Связь параметров процесса импульсной дуговой сварки с геометрией наплавленного валика на сталь AISI 304L
Разработаны и описаны математические модели, устанавливающие связь между контролируемыми параметрами процесса импульсной сварки (импульсный ток, длительность импульса, скорость сварки) и параметрами валика шва (проплавление, ширина валика, коэффициент формы шва и площадь валика шва). Подтверждена ад...
Збережено в:
| Дата: | 2007 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2007
|
| Назва видання: | Автоматическая сварка |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99379 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Связь параметров процесса импульсной дуговой сварки с геометрией наплавленного валика на сталь AISI 304L / П.К. Гиридхаран, Н. Муруган // Автоматическая сварка. — 2007. — № 4 (648). — С. 11-18. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-99379 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-993792016-04-28T03:02:43Z Связь параметров процесса импульсной дуговой сварки с геометрией наплавленного валика на сталь AISI 304L Гиридхаран, П.К. Муруган, Н. Научно-технический раздел Разработаны и описаны математические модели, устанавливающие связь между контролируемыми параметрами процесса импульсной сварки (импульсный ток, длительность импульса, скорость сварки) и параметрами валика шва (проплавление, ширина валика, коэффициент формы шва и площадь валика шва). Подтверждена адекватность моделей, основанных на регрессионном и дисперсионном анализе. Mathematical models have been developed and described, which establish a relation between the controllable parameters of a pulsed welding process (pulsed current, pulse time, welding speed) and weld bead parameters (penetration, bead width, weld shape factor and weld bead area). Adequacy of models, based on the regression and dispersion analysis, is confirmed. 2007 Article Связь параметров процесса импульсной дуговой сварки с геометрией наплавленного валика на сталь AISI 304L / П.К. Гиридхаран, Н. Муруган // Автоматическая сварка. — 2007. — № 4 (648). — С. 11-18. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 0005-111X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99379 621.791.754 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 Гиридхаран, П.К. Муруган, Н. Связь параметров процесса импульсной дуговой сварки с геометрией наплавленного валика на сталь AISI 304L Автоматическая сварка |
| description |
Разработаны и описаны математические модели, устанавливающие связь между контролируемыми параметрами процесса импульсной сварки (импульсный ток, длительность импульса, скорость сварки) и параметрами валика шва (проплавление, ширина валика, коэффициент формы шва и площадь валика шва). Подтверждена адекватность моделей, основанных на регрессионном и дисперсионном анализе. |
| format |
Article |
| author |
Гиридхаран, П.К. Муруган, Н. |
| author_facet |
Гиридхаран, П.К. Муруган, Н. |
| author_sort |
Гиридхаран, П.К. |
| title |
Связь параметров процесса импульсной дуговой сварки с геометрией наплавленного валика на сталь AISI 304L |
| title_short |
Связь параметров процесса импульсной дуговой сварки с геометрией наплавленного валика на сталь AISI 304L |
| title_full |
Связь параметров процесса импульсной дуговой сварки с геометрией наплавленного валика на сталь AISI 304L |
| title_fullStr |
Связь параметров процесса импульсной дуговой сварки с геометрией наплавленного валика на сталь AISI 304L |
| title_full_unstemmed |
Связь параметров процесса импульсной дуговой сварки с геометрией наплавленного валика на сталь AISI 304L |
| title_sort |
связь параметров процесса импульсной дуговой сварки с геометрией наплавленного валика на сталь aisi 304l |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2007 |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99379 |
| citation_txt |
Связь параметров процесса импульсной дуговой сварки с геометрией наплавленного валика на сталь AISI 304L / П.К. Гиридхаран, Н. Муруган // Автоматическая сварка. — 2007. — № 4 (648). — С. 11-18. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
| series |
Автоматическая сварка |
| work_keys_str_mv |
AT giridharanpk svâzʹparametrovprocessaimpulʹsnojdugovojsvarkisgeometriejnaplavlennogovalikanastalʹaisi304l AT murugann svâzʹparametrovprocessaimpulʹsnojdugovojsvarkisgeometriejnaplavlennogovalikanastalʹaisi304l |
| first_indexed |
2025-07-07T07:55:11Z |
| last_indexed |
2025-07-07T07:55:11Z |
| _version_ |
1836973989236310016 |
| fulltext |
УДК 621.791.754
СВЯЗЬ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ИМПУЛЬСНОЙ
ДУГОВОЙ СВАРКИ С ГЕОМЕТРИЕЙ
НАПЛАВЛЕННОГО ВАЛИКА НА СТАЛЬ AISI 304L
П. К. ГИРИДХАРАН, доц. (Технологический ин-т Амрита, Индия)
Н. МУРУГАН, проф. (Технологический ин-т Куамбатор, Индия)
Разработаны и описаны математические модели, устанавливающие связь между контролируемыми параметрами
процесса импульсной сварки (ток и длительность импульса, скорость сварки) и параметрами валика шва (проп-
лавление, ширина валика, коэффициент формы шва и площадь валика шва). Подтверждена адекватность моделей,
основанных на регрессионном и дисперсионном анализах.
