WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

можно считать условием возникновения пустот в конце импульса.

Время заполнения канала расплавом оценивается значением:

. (4)

Время кристаллизации расплава оценивается значением:

, (5)

где c - удельная теплоемкость; - коэффициент теплопроводности, t - время излучения.

Кратеры. Причиной возникновения кратеров в паузе между импульсами луча является термическое расширение металла в результате нагрева, формирование выпуклости и частичная фиксация этой выпуклости при кристаллизации металла. При кристаллизации металла в центре сварной точки образуется усадочный кратер.

Для обеспечения минимального значения выпуклости необходимо после плавного уменьшения мощности луча для предотвращения пустот в шве подогревать поверхность лучом лазера при пороговой мощности, при которой поверхность остаётся расплавленной на всё время кристаллизации металла в глубине шва. Объём выпуклости при этом минимален, а минимальная глубина кратера не превысит значения:

. (6)

Согласно условиям возникновения дефектов необходимо, чтобы сварочная ванна имела большую площадь, а скорость роста глубины канала была мала. Необходимо обеспечить постепенное увеличение мощности луча лазера в начале импульса. В паузе между импульсами ее нужно поддерживать на пороговом уровне возникновения парогазового канала:

, (7)

где - коэффициент отражения излучения; - длина волны лазера; уд – удельное электросопротивление при температуре кипения металла TV.

Непровары. При импульсной сварке для случаев нахлесточного соединения необходимо обеспечить взаимное перекрытие точек, сформированных отдельными импульсами в стыке свариваемых деталей, рис. 2.

Рис. 2. Схема перекрытия точек шва для нахлесточного соединения:

1, 2 - верхняя и нижняя детали, соответственно

Длина ванны в стыке оценивается соотношением:

,

где L – длина ванны на поверхности; Lb=2rc; z1 - толщина верхнего листа.

Длительность импульса определяется заданной глубиной проплавления zc, а длительность паузы временем кристаллизации (5).

Перекрытие точек шва в стыке от отдельных импульсов обеспечивается выбором скорости сварки по условию:

, (8)

где tp – длительность импульса.

Алгоритм расчёта параметров импульса (изменение мощности луча во времени) основан на решении обратной задачи моделирования ИЛС с учетом физико-технологических условий обеспечения бездефектного формирования шва.

Модель ИЛС учитывает воздействие луча на металл, рост глубины парогазового канала и рассчитывает размеры сварочной ванны с учетом потерь энергии на отражение луча от поверхности, парообразование, теплоотвод в металл. При многократном моделировании итерационно подбираются параметры импульса, пока все условия отсутствия дефектов не будут выполнены. Корректировка скорости роста мощности луча до получения максимально допустимого значения рассчитывается одновременно для Kd и Kg по соотношению:

, (9)

где Kr - скорость роста; Kr-1 - скорость роста на предыдущем шаге; K –значения критериев Kd и Kg. Укрупненный алгоритм решения этой задачи представлен на рис. 3.

Исходные данные: тип соединения (стыковое, угловое, нахлесточное), толщина свариваемых листов, теплофизические свойства сплава, диаметр луча, мощность луча, глубина проплавления.

Расчет пороговой мощности (7)

Цикл расчета скорости роста мощности луча

Цикл расчета размеров шва

Расчет параметров процесса

Оценка условий возникновения выплесков (1, 2)

до достижения заданной глубины проплавления

Корректировка скорости роста мощности луча (9)

до получения максимального значения без выплесков

Расчет времени затекания канала (4) и времени кристаллизации (5)

Оценка условия возникновения пустот в шве (3)

Расчет скорости сварки по условию обеспечения перекрытия точек шва (8)

Расчет размеров глубины кратера (6)

Вывод результатов

Рис. 3. Алгоритм расчета формы импульса и скорости сварки

Для выполнения расчетов по алгоритму (рис. 3) была создана программа «PulsedLaserWelding-inverse». Результаты расчетов программой были проверены натурным экспериментом. На рис. 4 представлены копия экрана программы с результатами расчета параметров импульса (рис. 4, а) и экспериментальный шлиф с изображением продольного сечения шва (рис. 4, б).

а)

х10

б)

Рис. 4. Результаты расчета оптимальной формы импульса программой (а) и экспериментальный шлиф (б) с изображением продольного сечения шва

Были выполнены три натурных эксперимента, при которых время нарастания импульса, мощность в паузе между импульсами и скорость сварки отклоняли от расчетных значений, полученных программой (рис. 4). Результаты трех опытов в виде экспериментальных шлифов представлены в табл. 1.

Таблица 1. Изменяемые параметры импульса и экспериментальные шлифы

Время нарастания импульса 6 мс

Мощность луча в паузе между импульсами 0 Вт

Скорость сварки

4 м/мин

х10

х10

х10

выплеск

пустоты

непровар

В первом эксперименте уменьшение времени нарастания импульса с 8 до 6 мс вызвало появление выплесков. Во втором эксперименте сварка без подогрева в паузе между импульсами привела к появлению пустот. В третьем эксперименте увеличение скорости сварки с 2,7 до 4 м/мин привело к непровару.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ИМПУЛЬСНОЙ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ

В главе описана разработанная физико-математическая модель процесса ИЛС твердотельным ИАГ-лазером. Она предназначена для расчета параметров зоны проплавления и размеров шва по заданным параметрам режима сварки с учетом технологических факторов: параметрам импульса, скорости сварки, сборочного зазора, неточности позиционирования луча и т.д.

