CC BY
20
ВЕСЩИК
ПРИА ЗОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 2000 г.
Вып.№9
УДК 621.792.5.046
Серенко В.А.1, Зусин В.Я.
АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ПОРООБРАЗОВАНИЯ В СВАРНОМ ШВЕ. ЧАСТЬ 2
Разработана математическаяя модель порообразования при сварке (наплавке), учитывающая гидродинамику жидкого металла в сварочной ванне, поведение пузырьков газа в условиях нестационарной температуры расплава.
В работе [1] получены выражения для проекций результирующей скорости движения газового пузырька в сварочной ванне на координатные оси X и Z. равные первым производным от соответствующих координат пузырька по времени:
Правые части уравнений (1) включают коэффициенты и функции, содержащие координаты пузырька х, г и время I. Решение системы (1) позволяет найти закон движения пузырька, т.е. получить зависимости х и г движущегося пузырька в функции времени I. Путем исключения из уравнений х = Ш). г = Г(Ч) времени I можно получить уравнение его траектории г = Г(х). позволяющее оценить вероятность пересечения траектории пузырька подвижного фронта кристаллизации сварочной ванны и, следовательно, вероятность образования пористости шва или наплавляемого металла.
При установившемся процессе сварки (наплавки) в жидком металле ванны появляется большое количество мелких (зародышевых) газовых пузырьков. Считается, что источником их появления могут быть либо поверхностные микрополости расплавляемых кромок, содержащие адсорбированную влагу, жировые и пылевые загрязнения, окислы и др.[2-4], либо микродефекты твердого металла - микротрещины, вакансии, скопления дислокаций и др. [5-7], являющиеся своеобразными микроловушками протонов и молекул газа (чаще всего водорода).
В обоих случаях зарождение микрополостей происходит в передней части сварочной ванны, которые вместе с потоком жидкого металла переносятся в ее нижнюю часть.
Вероятность всплывания пузырьков в головной части сварочной ванны очень мала, поскольку из-за их малых размеров (10'5 - 10'7 м) скорость всплывания пузырьков будет также маленькой.
Следует отметить, что кроме двух упомянутых источников поступления газовых пузырьков в сварочную ванну, существует еще один, обнаруженный авторами при наплавке алюминия порошковым электродом [8, 9].
Установлено, что при расплавлении порошкового электрода в образующуюся на конце электрода каплю вместе с шихтой поступают газовые зародыши, возникающие при термическом разложении гидратированных окислов, жировых пленок, адсорбированных молекул воды, газов и других веществ, находящихся на шероховатой поверхности частиц шихты.
Последующий рост газовых полостей и их перемещение в жидком металле сварочной ванны связаны, в конечном счете, с физико-механическими процессами в ней, которые определяются режимом сварки, свойствами основного и электродного металлов, степенью пересыщения жидкого металла газом и т.п. Именно эти процессы и будут определять траекторию движения пузырька в ванне. Так, если пузырек будет двигаться по траектории 1(рис. 1), то после дос-
^ = F +V +V-] j. жх ex тх
жх
тх
(1)
+ V +V
жг 1 ' вг тг
1 Индустр. техн. Ill ТУ, инж.
2 ПГТУ, д-р. техн. наук, проф., акад. АИН Украины
тижения им движущегося фронта кристаллизации ОЕ возможен его захват растущими кристаллами, что приведет к образованию поры в этой зоне шва.
Рис. 1 - Схема движения газовых пузырьков в сварочной ванне: 1, 2, 3 - траектории пузырька;
УЛ - перемещение фронта кристаллизации за время I.
Движение пузырька по траектории 2 вызовет образование поры в верхней части шва. Если за время I пузырек достигнет свободную поверхность жидкой ванны, то он покинет ее и поры образовываться не будут (траектория 3).
Поскольку параметры сварочной ванны (толщина жидкой прослойки на дне ванны и в верхней части - и глубина провара - Ь, длина ванны - /в и др.), скорость движения жидкого металла в ней, скорость перемещения фронта кристаллизации и т.д., входят в правую часть совместных уравнений (1), то необходимо иметь аналитические зависимости для их определения.