К л ю ч е в ы е с л о в а : импульсная дуговая сварка, вольфра-
мовый электрод, нержавеющая тонколистовая сталь,
параметры процесса, наплавленный валик, математические
модели, планирование экспериментов, дисперсионный ана-
лиз, оптимизация
Импульсной дуговой сваркой можно соединять
тонкие материалы, материалы средней толщины
(например, листы нержавеющей стали), а также
применять в тех случаях, когда управление ме-
таллургическими процессами в металле шва иг-
рает решающую роль. С целью обеспечения хо-
рошего формирования металла шва выбор пара-
метров процесса и технологии сварки должен
быть конкретизирован.
При импульсной дуговой сварке благодаря
пульсации сварочного тока от высокого до низ-
кого уровня в течение коротких или длительных
периодов времени обеспечивается в период им-
пульса нагрев зоны шва до точки плавления, а
в период протекания фонового тока расплавленная
сварочная ванна охлаждается и затвердевает. Фор-
ма валика шва представляет собой серию накла-
дывающихся друг на друга сварных точек, а сте-
пень их перекрытия зависит от частоты импульсов
и скорости сварки [1]. Параметры процесса им-
пульсной дуговой сварки приведены на рис. 1.
Металл шва при сварке нержавеющей стали, полу-
ченный импульсным дуговым процессом, наряду
с соответствующей геометрией, должен иметь
высокие механические свойства и коррозионную
стойкость [2]. Одной из основных проблем при
сварке тонких листов аустенитной нержавеющей
стали различных плавок являются колебания глу-
бины их проплавления. В настоящее время для
устранения колебаний глубины проплавления
применяют дополнительную подачу присадочно-
го материала, а также рекомендуется использо-
вание для автоматической сварки нержавеющей
стали с содержанием серы не менее 0,008 % [1].
В работах [3–7] рассматривается выбор опти-
мального сочетания параметров процесса импуль-
сной дуговой сварки для обеспечения удовлет-
ворительного формирования валика при сварке
тонколистовой нержавеющей стали. В работах со-
держатся сведения о планировании экспериментов
с использованием трехуровнего полнофакторного
плана для выполнения наплавки валика на лист
(нержавеющая сталь 304L). Однако данных о кор-
реляции параметров сварочного процесса и па-
раметрами валика с использованием математичес-
ких моделей для сварки тонколистовой нержаве-
ющей стали нет [5]. Поэтому была предпринята
попытка прогнозирования и оптимизации пара-
метров валика шва с использованием математи-
ческих моделей. Для разработки последних ис-
пользовали статистически спланированный экспе-
римент, основанный на центральном композитном
ротатабельном плане, с применением полнофак-
торного метода [8–10]. Для изучения основного
и совместного воздействия параметров сварочно-
го процесса на параметры валика шва использо-
вали морфологию поверхности отклика. С целью
уточнения параметров валика шва провели опти-
мизацию процесса сварки. Площадь валика шва
рассматривали как объективную функцию (для
минимального тепловложения), другие параметры
© П. К. Гиридхаран, Н. Муруган, 2007
Рис. 1. Параметры процесса импульсной дуговой сварки воль-
фрамовым электродом в защитных газах: Iб — базовый ток,
А; Iим — ток импульса, А; Tб — длительность базового тока,
мс; Tим — длительность тока импульса, мс
4/2007 11
(ширину, проплавление и коэффициент формы
шва и его пределы) — как ограничения.
Методика проведения эксперимента. Листы
аустенитной нержавеющей стали типа AISI 304L
размером 100 50 3 мм сваривали встык спосо-
бом ТИГ без разделки кромок. Химический состав
листовой нержавеющей стали AISI 304L следу-
ющий, мас. %: 0,017 C; 10,1 Ni; 18,71 Cr; 0,22
Si; 1,64 Mn; 0,027 P; 0,047 S; 0,015 N; 69,224 Fe.
Эксперименты проводили на итальянской уста-
новке для импульсной сварки ТИГ/МИГ Эссет-
ти-Унимакро 501С. Для защиты и обратной про-
дувки использовали аргон промышленной чисто-
ты. Фиксированные параметры процесса импуль-
сной дуговой сварки вольфрамовым электродом
в защитных газах следующие: частота импульсов
1 Гц; длина дуги 2 мм; среднее напряжение дуги
14 В; диаметр вольфрамового электрода 2,4 мм;
угол заточки электрода 60°; расход газа (аргон):
защитный 10 и продувка 5 л/мин. Использовали
функцию автоматического управления напряже-
нием, имеющуюся в оборудовании. Тепловложе-
ние рассчитывали по показаниям напряжения и
тока на оборудовании.
