Решение задач оптимизации режимов сварки

  • поиск режима сварки по заданным геометрическим размерам сварного шва и наоборот;
  • оптимизация режима сварки по тепловложению (погонной энергии), с целью предупреждения роста зерна, образованию закалочных структур и др.;
  • определение параметров источника нагрева (дуга, пламя, лазерный или электронный луч) для решения температурных задач.

При прогнозировании металлографических, химических и механических процессов в различных зонах сварного соединения необходима прежде всего информация о температурных полях (распределении максимальной температуры, скорости охлаждения, времени пребывания в заданном температурном интервале и т.п.). Хорошо известные расчетные схемы Н.Н. Рыкалина и Д. Розенталя позволяют определить достаточно точно температуру на удалении от сварочной ванны, но приводят к заметной погрешности расчета вблизи ванны. Трудности заключаются в сложности физических процессов в ванне (взаимодействие источника теплоты и жидкого металла, конвекция и испарение жидкости, фазовые переходы и т.д.). Для определения формы шва и температурного поля в ЗТВ используются сложные модели и соответствующие компьютерные программы, что требует наличия температурных зависимостей многих физических величин (вязкости, коэффициента поверхностного натяжения и т.п.), много времени и высокой квалификации исследователей. Для сокращения времени счета используют модели, основанные на методе источников. Для более точного описания контура сварочной ванны необходимо располагать такими универсальными моделями источников теплоты, которыми можно было легко управлять, задавая различные законы распределения и область действия, которые могли учитывать отдельно влияние сварочного источника теплоты, конвекции жидкого металла, скрытой теплоты плавления, определяющих в конечном счете геометрию сварного шва. Такой подход упрощает задачу и заложен в концепцию «эквивалентного источника теплоты».

Цель работы — создать комбинированную расчетно-экспериментальную методику восстановления трехмерного температурного поля в твердой части сварного соединения при сварке по отдельным экспериментальным данным (линии сплавления в поперечном сечении шва, видимым чешуйкам или кратеру на поверхности шва, термическим циклам отдельных точек и т.п.). Методика основывается на аналитическом решении прямой температурной задачи для объемного источника теплоты и численном решении обратной задачи относительно искомых параметров источника.

Импульсная сварка получила распространение благодаря известным преимуществам по сравнению со сваркой с постоянной мощностью: повышенной эффективности проплавления основного металла, возможности сварки в разных пространственных положениях, уменьшению деформаций сварных конструкций, большей химической однородности металла шва, повышенной сопротивляемости образованию горячих трещин и т.д. Экспериментально показано, что при импульсно-дуговой сварке глубина проплавления может быть значительно увеличена. Этот эффект объясняется механическим поведением сварочной ванны.

При разработке оборудования и технологии сварки возникает практический вопрос: при каких условиях возможно уменьшить погонную энергию при заданной глубине проплавления или увеличить глубину проплавления при заданной погонной энергии? Ответом на этот вопрос является решение соответствующей задачи оптимизации. Дополнительные варьируемые параметры (форма и частота импульсов) позволяют полнее оптимизировать условия сварки по сравнению со сваркой с постоянной мощностью. Решение оптимизационной задачи базируется на решении соответствующей прямой задачи теплопроводности.

Цель работы — исследовать влияние параметров режима импульсной сварки на глубину проплавления и минимизировать потребляемую погонную энергию.

Поиск параметров источника нагрева по заданным геометрическим размерам шва

Оптимальные режимы импульсно-дуговой сварки при различной заданной глубине проплавления