Математическая модель процесса сварки МАГ

Проведен анализ технической применимости математических моделей для численного моделирования сварки МАГ в условиях производства. Рассмотрена трехмерная нестационарная тепловая модель сварки. Проведен численный анализ распределения переходной температуры по основному металлу для оценки размера свар...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2006
Hauptverfasser:	Оджи, Т., Миясака, Ф., Ямамото, Т., Тсуджи, И.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2006
Schriftenreihe:	Автоматическая сварка
Schlagworte:	Научно-технический раздел
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102179
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Математическая модель процесса сварки МАГ / Т. Оджи, Ф. Миясака, Т. Ямамото, И. Тсуджи // Автоматическая сварка. — 2006. — № 3 (635). — С. 14-18. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-102179
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1021792016-06-12T03:02:33Z Математическая модель процесса сварки МАГ Оджи, Т. Миясака, Ф. Ямамото, Т. Тсуджи, И. Научно-технический раздел Проведен анализ технической применимости математических моделей для численного моделирования сварки МАГ в условиях производства. Рассмотрена трехмерная нестационарная тепловая модель сварки. Проведен численный анализ распределения переходной температуры по основному металлу для оценки размера сварочной ванны с использованием метода конечных разностей на основе уравнения теплового потока, а также расчет теоретической конфигурации жидкого металла с учетом равновесия силы тяжести, поверхностного натяжения и давления дуги. Разработанная модель использовалась для моделирования различных процессов сварки таких, как многопроходная сварка и сварка угловых и стыковых швов с поперечными колебаниями горелки. Установлено, что с помощью данной модели можно прогнозировать процесс сварки МАГ и профиль получаемого в результате данного процесса шва в производственных условиях. Analysis has been performed of engineering applicability of mathematical models for numerical simulation of MAG welding under the production conditions. A three-dimensional non-stationary thermal model of welding is considered. Numerical analysis of interpass temperature distribution through the base metal is performed for evaluation of weld pool dimensions, using the method of finite differences based on the heat flow equation, as well as analysis of theoretical configuration of liquid metal, taking into account the equilibrium of the force of gravity, surface tension and arc pressure. The developed model was used for simulation of various welding processes, such as multipass welding and welding of fillet and butt welds with transverse oscillations of the torch. It is established that this model can be used to predict the MAG welding process and the profile of the weld obtained by this process in production. 2006 Article Математическая модель процесса сварки МАГ / Т. Оджи, Ф. Миясака, Т. Ямамото, И. Тсуджи // Автоматическая сварка. — 2006. — № 3 (635). — С. 14-18. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 0005-111X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102179 621.791.92 ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Научно-технический раздел Научно-технический раздел
spellingShingle	Научно-технический раздел Научно-технический раздел Оджи, Т. Миясака, Ф. Ямамото, Т. Тсуджи, И. Математическая модель процесса сварки МАГ Автоматическая сварка
description	Проведен анализ технической применимости математических моделей для численного моделирования сварки МАГ в условиях производства. Рассмотрена трехмерная нестационарная тепловая модель сварки. Проведен численный анализ распределения переходной температуры по основному металлу для оценки размера сварочной ванны с использованием метода конечных разностей на основе уравнения теплового потока, а также расчет теоретической конфигурации жидкого металла с учетом равновесия силы тяжести, поверхностного натяжения и давления дуги. Разработанная модель использовалась для моделирования различных процессов сварки таких, как многопроходная сварка и сварка угловых и стыковых швов с поперечными колебаниями горелки. Установлено, что с помощью данной модели можно прогнозировать процесс сварки МАГ и профиль получаемого в результате данного процесса шва в производственных условиях.
format	Article
author	Оджи, Т. Миясака, Ф. Ямамото, Т. Тсуджи, И.
author_facet	Оджи, Т. Миясака, Ф. Ямамото, Т. Тсуджи, И.
author_sort	Оджи, Т.