Для проведения экспериментов и построения
математических моделей независимо определяли
регулируемые переменные: ток импульса Iим, дли-
тельность импульса тока Tим, скороcть сварки S.
В течение всего эксперимента соотношение базо-
вого и тока импульса поддерживалось равным 0,2.
С целью определения пределов каждой конт-
ролируемой переменной процесса была смодели-
рована опытная сварка для получения шва с пол-
ным проплавлением без каких-либо видимых де-
фектов. Учитывая несложность вычислений и
более высокую интерпретируемость моделей, па-
раметры преобразовали в закодированную форму
для построения математических моделей и гра-
фиков, а также дальнейшего анализа результатов.
Верхний предел множителя кодировался как
+1,682, нижний как –1,682. Закодированное зна-
чение для промежуточных величин вычисляли с
помощью следующей зависимости [10]:
Xi = (3,364⎧
⎨
⎩(X – Xmin)
⁄ (Xmax – Xmin)
⎫
⎬
⎭) – 1,682, (1)
где Х — любое значение переменной от Хmin до
Хmax; Xi — требуемое закодированное значение Х.
Выбранные переменные значения процесса им-
пульсной дуговой сварки приведены в табл. 1.
При этом спользован центральный композитный
ротатабельный пятиуровневый полнофакторный
план экспериментов, состоящий из 20 серий [9,
10]. Эксперименты проводили произвольно во из-
бежание появления систематической погрешности
в методике.
Во время опытного прогона было обнаружено,
что проплавление свариваемых пластин мини-
мально между двумя импульсами, т. е. в месте
максимального перекрытия валиков. Следователь-
но, при условии обеспечения проплавления в этом
участке можно обеспечить полное проплавление
по всей длине шва. Для измерения параметров
валика шва на стыковом соединении нержавею-
щей стали выделен участок А–А с максимальным
перекрытием (рис. 2).
Для определения макроструктуры сварные об-
разцы шириной 10 мм вырезали и устанавливали
на бейкелите, затем подвергали полировке и элек-
тролитическому травлению в 10%-м растворе ща-
велевой кислоты (рис. 3). Профиль валика шва,
ширину валика W, глубину проплавления P и пло-
щадь валика шва ВА определяли с помощью оп-
тического профильного проектора и цифрового
планиметра. Коэффициент формы шва вычисляли
по измеренной ширине валика шва и глубине
проплавления (AR — ширина валика/глубина
проплавления).
Важным фактором, влияющим на геометрию
валика, механические, металлургические и кор-
розионные свойства шва, является тепловложение,
которое пропорционально напряжению и току и
обратно пропорционально скорости сварки. В от-
Т а б л и ц а 1. Переменные значения процесса импуль-
сной дуговой сварки вольфрамовым электродом в за-
щитных газах
Значения пере-
менных про-
цесса
Iим, А Тим, мс S, см/мин
–1,628 180 450 11
–1 188 490 12,6
0 200 550 15
1 212 610 17,4
1,628 220 650 19Рис. 2. Металл шва на пластине, выполненный импульсным
дуговым процессом в защитных газах
12 4/2007
личие от процесса дуговой сварки неплавящимся
электродом в защитных газах на непрерывном то-
ке, когда тепловложение вычисляется по непре-
рывному току, при импульсном процессе теплов-
ложение вычисляется по среднему току Iср по
уравнению
Iср =
IимTимIбTб
Tим + Tб
(A). (2)
Тепловложение при импульсной дуговой свар-
ке плавящимся электродом в защитных газах HI
вычисляется по уравнению
HI = (IсрU/S)η (кДж/мм), (3)
где U — среднее напряжение, В; η — произво-
дительность процесса сварки.
Для импульсной дуговой сварки принимали
η = 60 %. В ходе эксперимента установлено, что
напряжение изменяется в пределах 13,4…14,6 В.
Поэтому для расчетов тепловложения использо-
вали среднее напряжение, равное 14 В. Значения
ширины валика шва, глубины проплавления, пло-
щади валика шва и коэффициента формы шва и
тепловложения для образцов, полученных им-
пульсной дуговой сваркой, приведены в табл. 2.
Разработка математической модели. Для
разработки математической модели и прогнози-
рования геометрии валика шва использовали рег-
рессионный метод [11]. Функция поверхности от-
клика, отражающая любую геометрию валика, мо-
жет быть выражена как Y = f(Iим, Tим, S), а выбран-
ная зависимость, являющаяся поверхностью отк-
лика второго порядка, следующим образом [10]:
Y = b0 + b1Iим + b2Tим + b3S + b11Iим
2 + b22Tим
2 +
+ b33S2 + b12IимTим + b13IимS + b23TимS, (4)
где b0–b3 — соответственно постоянный член и
коэффициенты линейных членов; b11, b22, b33 —
коэффициенты квадратных членов второго поряд-
ка; b12, b13, b23 — коэффициенты взаимодейству-
ющих членов второго порядка.
