CC BY
219
4. Goldak J. A new finite element model for welding heat sources / J. Goldak, A. Chakravarti, M. Bibby // Metallurgical Transactions. - 1984. -Vol. 15B. - P. 299-305.
5. Computer modelling of heat flow in welds / J. Goldak [et al.] // Metallurgical Transactions, 1986. - Vol. 17B. - P. 587 - 600.
6. Sudnik W. Computerised simulation of laser beam welding, modelling and verification / W. Sudnik, D. Radaj, W. Erofeew // J. Phys. D. - 1996 - №29. -P. 2811 -2817.
Получено 17.07.08.
УДК 621.791
В.А. Ерофеев, Р.В. Логвинов (Тула, ТулГУ)
КОМПЬЮТЕРНАЯ ИМИТАЦИЯ КОНТАКТНОЙ ТОЧЕЧНОЙ СВАРКИ ЛИСТОВ С ПОКРЫТИЯМИ
Описана физико-математическая модель процесса контактной точечной сварки листов с покрытиями. Основой модели являются уравнения электрического потенциала, теелопроводности и пластической деформации, а также соотношения, учитывающие naраметры сварочной машины и форму электродов.
Главным дефектом контактной точечной сварки стальных листов с антикоррозионными покрытиями является рарушение покрытия вокруг сварной точки, а также в контакте с электродами. Для исследования возможностей обеспечения коррозионной стойкости соединений была раработана физико-математическа модель контактной точечной сварки листов с оловянным, цинковым и алюмосиликатным покрытиями.
Феноменологический анализ. Основное отличие свойств материаа покрытий от основного метала - существенно меньшие температуры плавления и кипения, а также меньшая прочность, особенно при высоких температурах. Маое значение предела прочности цинка и аюминия увеличивает площадь контактов, так как она определяется усилием сжатия электродов машины. После включения тока температура в контактах быстро достигает температуры плавления материала покрытия и он выдавливается на периферию контактов (рис. 1).
Материа покрытия заполняет заор, возникающий между листами вследствие теплового расширения и пластической деформации листов. Это дополнительно увеличивает площадь контактов до значения, ограниченного изотермой температуры плавления покрытия. При использовании цинкового покрытия неизбежно его испарение в контакте между листами, так как температура кипения цинка меньше температуры плавления стал. Пар покрытия выбрасывает расплав покрытия в заор между листами и площадь
контактов с этого момента уменьшается до значений при сварке листов без покрытий.
а б в г
Рис. 1. Фазы формирования соединения при контактной точечной сварке листов с покрытиями: а - формирование начального контакта; б - плавление покрытия в контакте между листами; в- формирование зазора и пояска расплавленного покрытия; г- кипение и выброс покрытия из зазора (1 - электроды машины, 2 - свариваемые листы, 3 - покрытие, 4 - зона пластического течения, 5 - жидкое ядро,
6 - расплав покрытия, 7 - зона кипения покрытия)
Математическая модель сварки листов с покрытиями. Модель разработана на основе системы дифференциаьных уравнений электрического птенцима, теплопроводности и пластической деформации, решаемых в зоне формирования соединения [1]. Из решения уравнения электрического потeнцрла определяется распределение интенсивности тепловыделения, а из решения уравнения теплопроводности - распределение температуры в свариваемых листах и электродах машины. По температур корректируются значение теплопроводности и электропроводности, а также площадь контактов между листами и листов с электродами. Эта площадь определяется по условию равновесия между усилием сжатия электродов и давлением в контактах, которое принято равным сопротивлению пластической деформации на границе контактов. При увеличении температуры сопротивление деформации метала уменьшается, что приводит к необратимому росту площади контактов в процессе сварки. Модель воспроизводит вдавливание электродов в листы и возникновение заора между листами.
Для учёта наичия покрытия в модель внесены дополнения, учитывающие влияние характеристик покрытия на свойства контактных слоев между листами и с электродами машины. Учтены как толщина, так и свойства материаа покрытий - температуры плавления и кипения, зависимости прочности и электропроводности от температуры.
Начальный диаметр контактов между электродами и деталями екЭ0 можно определить из геометрических соотношений (рис. 2)
екЭ0 = е0 + 5
Я
Э
(1)
г0
где 5 - толщина покрытия; ео,Яэ - радиусы плоскости и сферы рабочей поверхности электродов.
