Моделирование сварочных процессов «источник питания – дуга» в среде защитного газа

 

Рис. 3. Геометрические параметры дугового промежутка

Из капли в электрод возникает тепловой поток мощностью

Этот тепловой поток  вызывает плавление электрода, что  вызывает нарастание текущего объёма капли V_K со скоростью

,

где H_L – удельная теплота плавления.

Текущий диаметр капли  определяется её объёмом

Длина дуги скачкообразно увеличивается при  отрыве капли от электрода. Рассматривается три варианта отрыва капли от электрода: при коротком замыкании, под дествием электромагнитной силы и по действием реактивной отдачи пара.

В момент соприкосновения  поверхностей ванны и капли начинается процесс формирования общей поверхности  под действием сил поверхностного натяжения, инерции и гравитации. Изменение расположения центра масс капли Z_K, вызванное изменением её формы, рис.4, определяется уравнением

 

где - масса капли, - сила поверхностного натяжения, - электромагнитная сила, зависящая от радиуса контакта капли с ванной

 

Рис.4. Изменение размеров и расположения центра тяжести капли на разных стадиях  короткого замыкания

 

Процесс поглощения капли  ванной имеет три характерных  значения расположения центра тяжести:

- момент изменения направления  действия электромагнитной силы,

- начало формирования шейки  между каплей и электродом, - полное отделение капли от электрода и возбуждение дуги

Длительность короткого замыкания  определяется решением уравнения, описывающего изменение координаты Z_K(t) положения центра тяжести, пока центр тяжести не переместится на расстояние

Отрыв капли  без короткого замыкания дугового промежутка происходит, когда сила поверхностного натяжения F_s, удерживающая каплю на электроде будет меньше электромагнитной силы F_I и силы тяжести F_G

,

где g – ускорение свободного падения, a - угол наклона электрода относительно вектора силы тяжести.

Решение этого неравенства позволяет  определить значение диаметра капли, при  котором она будет оторвана от электрода.

Отрыв капли  силой реактивной отдачи пара возможен, если температура поверхности капли  достигнет температуры кипения  металла. Температура капли на поверхности  определяется по её среднему значению

Для воспроизведения процесса возбуждения  дуги описанная система уравнений  модели использованы следующие начальные  условия

Образец оформления отчёта

Численное решение. Численное решение системы уравнений модели выполнено с шагом времени dt=0.1 мс и реализовано компьютерной программой TransientSim. Исходные данные этой программы и результаты расчёта средних значений показателей процесса приведены в табл.1.

 

Табл.1. Исходные данные и результаты имитации процесса переноса электродного металла при дуговой сварке в  углекислом газе проволокой из малоуглеродистой стали

Исходные данные:
Диаметр проволоки, мм	1,2
Длина вылета электрода, мм	12
Скорость подачи, мм/сек	100
Скорость сварки, мм/сек	5
Напряжение холостого хода, В	26
Индуктивность источника, мГн	1
Сопротивление источника, Ом	0,04
Результаты расчета:
Потребляемая мощность, Вт	4925
Мощность процесса, Вт	3339
Мощность дуги на электроде, Вт	1326
Мощность тепловыделения в вылете электрода, Вт	136
Ток дуги, А	189
Напряжение дуги, В	17,7
Максимальная длина дуги, мм	2,54
Средняя длина дуги, мм	0,963
Минимальная длина дуги, мм	0
Температура подогрева вылета электрода  током, 0C	239
Сопротивление вылета, мОм	4,13
Температура капель, 0C	2392
Диаметр капель, мм	1,4
Длительность короткого замыкания, мс	1,29
Период следования коротких замыканий, мс	16

 

Программа TransientSim воспроизводит результаты расчётов в виде диаграмм изменения параметров процесса во времени после первоначального короткого замыкания электрода на деталь. Результаты решения, полученные при разных значениях параметров процесса сварки в CO₂, представлены на рис.5…7.

Моделирование процесса сварки тонкой проволокой от источника с очень жесткой  характеристикой и малой индуктивностью, рис.5, показало, что при этих параметрах процесс очень неустойчив, что  выражается в возникновении периодических  обрывов дуги. При решении система  уравнений модели воспроизводятся  характерные всплески напряжения дуги в момент её обрыва, что связано  с возникновением ЭДС самоиндукции при разрыве сварочной цепи в  момент обрыва дуги.

Увеличение  диаметра проволоки и сопротивления  сварочной цепи позволяет получить устойчивый режим горения дуги. При  низком напряжении холостого хода источника  питания процесс протекает с  периодическими короткими замыканиями, рис.6.

Увеличение  напряжения холостого хода вызывает удлинение дуги и переход к  капельному переносу без коротких замыканий, рис.7.

 

Рис.5. Результат имитации процесса возбуждения дуги при диаметре электродной проволоки 0,8 мм, длине вылета 10 мм, скорости подачи 60 мм/с при питании дуги от источника с напряжением холостого хода 30 В, сопротивлении 0,02 Ом и индуктивности сварочной цепи 1 мГн, скорость сварки 10 мм/с

 

 

 

 

 

Рис.6. Результат имитации процесса возбуждения дуги при диаметре электродной проволоки 1,2 мм, длине вылета 12 мм, скорости подачи 100 мм/с при питании дуги от источника с напряжением холостого хода 26 В, сопротивлении 0,04 Ом и индуктивности сварочной цепи 1 мГн, скорость сварки 10 мм/с.

 

Рис.7. Результат имитации процесса возбуждения дуги при диаметре электродной  проволоки 1.2 мм, длине вылета 12 мм, скорости подачи 100 мм/с при питании дуги от источника с напряжением холостого хода 32 В, сопротивлении 0.04 Ом и индуктивности сварочной цепи 1 мГн, скорость сварки 10 мм/с.

 

Рабочее задание: построить область допустимых значений сопротивления сварочной цепи в зависимости от скорости подачи электродной проволоки для различных диаметров электрода, на которой выделить область устойчивости процесса и область переноса с периодическими коротками замыканиями.

Указания по выполнению задания:

1. Используя программу TransientSim, выбрать параметры процесса, при которых реализуется нормальный капельный перенос электродного металла без коротких замыканий и обрывов дуги.
2. Уменьшая сопротивление сварочной цепи, определить минимальное допустимое значение этого сопротивления, при котором возникают обрывы дуги
3. Увеличивая сопротивление сварочной цепи, определить максимальное допустимое значение этого сопротивления, при котором возникают периодические короткие замыкания дуги.
4. Изменяя скорость подачи электрода, построить зависимости максимального и минимального значений сопротивления сварочной цепи от скорости подачи.

 

Содержание отчёта

1. Краткое описание физических явлений, протекающих при возбуждении процесса дуговой сварке.
2. Таблица параметров и результаты расчёта параметров процесса при нормальном капельном переносе без коротких замыканий.
3. Графики измениения тока, напряжения и длины дуги при неустойчивом процессе, устойчивом капельном переносе без и с короткими замыканиями дуги.
4. График зависимости минимального и максимального допустимых значений сопротивления сварочной цепи от скорости подачи электродной проволоки

 

 

Приложение А

unit Preprocessor;

 

interface

 

uses

  Windows, Messages, SysUtils, Classes, Graphics, Controls, Forms, Dialogs,

  ExtCtrls, StdCtrls, pmSpin, Math,IniFiles, Menus;

const

//Ko_tkz=1000;// коэффициент, регулирующий длительность короткого замыкания

 

//STT=4;//Признак включения STT   1-без импульса КЗ,  2 - с импульсом КЗ     3-ток капли без импульса кз

//Time_Imp=0.02;//sek, длительность импульса, формирующего каплю

//Time_Zad=0.0015;//сек, время задержки подачи импульса при коротком замыкании

//Tok_0=40;// А, ток дежурной дуги

//Tok_Kap=270; //Ток плавления капли

 

//Tok_kz=350;//Импульс тока короткого замыкания

 

 

dt = 0.00005;//шаг по времени, сек

U0 = 14;//В, падение напряжения в приэлектродных областях дуги

Uel_max = 8;//В, эффективное напряжение

Uel_min=6;

Temkip = 2800;//град., температура кипеня металла электрода

Tpl = 1450;//град., температура плавления металла электрода

Q = 50;//В/cм, напряженность эл. поля в столбе дуги

g = 981;//cм/сек^2, уск. св. падения

plot = 7.85;//плотность материала, г/cм^3

sigma = 0.01;///100;//кф пов. натяж, Н/cм

//ntr = 0.50000;//кф внутр. трения распл. стали????????????????????????????????????????????

nd = 0.8;//кпд дуги

lamb = 0.34;//кф теплопроводности, Вт/(cм*К)

k0 = 2.0E-09;//Н/А^2/см  электродинамический коэф. давления тoка

Cg = 4.5;//(10)Удельная объемная теплоемкость металла электрода, Дж/см^3*K

C1g = 2000;//(1610)Удельная теплота плавления металла электрода, Дж/см^3

C2g = 4.5;//(6.1)Удельная объемная теплоемкость металла электрода в расплавленном состоянии, Дж/см^3*K

alfa1 = 0.0035;//1/град

alfa2 = 0.0015;//1/град

ro0 = 20E-6;//Ом*см

T0 = 20;

e = 2.71828;

//TokKZ=900;

 

im = 100;

jm = 100;

 

 

type

 

TMas = array[0..im,0..jm] of single;

 

var

 

{  PrepF: TPrepF;

  TokMid, NapMid, TemKapMid,TemVyl,TkzMid,N_kz,

  Per_kap, Per_kz,LdMid, LdMin, LdMax,  PowSw, PowDuEl, PowVyl, PowObh,

  Vkap,Dkap,D_otr, TemKap,t_kz,

  de,L,Rist,R,Vp,Vcv,lv,time,t,

  Tok,Vpl,Ld,Ls,Ldn,Lvan,

  B,Ps,w,ff,Uxx,Ud,qn,Fe,dx: single;

  Rvyl: single;}

Tim_Imp_kz:single=0;//Длительность  импульса короткого замыкания

  stad_proc:byte=0;

  KZ_pri:byte=0; //Признак приварки  электрода

  PrepF: TPrepF;

  Dol_El,Dol_Kz,Dol_Vap:single;

  TokMid, NapMid, TemKapMid,TemVyl,TkzMid,N_kz,Per_obr,Per_Vap, DkapMid,Pow_vap_mid,Per_G,

  Per_kap, Per_kz,LdMid, LdMin, LdMax, Pow_vap,  PowSw, PowDuEl, PowVyl, PowObh,

  R_kap,Vkap,Dkap,D_otr, TemKap,t_kz,

  de,L,Rist,TokKZ,R,Vp,Vcv,lv,time,t,

  Uel_ef,Tok,Vpl,Ld,Ls,Ldn,Lvan,

  B,Ps,w,ff,Uxx,Ud,qn,Fe,dx: single;

  H,MasW,Rvyl, Time_Imp,

  Time_Zad, Tok_0, Tok_Kap: single;

  Tok_KZ:single=350;

 

 

  {  Tez,} Te, ro: array [0..100] of single;

  Res: array [0..10,0..10] of single;//Результаты

  i,j,k, STT: integer;

 

  KzamDug,PizDug,Calc: boolean;

 

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////

   kt: integer;

   x0,y0,il,jl,ilik: byte;

   Pluh,Rluh,Pmaxdt, Vw,TempPre,Bdt,KoefTepl,Tf1,TemMax,

   Lam,Cro,Tisp, Tli, Tso,dy,dz,Lamdt,Vdt: single;

   Mas, Temp, TemNew: TMas;