Рис. 3. Макрошлиф сварного соединения с разрезом по А–А,
показывающим профиль металла шва ( 6)
Т а б л и ц а 2. Матрица плана и полученные значения параметров валика и тепловложения
Код образца
Параметры импульсного
процесса Глубина
проплавления
P, мм
Ширина
валика W, мм
Площадь ва-
лика BA, мм2
Коэффициент
формы шва
AR
Тепловложе-
ние HI,
кДж/ммIим, А Tим, мс S, см/мин
S1 –1 –1 –1 2,36 8,79 12,04 3,725 0,75
S2 1 –1 –1 3,54 9,77 20,93 2,76 0,83
S3 –1 1 –1 3,4 9,24 18,88 2,718 0,87
S4 1 1 –1 3,85 9,8 23,29 2,545 0,97
S5 –1 –1 1 1,66 7,75 7,85 4,668 0,54
S6 1 –1 1 2,98 8,54 13,5 2,866 0,6
S7 –1 1 1 2,37 8,18 10,94 3,451 0,63
S8 1 1 1 3,43 9,33 18,15 2,72 0,70
S9 –1,682 0 0 1,90 7,89 8,62 4,153 0,66
S10 1,682 0 0 3,59 9,52 19,4 2,652 0,78
S11 0 –1,682 0 1,85 7,58 8,68 4,097 0,63
S12 0 1,682 0 3,73 8,79 22,5 2,357 0,81
S13 0 0 –1,682 3,84 10,26 24,66 2,672 0,98
S14 0 0 1,682 1,95 8,385 8,95 4,30 0,57
S15 0 0 0 3,45 9,1 18,44 2,638 0,72
S16 0 0 0 3,78 8,62 20,01 2,28 0,72
S17 0 0 0 3,48 9,14 20,63 2,626 0,72
S18 0 0 0 3,48 9,08 20,91 2,609 0,72
S19 0 0 0 3,84 8,73 21,58 2,273 0,72
S20 0 0 0 3,83 8,75 19,76 2,285 0,72
4/2007 13
Коэффициенты приведенного выше полиноми-
ального уравнения вычисляли по следующим
уравнениям регрессии [10]:
b0 = 0,166338((∑X0Y) – 0,05679(∑ ∑XiiY)),
(5)
bi = 0,073224(∑XiY),
(6)
bii = 0,0625((∑XiiY) + 0,006889(∑ ∑XiiY) –
– 0,056791(∑X0Y)),
(7)
bij = 0,125000(∑XijY),
(8)
где Xi, Xii, Xij — значения членов первого порядка,
квадратных второго порядка и взаимодействую-
щих членов параметров процесса; Y — наблюда-
емый отклик.
Первоначально математические модели разра-
батывали с помощью коэффициентов, получен-
ных из приведенных выше уравнений:
P = 3,637 + 0,502Iим + 0,415Tим – 0,431S –
– 0,278Iим
2 – 0,262Tим
2 – 0,225S2 – 0,124IимTим +
+ 0,094 IимS – 0,024TимS,
(9)
W = 8,897 + 0,456Iим + 0,273Tим – 0,509S –
– 0,028Iим
2 – 0,212Tим
2 + 0,19S2 – 0,007IимTим +
+ 0,05IимS + 0,092TимS,
(10)
AR = 2,46 – 0,454Iим – 0,404Tим + 0,344S –
– 0,284Iим
2 + 0,222Tим
2 + 0,314S2 +
+ 0,233IимTим – 0,174IимS – 0,183TимS, (11)
BA = 20,205 + 3,243Iим + 2,942Tим – 3,743S –
– 2,087Iим
2 – 1,528Tим
2 – 1,099S2 – 0,365IимTим –
0,055IимS – 0,183TимS, (12)
HI = 0,72 + 0,037Iим + 0,055Tим – 0,12S –
– 0,001Iим
2 – 0,001Tим
2 – 0,019S2 +
+ 0,004IимTим – 0,006IимS – 0,009TимS. (13)
Значимость коэффициентов проверяли с по-
мощью t-теста [12], а также метода обратного ис-
ключения, имеющегося в пакете математического
обеспечения SYSTAT [13]. Окончательные модели
разрабатывали с использованием значимых коэф-
фициентов только после исключения незначимого
коэффициента с соответствующим откликом.
Разработанные модели проверяли на адекват-
ность с помощью регрессионного анализа. Значения
скорректированного квадратичного кратного R и
стандартной погрешности оценки как для полной,
так и для сокращенной модели приведены в табл. 3.
