МОДЕЛЬ ДЛЯ РАСЧЕТА ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ЛОКАЛЬНОЙ ДУГОВОЙ ТЕРМООБРАБОТКИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ НЕПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ
MODEL FOR THE CALCULATION OF THERMAL PROCESSES LOCAL ARC WELD HEAT TREATMENT OF NON-CONSUMABLE ELECTRODE
Красиков П.П., Полесский О.А., Савинов А.В., Лапин И.Е., Арефьев И.В., Потапов А.Н.
(Волгоградский государственный технический университет, г. Волгоград, РФ)
Krasikov P.P., Polesskii O.A., Savinov A.V., Lapin I.E., Aref’ev I.V.,
Potapov A.N.
(Volgograd state technical of the university)
Разработана модель для дуговой термообработки неплавящимся электродом сварных соединений. Позволяет рассчитывать оптимальные параметры
электродугового воздействия.
A model for the arc heat treatment of non-consumable electrode welded joints developed. Allows to calculate the optimum parameters of the arc impact.
Ключевые слова: электродуговая термообработка, неплавящийся электрод, моделирование
Key words: Arc heat treatment, non-consumable electrode, modeling
Обеспечение низких значений остаточных сварочных напряжений, наряду с высокими показателями пластичности, ударной вязкости, прочности сварного соединения, является достаточно сложной задачей, которую обычно решают за счет снижения скорости охлаждения шва и металла зоны термического влияния посредством применения предварительного, сопутствующего и последующего подогревов, многослойной сварки, выполнения после сварки печного отпуска, местной термообработкой сварного соединения токами промышленной и высокой частоты, тепловыделяющими элементами и др. [1,7]. Вышеуказанные меры отличаются высокой трудоемкостью, что снижает производительность работ, существенно увеличивает их стоимость, ограничивая, тем самым, возможность их применения, особенно, при изготовлении и ремонте крупногабаритных конструкций [2].
Известны примеры использования высококонцентрированных источников тепла для местной обработки сварного соединения - электронного луча [3,4] и плазмы [5], но для реализации этих способов необходимо применение специального дорогостоящего оборудования.
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 [6]. Локальная дуговая термообработка без оплавления в настоящий момент остается малоизученным вопросом, а определение оптимальных ее параметров, обеспечивающих решение поставленных задач, является актуальной задачей сварочного производства. Достичь выполнения указанных требований на основе оптимизации параметров режима в условиях поперечных колебаний дуги, импульсного изменения вводимой энергии, с учетом нормального распределения теплового потока в обрабатываемый металл возможно методами математического моделирования.
В работе рассматривается модель нагрева пластины толщиной δ, движущимся источником тепла с нормальным распределением теплового потока (рис. 1). При этом принимались во внимание следующие варианты электродугового нагрева: с постоянным значением эффективной тепловой мощности qи (непрерывный режим); с динамическим изменением эффективной тепловой мощности за счет наложения импульсов тока Iи (рис. 2) на базовый ток Iб (импульсный режим) при различных параметрах длительности импульса τи и базового тока τб; в непрерывном и импульсных режимах с наложением поперечных колебаний.
Рисунок 1 – Схема полубесконечной пластины с действующим источником нагрева
Рисунок 2 – Изменение тока дуги при импульсно-дуговой сварке (термической обработке)
Iб, – ток дуги основной дуги; Iи, – ток дуги во время импульса; tn, tи – длительность паузы и импульса
В рассматриваемой модели учитываются потери на излучение и конвективный обмен с окружающей средой, а теплофизические коэффициенты рассматриваются как функции от температуры.
В случае трехмерного тела при отсутствии теплообмена с окружающим пространством общее уравнение теплопроводности имеет вид [4]:
|
|
(1)
|
,где
-
коэффициент температуропроводности материала; 
– коэффициент теплопроводности; 
– объемная
теплоемкость; 
- оператор Лапласа.