title	Математическая модель процесса сварки МАГ
title_short	Математическая модель процесса сварки МАГ
title_full	Математическая модель процесса сварки МАГ
title_fullStr	Математическая модель процесса сварки МАГ
title_full_unstemmed	Математическая модель процесса сварки МАГ
title_sort	математическая модель процесса сварки маг
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2006
topic_facet	Научно-технический раздел
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102179
citation_txt	Математическая модель процесса сварки МАГ / Т. Оджи, Ф. Миясака, Т. Ямамото, И. Тсуджи // Автоматическая сварка. — 2006. — № 3 (635). — С. 14-18. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
series	Автоматическая сварка
work_keys_str_mv	AT odžit matematičeskaâmodelʹprocessasvarkimag AT miâsakaf matematičeskaâmodelʹprocessasvarkimag AT âmamotot matematičeskaâmodelʹprocessasvarkimag AT tsudžii matematičeskaâmodelʹprocessasvarkimag
first_indexed	2025-07-07T11:57:17Z
last_indexed	2025-07-07T11:57:17Z
_version_	1836989219764961280
fulltext	УДК 621.791.92 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА СВАРКИ МАГ* Т. ОДЖИ, Ф. МИЯСАКА, Т. ЯМАМОТО, И. ТСУДЖИ (Университет Осаки, Япония) Проведен анализ технической применимости математических моделей для численного моделирования сварки МАГ в условиях производства. Рассмотрена трехмерная нестационарная тепловая модель сварки. Проведен численный анализ распределения переходной температуры по основному металлу для оценки размера сварочной ванны с исполь- зованием метода конечных разностей на основе уравнения теплового потока, а также расчет теоретической конфигурации жидкого металла с учетом равновесия силы тяжести, поверхностного натяжения и давления дуги. Разработанная модель использовалась для моделирования различных процессов сварки таких, как многопроходная сварка и сварка угловых и стыковых швов с поперечными колебаниями горелки. Установлено, что с помощью данной модели можно прогнозировать процесс сварки МАГ и профиль получаемого в результате данного процесса шва в производственных условиях. Клю ч е в ы е с л о в а : дуговая сварка, математическая мо- дель, тепловая модель, распределение температуры, размер сварочной ванны, прогноз процесса, производство Одной из важных проблем в сварочной технике является построение математической модели для компьютерного моделирования процесса сварки в условиях производства. Было предпринято много попыток разработки математических моделей для сварки ТИГ и МАГ [1—8]. Так, Дилтай и Рузен [6] разработали трехмерную квазистационарную тепловую модель для сварки МАГ, которая учи- тывает влияние таких параметров процесса, как диаметр проволоки и химический состав защитного газа на профиль шва. Ким и На [7] предложили модель для сварки МАГ, учитывающую влияние конвекции сварочной ванны. Пардо и Векман [8] разработали модель для прогнозирования размеров сварочной ванны и усиления швов, выполненных МАГ, с использованием метода конечных элементов для системы перемещающихся координат. Несмот- ря на эти усилия некоторые проблемы все еще предстоит решить ввиду сложности процессов ду- говой сварки. При сварке МАГ электродная про- волока расплавляется и подается в расплавленную ванну периодически, а процесс сварки является довольно динамичным и неравномерным. Поэтому перечисленные модели, которые являются квазис- тационарными, имеют ограниченное применение, и их нельзя использовать к типичным процессам сварки МАГ таким, как подрезание, сварка с ко- лебательными движениями горелки и многопро- ходная сварка. Целью данной работы является разработка трех- мерной нестационарной тепловой модели для про- цессов МАГ сварки в условиях производства. *По материалам Второй международной конференции «Математическое моделирование и информационные технологии в сварке и родственных процессах» (13—17 cент. 2004 г., пос. Кацивели, Крым, Украина). © Т. Оджи, Ф. Миясака, Т. Ямамото, И. Тсуджи, 2006 Рис. 1. Схематическое изображение тепловложения и давления дуги на сварочную ванну (обозначения см. в тексте) Рис. 2. Схема модели процесса сварки МАГ: 1 – электродная проволока; 2 – металл шва; 3 – расплавленная ванна; 4 – дуга; 5 – перенос металла 14 3/2006 Для упрощения математической модели про- цессов сварки МАГ в данной работе введены сле- дующие допущения • тепловой поток в сварочной ванне принимается проводящим, т. е. влиянием потока металла в сва- рочной ванне на тепловой поток игнорируется • сварочная ванна находится в состоянии ста- тического равновесия под действием сил грави- тации, поверхностного