Установлено, что сокращенные модели лучше пол-
ных, поскольку имеют более высокие значения от-
корректированного квадратичного кратного R и
меньшие значения стандартной погрешности, чем
в соответствующих полных моделях. Адекватность
разработанных моделей также проверяли с по-
мощью дисперсионного анализа (ANOVA) [14].
Окончательные математические модели с па-
раметрами процесса в закодированной форме, оп-
ределенные с помощью регрессионного анализа,
следующие:
P = 3,637 + 0,502Iим + 0,419Tим – 0,433S –
– 0,276Iим
2 – 0,265Tим
2 – 0,226S2, (14)
W = 8,874 + 0,456Iим + 0,273Tим – 0,509S –
– 0,209Tим
2 + 0,193S2,
(15)
AR = 2,46 – 0,454Iим – 0,404Tим + 0,344S – 0,284Iим
2 +
+ 0,222Tим
2 + 0,314S2 + 0,233IимTим – 0,174IимS, (16)
BA = 20,205 + 3,243Iим + 2,942Tим – 3,743S –
– 2,087Iим
2 – 1,528Tим
2 – 1,099S2, (17)
HI = 0,72 + 0,037Iим + 0,055Tим – 0,12S – 0,001Iим
2 –
– 0,001Tим
2 – 0,019S2 + 0,004IимTим –
– 0,006IимS – 0,009TимS. (18)
Проверка модели. Точность моделей оцени-
вали на том же экспериментальном оборудовании.
Установлено, что разработанные модели позво-
ляют прогнозировать параметры валика с доста-
точной степенью точности (табл. 4). Достовер-
ность модели была также проверена путем сос-
тавления диаграмм разброса, которые показывают
степень совпадения экспериментальных и прог-
нозируемых значений размеров валика шва. Ха-
рактерная диаграмма разброса площади валика
показана на рис. 4.
Оптимизация площади валика. Поскольку
процесс сварки должен обеспечить выполнение
ряда требований (полное проплавление, мини-
мальные площадь валика шва, ширину шва для
обеспечения хорошего качества шва и максималь-
Т а б л и ц а 3. Сравнение квадратичных кратных вели-
чин R и стандартной погрешности оценки для полной и
сокращенной модели
Параметр
модели
валика
Откорректированное
квадратичное кратное R
Стандартная погреш-
ность оценки
Полная
модель
Сокращен-
ная модель
Полная
модель
Сокращен-
ная модель
P 0,887 0,888 0,262 0,261
W 0,886 0,904 0,237 0,218
BA 0,899 0,919 1,766 1,583
AR 0,877 0,888 0,264 0,252
14 4/2007
ную скорость сварки для повышения производи-
тельности и т. д.), оптимизация по одному из них
является компромиссом [15, 16]. Разработанные
модели использовали при уточнении параметров
процесса импульсной дуговой сварки для обес-
печения оптимальной геометрии валика шва. Пло-
щадь шва является важным параметром валика
шва, который в свою очередь зависит от других
параметров таких, как проплавление, ширина ва-
лика и коэффициент формы шва. Контроль пло-
щади валика шва обеспечивает минимальное теп-
ловложение, лучший контроль других геометри-
ческих параметров валика, а также оптимальное
использование сварочного источника питания.
На основании опытных испытаний выбраны
оптимальные значения параметров. Результаты
показали, что для получения хорошей геометрии
валика шва с полным проплавлением необходимо
обеспечить ширину валика шва менее 9 мм, глу-
бину проплавления более 3,4 мм, коэффициент
формы шва 2,5…3 и площадь валика 15…20 мм2.
При оптимизации площадь валика принимали
как объективную функцию, а проплавление, ши-
рину валика, коэффициент формы шва и площадь
валика — как уравнение связи. Путем сведения
площади валика до минимума можно обеспечить
минимальное тепловложение, что приведет к оп-
тимальному использованию параметров процесса
и мощности. Оптимизация процесса предусмат-
ривала решение нелинейной задачи ограниченной
минимизации с использованием квазиньютонов-
ского метода численной оптимизации [16], кото-
рый хорошо подходит для уравнения второго по-
рядка, а также является простым, эффективным
и быстрым [17, 18].
Для оптимизации использовали программу из
программного пакета MATLAB, вариант 7 (вы-
пуск-14, 2004), а также «Solver», имеющийся в
«Microsoft Excel» 2000.
Оптимизированные параметры импульсного
процесса дуговой сварки: Iим = 211,4 А; Tим =
= 537,65 мс; S = 16,51 см/мин. Оптимизирован-
ные параметры валика: P = 3,4 мм; W = 9 мм;
AR = 2,572; BA = 17,89 мм2.