Основой являлась математическая модель нестационарной лазерной сварки в непрервном режиме, созданная Судником В.А., Ерофеевым В.А., Карпухиным Е.В, учитывающая процессы формирования парогазового канала, поверхности ванны и кристаллизации шва.

Разработанная автором диссертационной работы модель ИЛС отличается от вышеупомянутой учетом закона изменения параметров луча во времени (параметров импульса), а также описанием процесса фиксации предельного пространнственного расположения сварочных ванн, возникающих при воздействии импульсов луча.

Основой разработанной модели ИЛС является нелинейное дифференциальное уравнение энергии (10) для подвижной системы координат, которая перемещается со скоростью сварки vw вдоль оси х:

, (10)

где (Т) – коэффициент теплопроводности, зависящий от температуры Т; – объёмный источник теплоты; H(x,y,z) – энтальпия свариваемого материала в точке с координатами (x,y,z), связанная с температурой уравнением состояния:

, (11)

где – плотность среды; Т0 – начальная температура; Hi – теплоты фазовых и агрегатных превращений.

Для моделирования ИЛС источник теплоты описан как функция времени и характеризуется интенсивностью излучения луча, энергией, формой и длительностью импульса, частотой следования импульсов. Интенсивность излучения лазера приведена к объемному источникуделением на толщину слоя, прогреваемого за один импульс:

,

где a - коэффициент температуро-проводности; eff – эффективная погло-щательная способность поверхности деталей; IL – пространственное распределение интенсивности излучения.

Рис. 5. Временная форма импульса

При ИЛС лазерный луч характеризуется временным распределением интенсивности излучения (рис. 5) и описывается системой уравнений (12) для твердотельного лазера:

(12)

где – интенсивность излучения на поверхности деталей; PL – мощность луча; 1, 2 – время нарастания и спадания импульса соответственно; rz – радиус луча в фокусе на расстоянии z от поверхности деталей.

Равновесное состояние поверхности Z(x,y) канала (рис. 6) достигается при температуре поверхности канала, при которой капиллярное давление уравновешивает давление пара металла pvap и гидростатическое давление pg:

,

где Г – условное внутреннее давление, которое определяется из условия сохранения массы расплава.

Рис. 6. Форма поверхности расплава

Дифференциальное уравнение для поверхности ванны имеет вид:

,

(13)

где Xi - атомная доля i-компонента сплава; i- активность i-компонента сплава; Аi, Вi – термодинамические коэффициенты для i - элемента.

Граничные условия для уравнения (13) - это линии сопряжения поверхностей между расплавом и поверхностью твёрдого металла деталей.

Граничные условия на фронте плавления имеют вид:

(14)

Граничные условия на фронте кристаллизации имеют вид:

, (15)

где Z1 – поверхность детали для уравнения (14), закристаллизовавшегося шва для уравнения (15) при сварке предыдущих точек.

Так как уравнение (13) математически справедливо только для малых прогибов, то используется условие сшивки поверхности ванны с поверхностью парогазового канала:

, (16)

Диаметр канала принимается равным диаметру луча. Глубина канала Zcav находится из уравнения:

(17)

Таким образом, математическая модель процесса ИЛС представляет собой следующую систему уравнений:

  • уравнение сохранения энергии (10) и соотношение (11), связывающее энтальпию с температурой;
  • закон изменения параметров луча (12);
  • дифференциальное уравнение для поверхности ванны (13) с граничными условиями на фронте плавления (14) и фронте кристаллизации (15);
  • уравнение парогазового канала (17);
  • условие сшивки (16) поверхности ванны с поверхностью канала.

Эта система уравнений решалась численно с малым шагом по времени. Решение уравнения энергии осуществлялось методом конечных разностей в трехмерной ортогональной равномерной сетке с шагом db/6 (db - диаметр сфокусированного лазерного луча), а уравнение поверхности (13) – в двумерной сетке с тем же шагом. При решении на каждом шаге по времени корректировалась принадлежность каждого узла сетки к определенной среде (расплавленный металл, твердый металл, парогазовый канал) в зависимости от полученного решения.

При ИЛС форма ванны изменяется при заглублении луча, рис. 7. В начальный момент вся энергия луча выделяется на поверхности и ванна имеет значительную ширину (1, рис. 7). при заглублении луча ширина ванны сверху заметно уменьшается (2, 3, рис. 7). Наблюдаемый профиль шва соответствует максимальному удалению изотермы плавления (4, рис. 7) от оси. Сварной шов формируется из сварочных ванн, возникающих при воздействии импульсов луча, рис. 8. Для определения размеров сварного шва разработан метод моделирования, основанный на фиксации предельного пространственного расположения сварочной ванны переменного размера. Для отображения предельного пространственного положения используется специальный массив М(xI,y,z), в котором координата хI=x+vwt. В этот массив заносится маркер пребывания точки пространства выше температуры ликвидуса.

Рис. 7. Стадии формирования сварочной ванны

Рис. 8. Результаты моделирования

На основе физико-математической модели ИЛС создана компьютерная программа «PulsedLaserWelding-direct», состоящая из препроцессора (ввод данных), процессора (расчет) и постпроцессора (визуализация результатов расчета). В приложении представлены копии экранов программы «PulsedLaserWelding-direct» (рис. П.1 – П.4). Проведена оценка погрешности моделирования на основе проведения серии экспериментов.

Для проведения экспе-риментов использован технонологический лазерный комплекс КЛТ-01 производства ОАО «АК Туламашзавод», который вклю-чает в себя промышленный ИАГ-лазер МЛТИ-1200, рис. 9.

Рис. 9. Лазерный комплекс КЛТ-01

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»