натяжения и давления дуги. Исходя из приведенных выше допущений оп- ределяющие уравнения имеют следующий вид [1, 9—12]: ρ(T) ∂H ∂T = ∂ ∂X ⎧ ⎨ ⎩ K(T) ∂T ∂X ⎫ ⎬ ⎭ + ∂ ∂Y ⎧ ⎨ ⎩ K(T) ∂T ∂Y ⎫ ⎬ ⎭ + ∂ ∂Z ⎧ ⎨ ⎩ K(T) ∂T ∂Z ⎫ ⎬ ⎭ ; (1) σ ⎡ ⎢ ⎣ ⎢ ⎢ (1 + ϕy 2)ϕxx — 2ϕxϕyϕxy + (1 + ϕx 2)ϕyy 1 + ϕx 2 + ϕy 2 ⎤ ⎥ ⎦ ⎥ ⎥ = = ρgϕ + Pa — λ, (2) Рис. 3. Схема тепловложения в расплавленную ванну Рис. 4. Влияние давления дуги Pа = 0 (а) и 1000 (б) Па на профиль шва при сварке горизонтальных угловых швов (Iсв = 230 А, U = 25 В, v = 40 см/мин, Rq = 4 мм, Rp = 9 мм) Рис. 5. Результаты сварки снизу вверх (а) и сверху вниз (б) при Iсв = 200 А, U = 30 В, v = 80 см/мин, Pа = 500 Па, Rq = 4 мм, Rp = 4 мм 3/2006 15 где ρ – плотность; H – энтальпия; K – теп- лопроводность; T – температура; ϕ – смещение поверхности; σ – поверхностное натяжение; g – сила тяжести; Pа – давление дуги; λ – множитель Лагранжа. В разработанной модели дуга находится на по- верхности расплавленной ванны, численно выра- жается уравнением равновесия расплавленной ван- ны (2), а тепловложение от дуги принимается рас- пределенным в кольцевой зоне с радиусом Rq на поверхности расплавленной ванны в качестве гра- ничного условия уравнения теплового баланса (1), как показано на рис. 1. Соответственно тепловложение от дуги выра- жается следующим уравнением: q = Q S = —K ∂T ∂Z , (3) Рис. 6. Пример расчета трехпроходной сварки для первого (а), второго (б) и третьего (в) проходов и расчетный температурный цикл (г) при Iсв = 230 А, U = 25 В, v = 40 см/мин, Pа = 800 Па, Rq = 4 мм, Rp = 4 мм Рис. 7. Сравнение расчета и эксперимента для толщины листа 3 (а) и 6 (б) мм при Iсв = 230 А, U = 24 В, v = 40 см/мин 16 3/2006 где Q – общая тепловая энергия, при- ложенная к основному металлу за единицу времени; S – площадь источника тепла; q – тепловая энергия, приложенная к ос- новному металлу за единицу времени и на единицу площади. Ход расчетов за единичный временной шаг в модели приведен на рис. 2 [10, 11]. В течение шага времени горелка зафикси- рована (рис. 2, а), а затем тепловая энергия передается основному металлу от дуги (рис. 2, б). На конечной стадии временного шага (рис. 2, в, г) количество проволоки, рас- плавляемой за единицу времени, передается расплавленной ванне, а профиль поверх- ности рассчитывается с помощью уравнения (2). После завершения вычисления в те- чение временного шага по этому методу горелка перемещается, а расчет повторяется в следующем временном шаге. Затем к рас- четной поверхности валика прикладывает- ся определенное количество тепловой энергии, как показано на рис. 3 (стрелки). На рис. 4, а показан расчетный профиль поверхности валика при горизонтальной сварке МАГ угловых швов, а на рис. 4, б четко видно образование валика шва с глубоким проп- лавлением с подрезом в результате прогиба ванны под давлением дуги. Еще один пример расчета вертикальной сварки угловых швов приведен на рис. 5, где показано продольное сечение по оси, а также поперечное сечение валика. Расплавленная ванна провисает под влиянием силы тяжести при вертикальной свар- ке таким образом, что образуется глубокое (рис. 5, а) и неглубокое (рис. 5, б) проплавление. Пример расчета многопроходной сварки пока- зан на рис. 6. Время охлаждения между проходами составляло 10 с. В результате тепловложения в первых двух проходах проплавление в третьем становится глубже и шире, чем в первом. Влияние трех нагревов на температурный режим четко видно на рисунке, а температурный режим сильно зависит от положения на изделии. Для оценки достовер- ности экспериментальной модели результат вычис- лений сравнивали со швом, выполненным экспе- риментальной сваркой МАГ (Ar + 20 % CO2), на листах мягкой стали. Как видно из рис. 7 и 8, получено хорошее согласие между экспериментальными и расчетными данными. В данной работе была предпринята разработка системы объединения моделей, в которой ранее описанная модель связывается с металлургической и/или механической моделью для комплексного моделирования дуговой сварки. На рис. 9, а приведен пример объединения моделей, где модель процесса связывается с ме- ханической моделью. На рисунке показано, что изделие с тавровым соединением сложно дефор- мируется в результате тепловых напряжений при сварке МАГ. Другими словами, система показы- вает, что продольный изгиб, видимо, будет зна- чительным в дополнение к угловой деформации при введенном режиме сварки. На рис. 9, б приведен еще один пример, по- лученный с помощью системы объединения мо- делей, который показывает деформацию шва при стыковой сварке