Рис. 2. Геометрические характеристики контактов при наличии
покрытия на листах
В процессе сварки при нагревании материал покрытия теряет прочность раньше, чем сталь, но не плавится из-за низкой температуры электрода. Радиус контакта "электрод - лист" зависит от радиуса кривизны сферы электрода
екЭ := тах
ГЭ> Г5
1 +
ЯЭ5
ГкЭ
(2)
где е5
\
КС;
радиус, при котором давление в контакте уравновешивает
усилие сжатия электродов; ст5 - предел прочности материала покрытия при температуре листа вокруг контакта между электродом и листом.
Начальный диаметр контактов между деталями определён по пределу прочности материала покрытия
ес о = тах(е5, ео )• (3)
При включении тока по мере повышения температуры материл покрытия плавится. Так как температура плавления покрытия невелика
(менее 800 0С), то покрытие выдавливается из контактов и образует поясок вокруг контактов. Ширина этого пояска зависит от ширины А зазора, который возникает между деталями вследствие ж теплового расширения [1]. Радиус контактов зависит от предела прочности металла на границе контактов при условии, что температура покрытия меньше температуры кипения материала покрытия:
С ( 25^
еке + *Ь еке +*2’ Р
ес = тах
ес ,тт
1 + — А
У
(4)
Р т
<5ре- предел прочности стаи при температуре Тс на
где еРе =
ре
границе контакта; *1, *2 - толщина свариваемых листов.
При сварке листов с цинковым покрытием температура на границе контактов может достигать температуры кипения цинка Ту§. Это вызовет
выдавливание плёнки жидкого цинка с периферии контакта и уменьшение его диаметра до значения
ес = тах[ес ,еРе ] дя Тс >Ту§. (5)
Вследствие необратимости этого процесса возможное последующее снижение температуры не уменьшает диаметра контакта.
Численная рехизация модели. Для численного решения системы уравнений электрического потенциала и энергии использован метод конечных разностей. Уравнения решены на неравномерной двумерной сетке, узлы которой покрывают электроды и свариваемые листы и которая построена с учётом осевой симметри зоны формирования соединения. Решение уравнений выполнялось в общем цикле времени с малым временным шагом, значение которого выбиралось из условия достаточно точного воспроизведения изменения тока пи использовании машины с тиристорным регулированием. В процессе решения расчитывались мгновенные значения плотности тока, температуры, давления и радиусы контактов, а также диаметр В и проплавление к листов, диаметры зон Впд, в которых повреждено покрытие листов вследствие их плавления и кипения материала покрытия (рис. 3).
Результаты решения выведены в виде графиков, показывающих изменение основных параметров сварочного процесса во времени и распределений температуры в момент выключения тока и строения полученного соединения. В табл.1 представлены исходные данные для имитации сварки листов толщиной 1+0,8 мм из стаи 08Ю с цинковым покрытием на машине МТ1999. В табл. 2 приедены результаты имитации. На рис. 4 показаны графики изменения электрического сопротивления листов, диаметра лето го ядра, температуры и радиуса контактов в процессе сварки, на рис. 5 представлено распределение предельных значений температур, характеризующих строение и свойства соединения.
12 3 4
Рис. 3. Показатели качества формирования соединения: 1- зона литого ядра с крупнозернистой структурой, закристаллизовавшаяся при протекании тока; 2 - зона литого ядра с мткозернистой структурой, закристаллизовавшаяся после выключения тока; 3 - зона металла, испытавшего пластическую деформацию; 4 - зона термического влияния
Таблица 1
Параметры имитации процесса сварки листов толщиной 0,8+1,2 мм из стали 08кп на машине Т1933
Напряжение холостого хода 4 В
Угол отсечки тока 10 о
Длительность импульса тока 0,06 с
Время нарастания тока 0,02 с
Усилие сжатия электродов 1,5 кН
Усилие проковки 4 кН
Диаметр плоскости на рабочей поверхности электродов 3 мм
Угол конуса электродов 120о
О 22Ц «5 67.5 90 д 22,5 «5 67£ пи
Рис. 4. Изменение параметров процесса сварки листов толщиной 0,8+1,2 мм из стали 08кп с цинковым покрытием (2.П) и Лез него ^):
I - сварочный ток; Ree - сопротивление свариваемых деталей;
Ттах - температура в центре ядра; Тс - температура на границе контакта между листами; йк - диаметр контакта; О - диаметр ядра; А - зазор между листами; +Ек - сварка с приложением усилия проковки
Т. ос
Рис. 5. Распределение предельных значений температуры
Анализ условий формирования соединения листов при наличии
покрытий. Как показано на рис. 4, наличие цинкового покрытия увеличивает площадь контактирования, сответственно уменьшаются интенсивность тепловыделения и температура метала. Однако это заметно только в начале импульса тока, так как саморегулирование процесса эффективно уменьшает существенно начаьное увеличение площади контактов, обусловленное низкой прочностью материала покрытия. При цинковом покрытии после того, как метал нагреется до температуры кипения цинка, процесс протекает так же, как при сварке
листов без покрытия.
Таблица 2
Результаты имитации процесса сварки листов толщиной 0,8+1,2 мм из стали 08кп на машине МТ1933 с цинковым ______________покрытием и Лез покрытия ____________
Показатель качества формирования Ед. измерения Покрытие цинком 4 мкм Без покры- тия
Среднее значение тока кА 8,4 9,4
Среднее электрическое сопротивление мкОм 110 120
Максимальная температура оС 2100 2200
Температура пластической деформации в конце импульса тока до/при проковке оС 1280/112 0 1310/1 160
Глубина проплавления:
лист 1 мм 0,6 0,62
лист 2 мм 0,85 0,86
Диаметры зон:
литого метала мм 5,22 5,5
пластических деформаций перед
проковкой мм 5,6 5,7
пластических деформаций после
проковки мм 5,8 6,03
полиморфных превращений (800 °С) мм 6,32 6,6
термического влияния (500 °С) мм 7,24 7,5
испарения покрытия (1190 °С) мм 5,7 -
оплавления покрытия (692 °С) мм 6,69 -
Глубина отпечатка электродов мм 0,025 0,029
Остаточный заор между листами мм 0,026 0,03
Максимаьна температура электродов оС 525 444
Критерий возникновения выплеска (>0,6) - 0,52 0,22
Так как цинковые покрытия имеют температуру плавления, которая много ниже температуры плавления стали, диаметр зоны оплавления покрытия заметно больше диаметра литой зоны. Если диаметр зоны о плавления меньше диаметра контакта между листами, то обеспечивается высока коррозионна стойкость соединения. Стойкость может снизиться, если покрытие оплавляется вне контакта. При сварке стаи с цинковым покрытием неизбежно полное испарение цинка в кольце, окружающем литое ядро. Наиболее опасно, если диаметр зоны испарения цинка окажется больше диаметра контакта между листами. В этом случае
непокрыта цинком зона окажется в заоре между листами, что сильно снизит коррозионную стойкость соединения.
Таким обраом, для получения коррозионно-стойкого соединения необходимо обеспечить сохранения покрытия до границы контакта между листами. Диаметры испарения и оплавления покрытий определяются расположением изотерм плавления и кипения, а диаметр контакта между листами - изотермы температуры пластической деформации. Так как эта температура Тс зависит от давления, то можно увеличить диаметр контакта, повысив усилие сжатия электродов. Для исключения выхода зоны испарения цинкового покрытия в заор между листами температура деформации в конце импульса тока должна быть ниже температуры испарения цинка, что достигается выбором достаточного усилия сжатия электродов. Предотвращения выхода зоны оплавления покрытия в зазор простым увеличением усилия сжатия электродов добиться невозможно, так как увеличение усилия уменьшает глубину проплавления листов до полного непровара. При сварке ставных листов с аюминиевым покрытием этого можно добиться при сварке с приложением ковочного усилия в момент выключения тока. При сварке оцинкованной стаи это затруднительно, так как из-за низкой температуры плавления цинка требуется очень большое усилие сжатия, но приложение ковочного усилия позволяет гарантированно включить зону испарения цинка внутрь контакта между листами, который будет изолирован от зазора пояском оплавленного цинка. Добиться получения коррозионно-стойкого соединения оцинкованных листов можно сваркой с применением обжлмных втулок, применение которых позволяет изменить направление пластического перемещения металла, значительно увеличить диаметр контакта между листами и исключить пожление существенного заора между ними.
Выводы
1. Уточнена физико-математическая модель процесса контактной точечной сварки для виртуального воспроизводения электрических и термодеформационных процессов при формировании соединения листов с покрытиями.
2. Установлено, что условием получения коррозионно-стойкого соединения является сохранение покрытия до границы контакта между листами. Этого можно добиться выбором усилия сжатия электродов, использованием ковочного усилия, а также применением электродов с обжимными втулками.
Получено 17.07.08.
