Дипломы, курсовые, рефераты, контрольные...
Срочная помощь в учёбе

Разработка методики проектирования технологических процессов дуговой сварки алюминиевых сплавов комбинированными импульсами тока

Диссертация: Разработка методики проектирования технологических процессов дуговой сварки алюминиевых сплавов комбинированными импульсами тока
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

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… Читать ещё >

Содержание

  • Перечень условных обозначений и сокращений
  • 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
    • V. 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

Разработка методики проектирования технологических процессов дуговой сварки алюминиевых сплавов комбинированными импульсами тока (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

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

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.

Показать весь текст

Список литературы

  1. 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. 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. Г. Д. Металлургия сварки плавлением алюминиевых сплавов. — М.: Машиностроение, 1972. — 264 с.:ил.
  6. В. И., Федосеев В. А. Металлургическая и технологическая пористость алюминиевых сплавов при дуговой сварке// Сварочное производство. 2001. № 11. С. 22−27
  7. H.H. Расчеты тепловых процессов при сварке. М.: Машгиз. 1951. 296 с.
  8. Ю.Н. Импульсные технологические процессы сварки и наплавки. Новосибирск: Наука, 1994. 108 с.
  9. . 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. 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. 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. 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. М. М. Тепловые процессы при аргонодуговой сварке с вертикальной подачей присадочной проволоки// Сварочное производство. 1995. № 7. С 18−20.
  14. Э.А. Задачи прогнозирования качества и управления формированием шва в процессе сварки с использованием нейросетевых моделей//Сварочное производство. 1996. № 10. С 36−41
  15. 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. У., Павлик В., Райхель Т. Компьютерное моделирование формирования микроструктуры металла при сварке плавлением. //Автоматическая сварка. 1997. № 3. С. 3−9
  17. 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. В. А. Решение задач оптимизации технологии на основе компьютерного моделирования процесса сварки//Сварочное производство. 2003. № 7. С 19−26
  19. 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. 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. А. П., Николаев В. Е., Амосов С. П. Расчет температурного поля с учетом производительности сварки. // Сварочноепроизводство. 1993. № 11−12. С 18−20.
  23. 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. В. А., Ищенко Ю. С., Лошакова В. Г. Влияние конвекции металла в сварочной ванне на проплавление // Сварочное производство. 1978. № 11. С. 4−7.
  25. 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. Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен: В 2-х т. Пер. с англ.- М.: Мир, 1990.—728 с.:ил.
  27. 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. 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. 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. 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. В. И. Приближенный метод тепловых расчетов при импульсном режиме работы источника тепла. // Сварочное производство. 1966. № 11. С. 8−10
  33. 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. Н. Н. Горячие трещины при сварке. М.: Машгиз, 1954,-220 с.
  35. 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. 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. 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. Г. Д., Радченко С. В., Виноградов В. С.Кинетикадиффузионного увеличения объема пузырьков газа в расплаве.// Сварочное производство. 1980. № 5. С 1−4
  39. А. Н., Шаферовский В. А., Пивторак Н. И: Температурные поля при двухдуговой сварке с программированием режима//Сварочное производство. 1992. № 7. С 23−24.
  40. 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. . 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. В. А. Расчет температурных полей при использовании источников тепла с периодически изменяющейся мощностью//Автоматическая сварка. 1993. № 6. С. 3−7
  43. 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. 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. 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. 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. В. И., Лещи некий Л. К., Серенко А. Н. Движениежидкого металла в сварочной ванне//Сварочное производство. 1988. № 04. С. 31−33.
  48. В. И. Роль активного пятна электрической дуги в формировании сварочной ванны//Сварочное производство. 1992. № 4. С. 26−28.
  49. В. И. Потехин В. П. Модель нагрева поверхности сварочной дугой //Автоматическая сварка. 1979. № 12, С. 10−12. %
  50. В. И. Исследование формы сварочной дуги //Автоматическая сварка. 1979. № 2. С. 15−22.
  51. В. В. Разработка метода определения температурного режима расплава ванны// Машиностроение Изв. вузов. 1999. № 1. С. 7680
  52. 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. 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. А. Д. Исследование потоков жидкого металла в ванне при дуговой сварке//Сварочное производство. 1985. № 10. С 31−32
  55. 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. 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 finite element model for welding heat sources. Metallurgical Transactions, 1984. V. 15B, P. 299 305.
  59. 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. И. В., Сидорец В. К. Силовое воздействие сварочной дуги при учете ее динамики//Автоматическая сварка. 1993. № 12. С. 2731
  61. А. В., Орлик Г. В. Определение коэффициента сосредоточенности сварочной дуги при сварке неплавящимся электродом//Сварочное производство. 2001. № 6. С 3−6
  62. 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. 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. М. А., Абдурахманов Р. У. Механизм образования пор в сварных швах//Сварочное производство. 1988. № 02. С. 39−41.
  66. 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. 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.
Заполнить форму текущей работой

Заказал и сдал!