Были заданы параметры импульсной дуговой
сварки, близкие к прогнозируемым оптимальным
параметрам процесса, а также проведены лабо-
раторные испытания на соответствие. Установле-
но, что полученные результаты с высокой точ-
ностью подтверждают прогнозируемые и экспе-
Рис. 4. Сопоставление разброса значений площади валика
Т а б л и ц а 4. Результаты соответствия экспериментальных и прогнозируемых значений
Номер
теста
Параметры процесса Проплавление P, мм Ширина валика W, мм
Iим, А Tим, мс S, см/мин Прогнозируе-
мые значения
Полученные
значения
Погреш-
ность, %
Прогнозируе-
мые значения
Полученные
значения
Погреш-
ность, %
1 200 550 17 3,11 2,98 –4,27 8,58 8,77 2,19
2 212 603 17,14 3,45 3,31 –4,15 9,11 9,23 1,37
3 211,4 537,65 16,51 3,40 3,28 –3,53 9,00 9,17 1,91
Средняя ошибка –3,98 Средняя ошибка 1,82
Окончание табл. 4
Номер
теста
Параметры процесса Коэффициент формы шва AR Площадь валика BA, мм2
Iим, А Tим, мс S, см/мин Прогнозируе-
мые значения
Полученные
значения
Погреш-
ность, %
Прогнозируе-
мые значения
Полученные
значения
Погреш-
ность, %
1 200 550 17 2,971 2,943 –0,96 16,28 17,051 4,73
2 212 603 17,14 2,721 2,788 2,45 18,51 19,017 2,74
3 211,4 537,65 16,51 2,572 2,795 –2,03 16,63 16,014 –3,70
Средняя ошибка –0,18 Средняя ошибка 1,25
Пр и м е ч а н и е . Погрешность, % = (полученные значения – прогнозируемые) / прогнозируемые значения.
4/2007 15
риментально полученные оптимальные парамет-
ры валика.
Результаты и их обсуждение. Разработаны
математические модели, коррелирующие пара-
метры импульсной дуговой сварки с геометрией
валика шва, для сварки тонких листов аустенит-
ной нержавеющей стали 304L.
Проанализированы возможные причины ос-
новного и совместного влияния параметров про-
цесса импульсной сварки на параметры валика
шва, представленные на рис. 5–9. Графики кон-
турной поверхности и поверхности отклика были
построены с использованием пакета «SYSTAT»
[13].
Влияние тепловложения на параметры валика
рассмотрено с использованием модели тепловло-
жения (18). Из уравнений (14), (15) и (17) видно,
что параметры процесса не оказывают влияния
на P, W и BA, в то время, как из уравнения (16),
очевидно, что коэффициент формы шва оказывает
совместное влияние с другими параметрами
(рис. 6–9).
Прямое влияние тока импульса Iим на пара-
метры валика шва и тепловложение. Как видно
из рис. 5, а, Iим повышается от 180 до 220 А, HI
и W соответственно стабильно увеличиваются от
0,65 до 0,78 кДж/мм и от 8,107 до 9,641 мм. Па-
раметры P и ВА существенно повышаются от 2,01
до 3,86 мм и от 8,84 до 21,36 мм2 соответственно
при возрастании Iим от 180 до 212 А и выше. Зна-
чения параметров P и BA снижаются не так су-
щественно — соответственно до 3,7 м и 19,75 мм2,
в то время как AR вначале значительно снижается
от 4,02 до 2,29 при повышении Iим до 212 А, а
затем увеличивается до 2,5 при повышении Iим
до 220 А. Параметр AR снижается вследствие зна-
чительного повышения W по сравнению с P при
дальнейшем росте Iим. Скорость повышения BA
высокая при росте Iим от 180 до 212 А, что может
быть следствием значительного повышения как
P, так и W. Таким образом, повышение тока им-
пульса Iим положительно влияет на W и HI и не-
однозначно на AP, BA и P.
Прямое воздействие длительности тока им-
пульса Tим на параметры валика шва и теплов-
ложение. Как видно из рис. 5, б, Tим повышается
от 450 до 650 мс, HI стабильно увеличивается
от 0,59 до 0,78 кДж/мм. Параметры W, P и BA
существенно возрастают от 7,82 до 8,938 нм, от
2,18 до 3,79 мм и от 10,93 до 21,62 мм2 соот-
ветственно при росте Tим от 450 до 610 мс, а затем
все параметры валика снижаются менее значи-
тельно при повышении Tим свыше 610 мс. Ши-
рина валика первоначально значительно возрас-
тает при повышении Tим до 550 мс, а при Tим >
> 550 мс благодаря постоянной ширине зоны дуги
существенного изменения W не наблюдается. Зна-
чение AR вначале снижается от 3,76 до 2,27 при
повышении Tим до 610 мс, а затем снижается
менее значительно — до 2,41, т. е. проявляется
та же тенденция, что и на рис. 4. Для площади
валика BA характерна та же тенденция, что и для
Iим относительно BA (см. рис. 5), но при меньших
значениях, что свидетельствует о меньшем вли-
янии Tим на BA по сравнению с Iим. Следовательно,
увеличение длительности тока импульса Tим ока-
Рис. 5. Влияние тока импульса Iим (а), длительности импульса
Tим (б), скорости сварки S (в) на параметры валика
Рис. 6. Влияние взаимодействия тока импульса Iим и длитель-
ности импульса тока Tим на коэффициент формы AR
16 4/2007
зывает положительное влияние на W и HI и не-
однозначное на BA и P.
