отражается на термических циклах точек (рис. 3). Для удобства анализа на рисунке шкала времени смещена. Температуру измеряли с точностью 1,5 - 9 К (диаметр проволоки термопар 0,125 мм), приваренных к поверхности металла на различном расстоянии от оси движения дуги. Из рисунка видно, что кривые пересекаются. Например, температура более удаленной точки 1 может быть выше, чем температура менее удаленной точки 3. В целом совпадение расчетных термических циклов с экспериментальными удовлетворительное.

Таким образом, максимальная температура металла и его скорость охлаждения при заданной температуре зависят не только от расстояния до оси движения дуги, но и от кривизны траектории дуги.

оо

Рис. 3. Расчетное поле максимальных температур на верхней поверхности сварного соединения (движение оси дуги показано

штриховой линией)

Полученное решение задачи теплопроводности (3) позволяет решать оптимизационные задачи, например, путем варьирования параметров функций q(t) и v(t) получать желаемые характеристики сварного шва (постоянство ширины шва или ЗТВ, время охлаждения в заданном температурном интервале и т. п.).

Работа выполнена в СПбПУ по договору № 14.Z50.31.0018 с Министерством образования и науки Российской Федерации.

Список литературы

1. Schleuss L., Springer K., Zoeke J. Qualifizierung von warmearmen MSG-Schweissverfahren fur Leichtbaukonstruktionen mit strukturierten Halbzeugen // Join Ex Kongress, 10-11 Okt. 2012, Wien.

2. Malikov V., Ossenbrink R., Viehweger B. Experimental study of the change of stiffness properties during deep drawing of structured sheet metal // Journal of Materials Processing Technology. 2013. Vol.213. №11. P. 18111817.

3. Measuring the process efficiency of controlled gas metal arc welding processes / N. Pepe, S. Egerland, P. Colegrove, D. Yapp. Leonhartsberger A., A.Scotti // Science and Technology of Welding and Joining. 2011. Vol.16. №5. P. 412-417.

4. Кархин В. А. Тепловые процессы при сварке. 2-е изд. СПб: Изд-во Политехнического университета, 2015. 567 c.

5. Seyffarth P., Meyer B., Scharff A. Grosser Atlas Schweiss-ZTU-Schaubilder. Duesseldorf: DVS - Verlag, 1992. 176 s.

Иванов Сергей Юрьевич, инженер, ivanov fnm amail.rii, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,

Кархин Виктор Акимович, д-р техн. наук, проф., victor.karkhin@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Ве-ликого,

Михайлов Веселин Георгиев, д-р техн. наук, проф., michailov@,tu-cottbus.de, Германия, Котбус, Бранденбургский технический университет

MODELLING WELDING PROCESSES WITH CURVILINEAR SEAMS S.Y. Ivanov, V.A. Karhin, V.G. Michaylov

In the paper the heat conduction problem is solved by the method of sources in arc welding. The arc power distributuion is taken as Gaussian. A comparison between experimental and calculated thermal histories is given.

Key words: arc welding, structural panel, curvilinear seam.

Ivanov Sergey Yurievich, engineer, ivanov_ftim@mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, St. Petersburg Polytechnic University of Peter the Great,

Karhin Victor Akimovich, doctor of technical science, professor, vic-tor.karkhin@,mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, St. Petersburg Polytechnic University of Peter the Great,

Mikhailov Veselin Georgiev, doctor of technical science, professor, michailov@,tu-cottbus.de, Germany, Cottbus, Brandenburg Technical University.

УДК 621.791

МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ЛИКВАЦИОННЫХ ТРЕЩИН ПРИ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКЕ АЬ-МС-81 СПЛАВОВ

С.Ю. Иванов, В. А. Кархин, В.Г. Михайлов, Ю. Мартикайнен, Э. Хилтунен

Исследованы микроструктура и распределение химических элементов в сварных соединениях из Al-Mg-Si сплава 6005^6, полученных лазерной сваркой. Выявлена сегрегация химических элементов по границам зерен в зоне термического влияния. Разработана методика, позволяющая оценивать склонность сварных соединений из алюминиевых сплавов к образованию ликвационных трещин с учетом локальных свойств металла, условий сварки и жесткости конструкции.

Ключевые слова: ликвационные трещины, лазерная сварка, Al-Mg-Si сплав, микроструктура, моделирование.

Комплекс физико-механических свойств алюминиевых сплавов позволяет их использовать в ответственных сварных конструкциях авиа-, су-до- и ракетостроении. Широкому внедрению сплавов препятствует их склонность к горячим трещинам как ликвационного, так и кристаллизационного происхождения. Ликвационные трещины возникают в зоне терми-

66