Моделирование локальной электродуговой термообработки сварных соединений

В.Н. Стяжин, И.В. Арефьев, И.Е. Лапин, В.М. Волчков, А.Н. Стяжин
Волгоградский государственный технический университет,
г. Волгоград

Обеспечение низких значений остаточных сварочных напряжений, наряду с высокими показателями пластичности, ударной вязкости, прочности сварного соединения, как для сварки конструкционных, так и закаливающихся сталей является сложной задачей. Наименее трудоемким и технологичным способом улучшения структуры и свойств металла сварного соединения, повышения долговечности сварных соединений при ударных и циклических нагружениях является электродуговая обработка неплавящимся электродом. При этом, преимущественно, используют обработку сварных соединений с оплавлением поверхности металла шва или переходной зоны [1].

Определение оптимальных параметров локальной термической обработки электрической дугой, которая позволила бы значительно снизить уровень макро- и микронапряжений, улучшить структуру и свойства сварного соединения является актуальной задачей современного производства.

Подвижные и стационарные источники тепла часто используются во многих производственных процессах и поверхностной обработки. Аналитические и числовые модели определения тепловых полей, создаваемых стационарными или подвижными источниками тепла, являются полезными инструментами для изучения выше упомянутых проблем [2]. Эта статья расширяет исследования температурных процессов посредством моделирования в программе ComsolMultiphysics.

В работе рассматривается нагрев пластины 18х2х5 см продольно движущимся источником тепла с нормальным распределением теплового потока [2]. Была построена модель электродугового нагрева с постоянным значением эффективной тепловой мощности.

На рисунке 1 изображена схема движения нормально распределенного источника тепла.

Рис. 1. Схема движения источника

Передача тепла описывается уравнением:

.

В рассматриваемой модели и (теплоемкость и коэффициент теплопроводности) зависят от температуры (рисунок 2). ComsolMultiphysics предоставляет достаточно удобные средства для определения пользовательских функций, как аналитических так и виде таблиц.

Рис. 2. Зависимость теплоемкости и коэффициента теплопроводности от температуры

Представленная постановка задачи, учитывает модель плавления, заданную следующими уравнениями [3,4]:

– энтальпия;

– эффективная теплоемкость, где – доля жидкой (твердой) фазы.

Приращение энтальпии при плавлении:

, L – скрытая теплота плавления; T_l – температура ликвидуса, T_s – температура солидуса..

Граничные условия:

- на боковых и нижней сторонах ;

- на верхней стороне ,

где распределение удельного теплового потока для электрической дуги (второе слагаемое в правой части уравнения), задано кривой Гаусса [2]; v – скорость перемещения источника (электрода).

– наибольший тепловой поток в центре пятна нагрева,

где k – коэффициент сосредоточенности теплового потока источника, 1/см²; – эффективная тепловая мощность дуги; I – сила сварочного тока; U – напряжение на дуге; – коэффициент полезного действия источника.

На основании этой модели в компьютерном пакете ComsolMultiphysics была решена нестационарная задача нагрева металлической пластины тепловым источником, движущимся продольно с постоянной скоростью, с учетом конвективного обмена с окружающей средой и потерь на излучение, кроме того теплофизические коэффициенты рассматриваются как функции от температуры.

На рисунке 3 приведен один из вариантов расчета при конкретных значениях параметров. Результаты моделирования достаточно близки к экспериментальным данным.

Рис. 3. Зависимость температуры нагрева в точке фиксации термопары
от времени: · – экспериментальные данные; сплошная линия – расчет

Сравнение с экспериментальными данными при других значениях силы сварочного тока и напряжения на дуге, подтвердило адекватность построенной модели. Таким образом, предложенную модель можно использовать в дальнейшем для расчетов других режимов термической обработки. Например, далее предполагается выполнить расчеты для поперечного перемещения источника тепла, а так же рассмотреть модель, учитывающую импульсный источник тепла. Такие варианты термической обработки так же позволяют снизить остаточные сварочные напряжения.

Список литературы

1. Райчук И.Ю. Аргонодуговая обработка границ шва сварных труб большого диаметра из сталей 09Г2ФБ и Х-70 / Ю.И. Райчук, А.Д. Лючков, Л.И. Гузеватая и др. / Автоматическая сварка. – 1983. – №10. – С.67-68.

2. Рыкалин Н.Н. Развитие теплофизики сварочных процессов при сварке – Машгиз.-1951г.

3. Bianco N. A Numerical Model for Transient Heat Conduction in Semi-Infinite Solids Irradiated by a Moving Heat Source / N. Bianco, O. Manca, S Nardini, S. Tamburrino / COMSOL Users Conference 2008 Hannover.

4. Bianco N. Transient heat conduction in solids irradiated by a moving heat source / N. Bianco, O. Manca, S. Nardini, S. Tamburrino / COMSOL Users Conference 2006, Milano 14 Novembre 2006.

Назад к списку