Прямое влияние скорости сварки S на пара-
метры валика шва и тепловложение HI. Из рис. 5,
в видно, что скорость сварки S повышается от
11 до 15 см/мин, HI, AR и BA снижаются не так
значительно, P немного повышается. Дальнейшее
повышение S свыше 15 см/мин приводит к зна-
чительному увеличению P, BA и HI. По мере роста
S от 11 до 15 см/мин ширина валика первона-
чально уменьшается от 10,276 до 8,87 мм, а при
S ≥ 15 см/мин никакого значительного изменения
ширины валика не наблюдается. При повышении
S до 15 см/мин коэффициент формы шва перво-
начально снижается не так значительно — от 2,77
до 2,46, при S ≥ 15 см/мин AR возрастает до 3,927.
Очевидно, что при повышении S тепловложение
в основной металл снижается, следовательно,
плавление основного металла сокращается, что
приводит к падению всех параметров валика. Пер-
воначальное снижение AR может быть обуслов-
лено значительным спадом W по сравнению с P
при повышении S от 11 до 15 см/мин. Незначи-
тельное повышение AR при росте S свыше
15 см/мин может быть обусловлено уменьшением
тепловложения, что приводит к значительному
снижению P по сравнению с W. Следовательно,
повышение S оказывает отрицательное влияние
на P, BA и W и положительное на AR.
Совместное влияние тока импула Iим и дли-
тельности тока импульса Tим на коэффициент
формы AR (рис. 6). Очевидно, что при повышении
Iим от 180 до 200 А коэффициент AR значительно
снижается для всех значений Tим, а при дальней-
шем повышении Iим до 220 А никаких значитель-
ных изменений AR при повышении Tим от 450
до 490 мс не наблюдается, при Tим = 550 мс AR
повышается не так значительно. Исходная тен-
денция снижения AR может быть обусловлена пре-
обладающим влиянием Iим на AR, а дальнейшее
повышение AR может быть обусловлено преоб-
ладающим влиянием Tим на AR. Установлено
также, что AR является максимальным, когда Iим
и Tим находятся на минимальном уровне, и ми-
нимальным, когда Iим = 200 А и Tим = 610 мс, а
скорость сварки 15 см/мин. Следовательно, по-
вышение Tим оказывает преобладающее влияние
на AR при росте Iим свыше 200 А, что отражается
на поверхности отклика и графиках контурной
поверхности (рис. 7). Поверхность отклика пока-
зывает, что AR повышается при изменении S от
минимального до максимального уровня для всех
значений Iим и Tим. Параметр AR максимальный,
когда Iим и Tим находятся на минимальном уровне,
а S — на максимальном.
Взаимное влияние тока импульса Iим и скорости
сварки S на AR. Из рис. 8 видно, что AR макси-
мальный, когда Iим и S находятся соответственно
на минимальном и максимальном уровне, AR ми-
нимальный, когда Iим = 212 А и S = 15 см/мин.
Очевидно, что по мере повышения Iим от 180 до
200 А коэффициент AR вначале существенно сни-
жается при всех значениях S, а при Iим ≥ 200 А
по мере снижения S от 15 до 11 см/мин AR по-
вышается менее значительно, в то время как AR
Рис. 7. Поверхность отклика и контурный график при вза-
имном влиянии тока импульса Iим и длительности импульса
тока Tим на коэффициент формы AR
Рис. 8. Влияние тока импульса Iим и скорости сварки S на
коэффициент формы AR
Рис. 9. Поверхность отклика и контурный график при взаим-
ном влиянии тока импульса Iим и скорости сварки S на коэф-
фициент формы AR
4/2007 17
становится более или менее стабильным, когда
S снижается от 19 до 17,4 см/мин. Следовательно,
повышение Iим от 180 до 200 А оказывает пре-
обладающее влияние на AR, в то время как сни-
жение S оказывает преобладающее влияние на AR
при повышении Iим от 200 до 220 А. Это влияние
также наглядно представлено на рис. 9, где по-
казана поверхность отклика и контурные графики
для совместного воздействия Iим и S на AR. Оче-
видно, что AR снижается при изменении Tим от
минимального до максимального при всех зна-
чениях Iим и S, AR максимально, когда Iим = 180 А,
Tим = 450 мс и S = 19 см/мин.