Для случая нагрева сварочными источниками тепла, принимая во внимание теплоотдачу с поверхностей рассматриваемой пластины, в расчетах использовали дифференциальное уравнение Фурье следующего вида:
|
|
(2) |
,где
–
коэффициент температуроотдачи пластины толщиной δ; 
– коэффициент
поверхностной теплоотдачи; Т; Тс – температуры
поверхности тела и окружающей среды.
Температурное поле от быстродвижущегося нормально распределенного источника в любой точке пластины:
|
|
(3) |
,где 
– эффективна тепловая мощность
источника; 
–
коэффициент сосредоточенности источника тепла; 
– радиус пятна нагрева,
рассчитываемый как 
[2];
– толщина пластины; 
– функция
Бесселя; 
–
расстояние до заданной точки, в которой необходимо определить температуру.
В формуле (3) коэффициент сосредоточенности теплового потока k и радиус пятна нагрева r источника принимаются скалярными величинами, не зависящими от времени, в связи с чем данное выражение может применяться для расчетов тепловых полей от импульсных источников нагрева с некоторой погрешностью.
Тепловой поток от нормально распределенного
движущегося источника нагрева с учетом импульсного изменения во времени 
можно записать:
|
|
(4) |
где 
– функция изменения тока во
времени (рис. 2.) при условии tи < tб, 
– радиус
пятна нагрева; 
– скорость продольного передвижения
источника тепла.
Характер перемещения электрода 
при термообработке
поперечными колебаниями дуги определяется с помощью функции Хевисайда 
, цикличность
которой в COMSOL Multiphyics задается
синусоидальной зависимостью:
|
|
|
где 
– коэффициент, учитывающий
смещение оси колебаний относительно оси сварного шва, 
– коэффициент,
позволяющий выбрать форму колебаний от прямоугольной до синусоидальной, 
–
коэффициент, определяющий амплитуду колебания.
При подстановке выражения (4) в (3) для импульсного источника получим:
|
|
(5) |
Выводы
1. Разработанная модель дуговой термообработки неплавящимся электродом позволяет рассчитывать оптимальные параметры электродугового воздействия: величину базового тока и тока импульсов, скорость перемещения источника, амплитуду колебаний, термические циклы от которых характеризуются низкими значениями скорости охлаждения (Wохл) и максимальной температуры нагрева (Tmax).
2. Электроды, обеспечивающие горение дуги с большими значениями коэффициента сосредоточенности (k) приводят к увеличению объема расплавленного металла и получению циклограмм с большими значениями скорости охлаждения и максимальной температурой нагрева, способствуя повышению уровня остаточных сварочных напряжений.
Список использованных источников
1. Казаков Ю.В. Приближенная оценка эффективности операции снятия остаточных напряжений в сварных конструкциях // Сварочное производство. – 2004. – №10. – С.41–44.
2. Корольков П.М. Оборудование и технология объемной термической обработки газопламенным нагревом крупногабаритных сосудов давления в монтажных условиях // Сварочное производство. – 2001. – №9. – С.39–43.
3. Bianco N., Manca O., Nardini S., Tamburrino S. A Numerical Model for Transient Heat Conduction in Semi-Infinite Solids Irradiated by a Moving Heat Source, COMSOL Users Conference 2008 Hannover.
4. 16. N. Bianco, O. Manca, S. Nardini, S.Tamburrino. Transient heat conduction in solids irradiated by a moving heat source, COMSOL Users Conference 2006, Milano 14 Novembre.
5. Патент №2121514 RU, МКИ С 21 К 1/09. Способ плазменной термической обработки изделий и устройство для его осуществления / А.М. Лыков, Ю.И. Матвеев. – 1998.
6. 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.
7. Теория сварочных процессов. В.Н. Волченко, В.М. Ямпольский, В.А. Винокуров и др. / Под ред. В.В. Фролова.- М.: Высшая школа.- 1988.-559с.
8. Снижение уровня макро- и микронапряжений в наплавленном металле при восстановлении крупногабаритных конструкций / Арефьев И.В., Савинов А.В., Лапин И.Е. и др. // Сборка в машиностроении, приборостроении. – 2009. – №10. –С.41–46.