Расчетная осевая скорость течения жидкого металла на дне ванны (ф-ла 7 в [1]) и толщина жидкой прослойки 0ЖН зависят от силового воздействия дуги на расплавляемый металл. В ряде исследований [10-13] показано, что интегральное силовое воздействие дуги является квадратичной зависимостью сварочного тока и может быть найдено как сумма статического [12] и кинетического [13] давлений плазменных потоков
р
471
1 -l-0.5ln — Яэ,,
(2)
где Р"д - силовое воздействие дуги, Н; ц0 - магнитная постоянная, Гн/м; 1С - сварочный ток, А; Кп Лэ - радиус активного пятна дуги на изделии и радиус электрода, м. Радиус пятна дуги зависит от вида защитной среды и напряжения на дуге [14]. Применительно к сварке и наплавке в среде аргона можно показать, что
яп^дид-ьд)ло-ъ, (3)
где ид - напряжение на дуге, В;
ад, Ьд - постоянные, определяемые экспериментально.
Наиболее сложной проблемой при анализе гидродинамической обстановки в сварочной ванне является определение толщины жидкой прослойки под дугой. Об этом можно судить по значительному расхождению взглядов и оценок по ее формированию и величине в многочисленных теоретических и экспериментальных работах [15-21].
На наш взгляд наиболее строгий аналитический подход к оценке толщины прослойки сделан в работе [19], поэтому, воспользовавшись ее методом, запишем выражение для расчета 8Ж в виде
"г
где Ив - геометрический параметр ванны;
К, У г - скорость сварки и скорость потока жидкой прослойки на передней стенке кратера ванны в рассматриваемом сечении ванны, м/с.
Геометрический параметр головной части ванны определяется по зависимости
(0,5 Be+Rj£-z)
К
где Вв - ширина сварочной ванны, м; /?г - текущий радиус шарового сечения ванны, м; А - глубина провара, м; г - ордината рассматриваемого сечения, м. Скорость потока жидкой прослойки можно найти из уравнения
Ару?+вру22-срг2-пр = 0.
Входящие в (6) коэффициенты рассчитывают по зависимостям:
Sp=PcJc-Rth.Vcs in а;
А —
p~hV
Л
Ср=(сх-с6)- D = {c2+cA-c5)heVc
(6)
(7)
где Рср - средняя плотность жидкого металла, кг/м3;
а - угол поворота Rz , отсчитываемый от горизонтальной плоскости до текущего сечения Z, рад.
Значения коэффициентов Ci... Се определяется по формулам:
с, =
МЛ
0,95 R,
и
je-K<R°cos2 e cos2 a sin a da;
л а0 3
С2 =
_ 3/Х - КГ7
0,95 К 0,95 r:
je~KcR°cos*a cos2 ос sin ccdoc (приR2<R„)-,
«o
= 3IÍR:,if ■ ]e-K<R°™lasmada (приЛг > RJ- C3 = -u^-n ■ R02(cos2a0 - cos2a);
1
cos a г,
3 Л
cos а
С5 =
n-R'
п • R, sin а;
С6 = Р.
В приведенных формулах:
цср - средняя динамическая вязкость металла ванны, Нс/м2 ;
Кс = 3/ЯП2 - коэффициент контрагирования сварочной дуги, 1/м2.
Процедура определения толщины жидкой прослойки начинается с расчета 8ЖЛ по формуле (4) в сечении близком к переднему краю сварочной ванны (г « 0,9И), затем путем последовательного перехода к более глубоким сечениям (г —> 0) находят ряд значений 5жг. Построив зависимость от г, находят приближенное значение 8жг'.
Необходимо, однако, отметить, что рассчитываемая таким образом толщина жидкой прослойки на дне сварочной ванны получена без учета присоединяемой массы плавящегося электрода.
Если принять, что при плавлении электрода капли переходят в сварочную ванну с одинаковой интенсивностью по всей поверхности ванны Бв — + $хв (рис. 2), то добавляемая
масса металла, приходящаяся на головную площадь ванны будет вся «прокачиваться» через сечение ОО1 (рис. 1), что приведет к увеличению толщины прослойки на величину обратную коэффициенту Кп [1].
Рис.2 - Схема сварочной ванны в плане.
где Р„р, Fи - площади проплавления и наплавки, м2;
о кВ*
ог = =—-— площадь проекции головной части сварочной ванны на горизонтальную 8
тхБ • I
плоскость, м2; 5 - Ч---—— - площадь проекции всей ванны, м2.
4
По мере движения жидкого металла в хвостовую часть ванны будет также происходить увеличение его массы за счет плавления электрода, что приведет к увеличению толщины жидкой прослойки 8жв (по сравнению с ее толщиной у дна ванны) на величину
1 (9)
г» * Iхв м 2
где о хд =----площадь проекции хвостовой части ванны, м .
Таким образом, уточненные значения толщин жидкой прослойки на дне ванны и в ее верхней части (рис.1) можно определить по зависимостям
^жн ~ ^ жн'~р ' — ^ жн'~р ■ О®)
кп кпв
Площади проплавления основного металла Р„ и наплавки Рн зависят от способа и режима сварки [22]
р =мь!£±. р = а"1о (п)
* рсРКК ' " 3600Рсргс'
где г]и, т](- эффективный и термический КПД;
Ьт - теплосодержание единицы массы металла, включая скрытую теплоту плавления, Дж/кг;
ан - коэффициент наплавки, кг/А ч.
Коэффициент наплавки зависит от способа и режима сварки, площади и вида сечения электрода и связан с коэффициентом расплавления электродной проволоки Ор по зависимости:
ан =ар(1-\|у), (12)
где ц/ - коэффициент потери металла электрода и ванны.
Коэффициент расплавления в общем виде целесообразно определять по зависимости [23]
а (13)
2.
где 1Ю - длина вылета электрода, м; Рэ - площадь сечения электрода, м ; Ск и £)к - коэффициенты, зависящие от типа свариваемого металла. Предлагаемая математическая модель порообразования при сварке позволяет учитывать многочисленные параметры сварки и, по мере уточнения отдельных закономерностей, относящихся к теории сварочных процессов, ее можно совершенствовать.
Учитывая, что расчетные зависимости, используемые в модели, носят довольно громоздкий характер, авторами разработаны алгоритм и маткад-программа, позволяющая выполнять расчеты на ПЭВМ IBM PC в диалоговом режиме.
Z, м 0.012
0.009 2 J'/
0.006 / / / / 'У
0.003 у У s /•У ¿■у УХ
"0.009 -0.003 0.003 0.009 0.015 X, м
Z, м 0.012
0.009 3: / / V . / : ' / / / / / / /
0.006 ч / / /у //
0.003 ■S' У У / У у sX
" У"
-0.009 -0.003 0.003 0.009 0.015 X, м
Рис.3 - Результаты расчета траектории газового пузырька (а - г0 = 0.3 мм; б - г0 = 0.5 мм) в сварочной ванне:
1 - фронт кристаллизации в исходном положении (—) и после перемещения за время I (—);
2 - граница ванны; 3 - траектория пузырька.
На рис. 3 приведены примеры реализации разработанной модели в среде математической программы МаЛсас!. Видно, что при изменении лишь одного (г0) из многих параметров процесса можно влиять на поведение газового пузырька в сварочной ванне и, следовательно, управлять процессом порообразовнаия.
Выводы
1. Разработанная математическая модель порообразования при сварке позволяет дифференцированно оценить влияние различных параметров процесса на вероятность образования пор в сварных швах и наплавленном металле.
2. Моделирование движения газовых пузырьков в сварочной ванне показывает, что при определенных параметрах сварки они не успевают всплывать и могут быть захвачены зубчатым фронтом кристаллизации.
Перечень ссылок
1. Серенко В.А., Зусин В.Я Анализ процесса парообразования в сварном шве. Часть 1. // Вестник Приазов. гос. тех. ун-ча.: Сб. науч. тр. - Мариуполь, 1999.-Вып.8. - С. 155-159.
2. Ерохин A.A., Оботурое В.И. Роль поверхностных загрязнений в образовании пор при сварке
// Сварочное производство.-1971 .-№8 - С. 57-60.
