Моделирование глубокого проплавления при электроннолучевой сварке.

Полученные результаты по ЭЛС с пилообразной разверткой целесообразно было сравнить с имеющимися в мировой практике данными по проплавлению остросфокусированным лучом. Например, на рис. 1.8 представлено проплавление стали, выполненное на режиме: U_yск= 60 кВ, I_П = 215 мА, V_CB= 5 мм/с, полученная глубина проплавления h= 55 мм. Возникает вопрос: как достигнутая величина соотносится с имеющимися результатами по сварке статическим лучом?

Для этих целей было проведено сравнение с результатами моделирования ЭЛС с глубоким проплавлением с помощью компьютерной программы ЕВ SIM[8]. Эта программа разработана в Институте сварки Технического университета г.Аахен (Германия).В программе учитываются основные физические процессы, происходящие при ЭЛС. Кроме того, в ней достигнуто совпадение с максимальным количеством имеющихся разрозненных экспериментальных данных (одним из средств совпадения было также введение поправочных коэффициентов). Достигнутая точность совпадения по возможно большому массиву данных составляет не хуже 10%. (Программа была передана в Институт электросварки им.Е.О.Патона в рамках проведения совместных работ по моделированию процесса ЭЛС).

При проведении расчетов по программе, в частности, температурного поля, учитываются процессы тепломассопереноса при обтекании жидким металлом парового канала в сварочной ванне (используются уравнения Навье-Стокса). После преобразования уравнений движения жидкости к потенциальному течению, задача сводится к температурному полю от цилиндрического источника тепла.

Рассчитывается поглощение энергии электронов стенками парогазового канала и рассеяние электронов луча на паровом потоке из канала.

Истечение пара из парогазового канала в вакуум рассчитывается по уравнению Клаузиуса-Клапейрона.

Расчетный метод формы проплавления состоит в определении радиуса канала r_k и изменения его dr_k/dz вдоль вертикальной оси Z. Производится дискретизация по оси Z: вся область расчета разбивается на горизонтальные слои (количество слоев до 500), в пределах каждого слоя решается уже только двумерная задача (зависимость расчетных величин от X, Y).

Программа разработана к использованию на персональном компьютере в оболочке Windows.

Имеется несколько окон для ввода данных.

В окне данных по свариваемым металлам вводятся: материал, теплоемкость, теплота кипения, теплопроводность, температура плавления, атомная масса, атомный номер, плотность, поверхностное натяжение жидкого металла, температурный градиент поверхностного натяжения. Учитывается возможность наличия двух дополнительных (к основному металлу) компонентов сплава: их процентное содержание, атомная масса, теплота кипения.

В окне данных по электронному лучу вводятся: ускоряющее напряжение, мощность, ток луча, фокусное расстояние, угол сходимости луча на уровне 50% мощности; распределение плотности тока в фокусе задается в виде таблицы, где указывается сколько процентов тока проходит в пределах круга разного диаметра.

В окне режимов сварки задаются: скорость сварки, положение фокуса луча * относительно поверхности изделия, температура подогрева, размеры образца.

Результаты моделирования ЭЛС для параметров режима, указанных в начале параграфа, представлены на рис. 1.11-1.16.

При моделировании было принято, что распределение плотности тока в фокальном пятне статического электронного луча описывается гауссовским законом распределения:

j(r) =j₀*exp(-r²/ r _е ² ),

где г_е - эффективный радиус луча; на расстоянии г_e от оси плотность тока меньше в е = 2,72 раза, чем на оси; в пределах круга радиуса r_e проходит 63% всей мощности. В расчетах задано r_е = 0,4 мм (экспериментальное значение). Задаваемое распределение мощности в фокусе представлено на рис.1.11.

Обобщенные данные по результатам моделирования представлены на рис. 1.12, а расчетная форма проплавления - на рис. 1.13. Как видно из рис. 1.12, в расчете весь образец был разделен на 232 горизонтальных слоя, а результаты выдаются в слоистой структуре из 29 слоев. Из-за отражения и рассеяния потеряно 2% мощности луча. Самый интересный результат состоит в том, что расчетная величина глубины проплавления 37,2 мм меньше экспериментально достигнутой глубины 55 мм, полученной на специальной пилообразной развертке.

На рис. 1.14 показаны в трехмерном изображении сварочная ванна и парогазовый канал. Видна расчетнаяслоистая структура ванны (29 горизонтальных слоев); парогазовый канал на рис. 1.14 представлен в виде темной области. На рис. 1.15 дается изменение радиуса парогазового канала по глубине проплавления.

Еще одна возможность, даваемая программой ЕВ Sim, состоит в возможности определения термоцикла в любой точке около шва (рис. 1.16) и, в частности, значения температуры в любой точке образца ив любое время.

Можно отметить хорошие возможности, даваемые программой EBSimдля моделирования процесса ЭЛС, подбора режимов, разработки технологии и пр. В данном конкретном случае моделирование показало, что расчетная глубина проплавления статическим электронным лучом получается меньше, чем экспериментальные значения глубины проплавлений, получающихся при импульсном динамическом воздействии на ванну при специальной пилообразной развертке луча. Можно заключить, что разработанный технологический прием дает существенное повышение эффективности электронно-лучевой сварки.

Рисунок 1.11 - Принятое при расчетах распределение мощности в фокальном пятне электронного луча; в расчете принят закон распределения Гаусса с эффективным радиусом 0,4 мм (возможно использование других законов распределения: равномерного в пределах круга, по кольцу и т.д.)

 

Рисунок 1.12 - Обобщенные данные по моделированию проплавления: расчетная глубина проплавления h = 37,2 мм; все проплавление по глубине представлено состоящим из слоев (в данном случае — получилось 29 слоев)

 

 

Рисунок 1.13 - Рассчитанная (с использованием программы EBSim) форма проплавления при следующих заданных параметрах: ускоряющее напряжение 60 кВ, ток луча 215 мА, скорость сварки 5 мм/с, эффективный радиус 0,4 мм, положение фокуса 20 мм над поверхностью, материал - сталь, сварка в нижнем положении

 

 

Рисунок 1.14 - 3-х мерное представление рассчитанного проплавления; темная область - парогазовй канал, горизонтальные слои - сварочная ванна

Рисунок 1.15- Размеры парогазового канала: расчетный радиус канала на разнойлубине про плавления

Рисунок 1.16- Рассчитанный термоцикл(выбрана точка вблизи шва: у =3 мм, z= 20 мм); дополнительная возможность - в правом верхнем углу выводятся координаты точки графика, на которую указывает курсор: (температура, время)

 

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: