Full Text

Основным этапом разработки технологии сварки является расчет состава металла шва или наплавленного металла. Он, в свою очередь, определяется составом шихты и ленты порошковой проволоки. Для разработки рационального состава шихты порошковой проволоки необходимо знание процессов, протекающих в дуговом промежутке и при формировании сварного шва. Экспериментальное их изучение и теоретическое описание позволят установить полноту перехода элементов из электродного стержня и покрытия, а также оценить доли участия основного и присадочного металлов в сварном соединении. Чаще всего такие исследования проводятся для определения усредненных коэффициентов перехода элементов () для конкретных условий сварки. Такой подход не позволяет использовать полученные значения для анализа процессов при изменившихся параметрах режима. В связи с этим необходимо разработать физическую и математическую модель процесса сварки, учитывающие особенности перехода элементов из порошковой проволоки в наплавленный металл. Физическая модель процесса сварки порошковой проволокой. Физическая модель - установка, устройство или приспособление, воспроизводящее в том или ином масштабе натурный объект при сохранении физического (динамического) подобия процессов в модели и натуре. При физическом моделировании реальному объекту ставится в соответствие его увеличенный или уменьшенный материальный аналог, допускающий исследование, как правило, в лабораторных условиях, и последующее перенесение свойств изучаемых процессов и явлений с модели на объект на основе теории подобия [1]. Процесс сварки является достаточно сложным для изучения. Высокая температура металла, скорость протекания реакций и самого процесса, зависимость конечного результата (состав, качество металла шва) от многих факторов не позволяют изучать данный процесс непосредственно на объекте. Требуется применение модели. Схему процесса сварки порошковой проволокой можно представить следующим образом [2, 3]. Электрическая дуга возбуждается между оболочкой порошковой проволоки и основным металлом. За счет тепла, выделяемого в дуге, плавится оболочка и сердечник проволоки. Процесс плавления порошковой проволоки разделяется на три стадии, различающиеся по температурным, геометрическим, гидродинамическим и физико-химическим характеристикам. Первая стадия - это нагрев и плавление проволоки. Она в свою очередь подразделяется на нагрев проволоки до плавления и плавление. Во время нагрева происходят такие процессы, как диссоциация различных соединений, испарение воды, окисление ферросплавов и взаимодействие шихтовых материалов в твердом состоянии. На подстадии плавления образуются три вида капель: капли металла, капли шлака и капли металла, покрытые шлаком. Вторая стадия - это перенос капель в ванну (стадия капли), и третья - стадия ванны. В этот период происходит множество разнообразных взаимодействий: капель металла и капель шлака с газовой фазой и между собой, ферросплавов со шлаком. Расплавившийся металл оболочки и сердечника образует на торце проволоки капли, которые растут и переносятся в сварочную ванну. При расплавлении минералов, руд и химикатов, входящих в состав сердечника, образуется шлак, покрывающий тонким слоем капли и сварочную ванну. При разложении карбонатов и органических материалов сердечника выделяются газы, которые защищают расплавленный металл от воздуха. Проволока по мере оплавления автоматически подается в зону сварки [4]. При удалении дуги жидкий металл сварочной ванны кристаллизуется, образуя сварной шов, покрытый слоем затвердевшего шлака (рисунок). Результаты исследования процессов, протекающих в смесях порошков при нагревании, позволяют заключить следующее. Введение в смесь металлических порошков смещает температурный диапазон Рис. Физическая модель формирования металла шва диссоциации карбонатов в область более низких температур. Диссоциация карбоната способствует интенсификации окисления железного порошка и ферросплавов. Использование смесей карбонатов способствует более равномерному выделению углекислого газа в широком диапазоне температур при диссоциации карбонатов, чем введение отдельных карбонатов. Приближение состава шлакообразующей части сердечника к составу эвтектических смесей способствует быстрому образованию расплава. Шлакообразованию предшествуют и сопровождают его реакции образования комплексных соединений [5]. Математическая модель процесса сварки порошковой проволокой. Современные тенденции развития науки и техники характеризуются разработкой, внедрением и широким использованием различных моделей, создаваемых как на базе традиционного экспериментального подхода, так и с применением новейших информационных технологий [1]. На сегодняшний день применяются такие подходы к оценке состава металла шва, как расчет по смешению, расчет с учетом коэффициентов перехода, регрессионные уравнения, термодинамические или кинетические расчеты. С методологической точки зрения можно выделить два основных подхода к математическому моделированию сложных систем: метод «черного ящика» и аналитический метод [6-8]. Метод «черного ящика» применяется в том случае, когда внутреннее строение системы неизвестно или не интересует исследователя. Структура объекта исследования исключается из рассмотрения, если