3. Процессы, протекающие в стыке сварного соединения, и их влияние на пористость шва//Автоматическая сварка.-1977.-№2.-С. 25-30.
4. Никифоров Г.Д., Редгиц В.В. О механизме образования пор при сварке титановых сплавов //
Сварочное производство.-1971.-№3 - С. 49-51.
5. Горшков А.И. Кинетика роста газовых пузырьков в расплавленной ванночке и образование пор в металле шва при сварке титана// Сварочное производство.-1975.-№6 - С. 54-56.
6. Гегузин Я.Е. Макроскопические дефекты в металлах. - М.: Металлургиздат, 1962.-218 с.
7. ФроловМ.М. Поведение водорода при сварке. - М.: Машгиз, 1966. - 325 с.
8. Зусин В.Я, Серенко В.А. Особенности дегазации сварочной ванны при наплавке алюминиевых сплавов порошковой проволокой // Вестник Приазов. гос.техн.унлга.: Сб.науч. тр.-Мариуполь, 1995.-Вып. 1-С. 189-191.
9. Зусин В.Я, Гпозман H.A., Серенко В.А. Пути повышения плотности металла при наплавке алюминиевых сплавов порошковыми проволоками // Автоматическая сварка. - 1996. - №8. -С. 39-41.
10. Ерохин A.A. Силовое воздействие дуги на расплавленный металл // Автоматическая сварка. -1979,-№7.-С. 21-26.
11. Пентегое И В. Силовое воздействие сварочной дуги (неканаловая модель) // Автоматическая сварка.-1987.-№1.-С.23-27.
12. Теория сварочных процессов. / Под ред. В.В. Фролова. - М.: Высшая школа, 1988.-559 с.
13. Ленивкин В.А., Дюргеров Н.Г., Сагиров Х.Н. Технологические свойства сварочной дуги в защитных газах. - М. Машиностроение,189.-264 с.
14. Шилов A.A. Некоторые особенности изменения размеров активного пятна дуги на ванне при сварке // Сварочное производство. Ижевский механический институт. Межвузовский сборник. Ижевск,1977. Вып.1-С.9-15.
15. Размышляев А. Д. Расчет толщины жидкой прослойки под дугой при наплавке ленточным электродом //Автоматическая сварка. - 1976. - №3. - С. 69-70.
16. Чернышов Г. Г., Рыбачук А. М. Определение толщины слоя жидкого металла на переднем фронте сварочной ванны // Сварочное производство. - 1979. - №10. - С. 9-10.
17. Размышляев А. Д. Уточненное определение толщины жидкой прослойки под дугой // Автоматическая сварка. - 1980. - №7. - С. 74-75.
18. Гулаков С. В., Носовский Б. И. О передаче тепла от источника к фронту плавления через жидкий металл сварочной ванны // Сварочное производство. - 1982. - №6. - С. 5-6.
19. Размышляев А. Д. Гидродинамические параметры кратера ванны при дуговой сварке // Автоматическая сварка. - 1982. - №1. - С. 20-25.
20. Чернышов Г. Г., Рыбачук А. М. О толщине жидкой прослойки под дугой / В сб. Технология и автоматизация процессов сварки и пайки. - М.: Машиностроение, - 1969. - С. 67-73.
21. Лещинский JI. К., Павлов И. В. Толщина жидкой прослойки под дугой при наплавке ленточным электродом и проволокой // Автоматическая сварка. - 1975. - №3. - С. 75-76.
22. Рыкалин Н. Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. - М.. Машгиз, - 1951. - 296 с.
23. Коринец И. Ф. Математическая модель плавления электродной проволоки при дуговой сварке //Автоматическая сварка. - 1995. - №10. - С.39-43.
Серенко Валерий Александрович. Директор Индустриального техникума 111 ГУ, окончил Мариупольский металлургический институт в 1981 году. Основное научное направление - совершенствование процессов сварки и наплавки алюминия и его сплавов.
Зусин Владимир Яковлевич. Д-р техн. наук, проф., акад. АИН Украины, окончил Ждановский металлургический институт в 1963 году. Основное научное направление-совершенствование материалов, процессов сварки, наплавки и восстановления алюминиевых изделий, работающих в особых условиях.