стальных листов толщиной 6 мм. Установлено, что сварка приводит к значительной поперечной усадке изделия. Таким образом, разработанную модель процесса сварки МАГ можно легко применить для многоп- Рис. 8. Сравнение экспериментальных и расчетных сечений первого (а), второго (б) и третьего (в) проходов: а – Iсв = 210 А; U = 26 В, v = = 40 см/мин; б – Iсв = 195 А, U = 26,0 В, v = 22 см/мин; в – Iсв = = 190 А, U = 26 В, v = 22 см/мин Рис. 9. Расчетная деформация в тавровых (а) и стыковых сое- динениях (б) тонкого листа, сваренного сваркой МАГ 3/2006 17 роходной дуговой сварки с колебательными дви- жениями горелка, которые широко используются на производстве. Профиль шва, полученный с по- мощью этой модели, сравнивали с эксперименталь- ным (сварка в тавровых или стыковых соединений) и было продемонстрировано хорошее согласие дан- ных расчетов и эксперимента. Поэтому разрабо- танная модель является полезной в качестве инженерного метода для моделирования сварки в производственной среде. 1. Ohji T., Nishiguchi K. // Technol. Rep. of Osaka Univ. – 1983. – 33. – P. 35—43. 2. Zacharia T., Eraslan A. H., Aidun D. A. // Weld. J. – 1988. – 67. – P. 18—27. 3. Zacharia T., David S. A., Vitek J. M. et al. // Ibid. – 1995. – 74. – P. 353—362. 4. Nishiguchi K., Ohji T., Yoshida H. et al. // JWS. – 1986. – 4(4). P. 673—677. 5. Kondoh K., Ohji T. // Science and Technology of Wel- ding and Joining. – 1998. – 3(3). – P. 127—134. 6. Dilthey U., Roosen S. // Proc. of Intern. symp. on theore- tical prediction in joining & welding JWRI. – 1996. – P. 133—154. 7. Kim J. W., Na S. // J. Transact. of ASME. J. Eng. for Industry. – 1994. – 166. – P. 78—85. 8. Pardo E., Weckman D. C. // Metallurg. Transact. B. – 1989. – 20. – P. 937—947. 9. Ohji T. Ph. D. Thesis. Osaka Univ., 1978. 10. Tsuji Y., Yamamoto T., Miyasaka F. et al. // Quart. J. JWS. – 2000. – 18(4). – P. 572—533. 11. Ohji T., Tsuji Y., Miyasaka F. et al. // Materials Science & Technology. – 2001. – 17. – P. 167—168. 12. Yamamoto T., Ohji T., Miyasaka F. et al. // Science and Technology of Welding and Joining. – 2002. – 7. – P. 260—264. Analysis has been performed of engineering applicability of mathematical models for numerical simulation of MAG welding under the production conditions. A three-dimensional non-stationary thermal model of welding is considered. Numerical analysis of interpass temperature distribution through the base metal is performed for evaluation of weld pool dimensions, using the method of finite differences based on the heat flow equation, as well as analysis of theoretical configuration of liquid metal, taking into account the equilibrium of the force of gravity, surface tension and arc pressure. The developed model was used for simulation of various welding processes, such as multipass welding and welding of fillet and butt welds with transverse oscillations of the torch. It is established that this model can be used to predict the MAG welding process and the profile of the weld obtained by this process in production. Поступила в редакцию 15.01.2005 ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛС ЕМКОСТЕЙ И ДРУГИХ ОБОЛОЧЕЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ С ТОЛЩИНОЙ СТЕНКИ ДО 150 мм Разработана комплексная технология изготовления с применением электронно-лучевой сварки цилиндрических или конических оболочек и емкостей диаметром от 300 до 8000 мм, используемых в качестве корпусов ракетно- космических аппаратов, топливных систем, сосудов дав- ления или криогенных емкостей, из алюминиевых и магниевых сплавов. Кроме операций сварки, тех- нология решает проблемы конст- руктивного исполнения сваривае- мых кромок различных типов соединений, подготовки поверх- ности изделий и кромок перед сваркой, выполнения требований к точности сборки и выбору прос- транственного положения соеди- нений, а также выбора рациональных способов контроля качества и проч- ностных испытаний сварных соединений при криогенных температурах включительно. Технология обеспечивает повышение на 15...25 % временного сопротивления соединений термически упрочняемых и усиленно нагар- тованных алюминиевых сплавов, уменьшение в 4—5 раз остаточных сва- рочных деформаций и в 5—7 раз ширины зоны термического влияния по сравнению с дуговыми способами сварки. Контакты: 03680, Украина, Киев-150, ул. Боженко, 11 Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, отд. № 7 Тел.: (38044) 287-44-06; факс: (38044) 287-12-83; 287-46-30 18 3/2006

Математическая модель процесса сварки МАГ

Institution

Ähnliche Einträge