его состояние характеризуется лишь входными, выходными параметрами и возмущающими воздействиями, а сведения о внутренней структуре объекта отсутствуют. Математическая модель строится путем установления соотношения между входными и выходными параметрами с исследованием реакции объекта на внешние воздействия. При этом широко применяются методы планирования эксперимента, дисперсионного, регрессионного и корреляционного анализа. К основным достоинствам метода «черного ящика» можно отнести его простоту, разработанность математического аппарата, гарантированность результата моделирования. Недостатки его связаны в основном с малой информативностью получаемых моделей и невозможностью оценки истинных причин явлений, протекающих в изучаемой системе [1]. При аналитическом подходе модель строится на основе изучения внутренней структуры явлений, протекающих в системе. В этом случае входные и выходные параметры модели связываются друг с другом путем применения фундаментальных физических и физико-химических закономерностей, учитывающих внутреннюю структуру объекта моделирования. Получаемое математическое описание процесса имеет высокую информативность, широкую область применения, универсальность. Применение такой модели позволяет понять ход протекания процесса, легко стыкуется с процедурами оптимизации. Аналитический подход значительно сокращает объем экспериментов, повышает эффективность моделирования [1]. К моделям, использующим метод «черного ящика», можно отнести модели на основе расчета металла шва по смешению, с учетом коэффициентов перехода, регрессионных уравнений. Аналитический метод применяют в моделях, основанных на термодинамическом и кинетическом анализе. Расчет состава шва по смешению удобен для предварительной оценки, однако дает приблизительный результат. Модель, основанная только на регрессионных уравнениях, дающих зависимость коэффициентов перехода от одного-двух параметров, является узкоприменимой [9, 10]. По мнению многих авторов, говорить о равновесии при сварке неправомерно, так как оно заведомо не достигается [11], определение скоростей плавления, времени взаимодействия и межфазных площадей крайне затруднено [12, 13]. Подобная неопределенность не позволяет вести термодинамические и кинетические расчеты с достаточной точностью и, как следствие, обеспечить получение устойчивых результатов. На основании предложенной физической модели составим математическую модель процесса сварки порошковой проволокой, основанную на полном материальном балансе в каждой из фаз. В работе [14] были выведены уравнения, описывающие зависимость массы компонента i в наплавленном металле и оксида компонента InOm в шлаке, образованном при плавлении порошковой проволоки, а также описана методика определения усредненного коэффициента перехода Нагрев и плавление порошковой проволоки сопровождается различными физико-химическими процессами, которые могут быть учтены введением парциальных коэффициентов перехода: - - доля массы компонента i металлической части шихты, окисляемой газом; - - доля массы компонента i металла ленты (оболочки), окисляемой газом; - - доля массы оксида компонента i неметаллической части шихты, переходящей в металл в результате реакций восстановления на стадии капли [14]. Введем уравнения, связывающие величины и с парциальными коэффициентами перехода 1 - = 1 - = = где - парциальные коэффициенты перехода элемента Эi в наплавленный металл из ленты, ферросплавов и шлака соответственно. В связи с этим можно предположить, что общий (усредненный) коэффициент перехода имеет следующую взаимосвязь с парциальными коэффициентами: = + + c, где a, b, c - доли участия электродного стержня, ферросплавов и восстановленного из шлака металла в наплавленном металле; - общий усредненный коэффициент перехода элемента Эi. Кроме того, процесс сварки порошковой проволокой сопровождается испарением компонентов и разбрызгиванием, учтем их через введение коэффициента потерь Кпот. С учетом изложенного определение парциальных коэффициентов перехода заключается в решении системы уравнений с тремя неизвестными: = + + c, где - масса элемента Эi в данном объеме металла, кг; - масса порошковой проволоки, кг; Кзап - коэффициент заполнения; - концентрация компонента Эi в ленте порошковой проволоки, мас. %; %ферk - концентрация ферросплава k в шихте порошковой проволоки, мас. %; - концентрация компонента Эi в ферросплаве k, мас. %; - концентрация минерала j в шихте порошковой проволоки, мас. %; (ЭinOm) - концентрация оксида ЭinOm в минерале j, мас. %; - атомная масса элемента Эi, кг/моль; - молекулярная масса оксида ЭinOm, кг/моль; - масса оксида ЭinOm в шлаке, кг. Таким образом, разработанная методика позволяет оценивать парциальные коэффициенты перехода элементов в зависимости от параметров режима. Это позволит с достаточной точностью рассчитывать состав наплавленного металла, а также проводить корректировку состава шихты порошковой проволоки в зависимости от технологических потребностей.

About the authors

E. B Votinova

Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin

M. P Shalimov

Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin

References

Statistics

Views

Abstract - 49

PDF (Russian) - 19

Refbacks

• There are currently no refbacks.