Выводы
1. Для наглядного представления влияния пара-
метров процесса импульсной дуговой сварки воль-
фрамовым электродом в защитных газах на па-
раметры валика шва при сварке тонких листов
нержавеющей стали (304L) можно использовать
метод поверхности отклика.
2. Для разработки математических моделей
прогнозирования геометрии валика в пределах ра-
бочего диапазона параметров процесса использо-
ван метод пятиуровневого полнофакторного экс-
перимента. Установлено, что разработанная мо-
дель проплавления позволяет прогнозировать
проплавление с точностью до 96 %, в то время
как модели ширины валика, площади валика и
коэффициента формы шва позволяют прогнози-
ровать соответствующие параметры валиков с
точностью до 98 % на основании испытания на
соответствие.
3. Установлено, что ток импульса оказывает
положительное влияние на ширину валика W и
неоднозначное влияние на проплавление P и пло-
щадь валика шва BА. Длительность тока импульса
оказывает неоднозначное влияние на P, W и BA,
в то время как скорость сварки S негативно влияет
на P, W и BA.
4. Пакет программ MATLAB может быть эф-
фективно использован для оптимизации парамет-
ров импульсного дугового процесса при сварке
тонких листов нержавеющей стали.
Авторы выражают благодарность Всеиндий-
скому совету по техническому образованию и Ко-
митету по университетским грантам за предос-
тавление финансовой помощи для выполнения
данной работы.
1. Cornu J. Advanced welding system, TIG and related proces-
ses. — Springer-Ver., 1988. — Vol. 3.
2. Murugan N., Parmar R. S., Sud S. K. Effect of submerged
arc process parameters on dilution and bead geometry in sin-
gle wire surfacing // J. Mater. Proc. Technol. — 1993. — 37.
— P. 767–780.
3. Lothongkum G., Chaumbai P., Bhandhubanyong P. TIG
pulse welding of 304L austenitic stainless steel in flat, verti-
cal and overhead position // Ibid. — 1999. — 89/90. —
P. 410–414.
4. Troyer W., Tomsic M., Barhorst R.. Investigation of pulsed
wave shapes for gas tungsten arc welding // Welding J. —
1977. — 56, № 1. — P. 26–32.
5. Omar A. A., Ludin C. D. Pulsed plasma-pulsed GTA arc: a
study of process variables // Ibid. — 1979. — 58, № 4. —
P. 97–105.
6. Lothongkum G., Viyanit E., Bhandhubanyong P. TIG pulse
welding parameters of the AISI 316L stainless steel plate at
the 6–12h positions // J. Mater. Proc. Technol. — 2001. —
91/92. — P. 312–316.
7. Leitner R. E., Mcelhinney G. H., Pruitt E. L. An investigation
of pulsed GTA welding variables // Welding J. — 1973. —
52, № 9. — P. 405–410.
8. Hames P., Smith B. L. Factorial techniques for weld quality
prediction // Metal Construction. — 1993. — 15. — P.128–
130.
9. Adler Y. P., Markov E. V., Granovsky Y. V. The design of ex-
periments to find optimal conditions. — M.: Mir, 1975.
10. Cochran W. G., G. M. Cox. Experimental designs. — New
York: John Willey & Sons publ., 1957.
11. Murugan N., Parmar R. S. Effects of MIG process parame-
ters on the geometry of bead in automatic surfacing of stain-
less steel // J. Mater. Proc. Technol. — 1994. — 41. —
P. 381–398.
12. Gunaraj V., Murugan N. Prediction and optimization of weld
bead volume for submerged arc process. Pt 1 // Welding J.
— 2000. — 79, № 10. — P. 286–294.
13. SYSTAT, Version 11, 2004, Systat Inc.
14. Montgomery D. C., Peck E. A. Introduction to linear regres-
sion analysis. — New York: John Willey & Sons publ.,
1992.
15. Jasbir S. A. Introduction to optimum design. — New York:
McGraw Hill, 1989.
16. Arora J. S. Introduction of optimum design. — New York:
McGraw Hill, 1989.
17. Gill P. E., Murray W. Practical Optimization. — New York:
Acad. press, 1981.
18. Gunaraj V., Murugan N. Prediction and optimization of weld
bead volume for submerged arc process. Pt 2 // Welding J.
— 2000. — 79, № 11. — P. 331–294.
Mathematical models have been developed and described, which establish a relation between the controllable parameters
of a pulsed welding process (pulsed current, pulse time, welding speed) and weld bead parameters (penetration, bead
width, weld shape factor and weld bead area). Adequacy of models, based on the regression and dispersion analysis, is
confirmed.
Поступила в редакцию 13.01.2006
18 4/2007
|