   IImax, IImin, JJmin, JJmax: integer;

   Pool_Width, Pool_Length: single;

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////

   IniFile:TIniFile;

   St, Strok: string;

   Pss: integer;

procedure MainCalc;

var

Tok_kl,t_imp,R_kap_pr:single;//локальное время импульса тока

time_fin_kz,

Kap,//признак отрыва капли

kvyl,iii:byte;

N_kap,iter:integer;

Z1,Z2,Z3,

LdL, Uel,

Pot_El,TemMax,TemKipKap,DkPpre:single;

Qkap,vPla,PowKa,xKZ,TKZ,MasKap,  FsigKap, FtokKap, Zkap, SkorKap, UskKap:single;

begin

PapamCicl;

For iii:=0 to 0 do

begin//цикл папметрического  исследования

//Uxx:=18+iii;

//Lv:=0.5+0.2*iii;

//Rist:=0.01+0.01*iii;

//vp:=5+iii;

Tok:=0;//(Vp*Fe*(C1g+C2g*Tpl)/Uel_min);

Ud:=Uxx-Tok*Rist;

Uel:=Uel_min+(Uel_max-Uel_min)*Tok/500;

Tok_kl:=Tok;

////////////////

if Ud<2*Uel then  KZ_pri:=8 else KZ_pri:=0;

Stad_proc:=0;

t:=0;

t_imp:=0;

Kap:=0;

Qkap:=0;

D_otr:=de;//Диаметр отрыва

Dkap:=de/16;

Vkap:=de*de*de/16;//Текущий диаметр капли

Vpl:=Vp;

R:=Rist;

Ldn:=0; Ls:=0; LdL:=0; Ld:=0;

Tok:=0;

dx:=de;

kvyl:=round(lv/dx);

TemKipKap:=TemKip+C1g/Cg;//Экв Температура  кипения капли

iter:=round(time/dt);

TemMax:=Tpl;

Per_G:=0; Per_Vap:=0; Per_kap:=0; Per_kz:=0; Per_obr:=0; LdMid:=0; LdMin:=Lv; LdMax:=0;

PowSw:=0; PowDuEl:=0; PowVyl:=0; PowObh:=0; TokMid:=0; NapMid:=0; DkapMid:=0;

TemKapMid:=0; TemVyl:=0; TkzMid:=0; N_kz:=0; N_kap:=0; Pow_vap:=0; Pow_vap_mid:=0;

for k:=1 to 100 do Te[k]:=20;

 PizDug:=True; //Не обрыв дуги - Горение или Короткое замыкание

KzamDug:=False; //Не короткое  замыкание

DkPpre:=0;

 TemKap:=Tpl;

for i:=0 to iter do //Главный цикл имитации

  begin

   t:=t+dt;

   DkPpre:=Dkap;  //Предыдущий размер капли

//Мощность тепловлохения  дуги с теплоотводом в электрод  и при кз

   Uel:=Uel_min+(Uel_max-Uel_min)*Tok/500;

   if (Ld>0) or (Kap=1) then PowKa:=Tok*Uel-(TemKap-Te[1])*2/(Dkap+dx)*Lamb*fe-Pow_vap

           else PowKa:={5*}Tok*Tok*R_kap{(ro[1]*dx/fe)}-(Te[1]-Te[2])/dx*Lamb*fe;

  TemKap:=(dKap*TemKip+de*Tpl)/(dKap+de);//Температура, определяющая скорость плавления электрода

   VPla:=PowKa/(C1g+C2g*(TemKap-Te[1]))/fe;

//Объём капли

   Vkap:=Vkap+vPla*fe*dt;

   if i=iter then

       Pot_El:=(TemKap-Te[1])*2/(dx+Dkap)*Lamb*fe;

   if Vkap<fe*de/8 then

      begin

      Vkap:=fe*de/8;

      vpla:=0;

      end;

//Размер капли по оси электрода

  if (Vkap>de/8*Fe) then Dkap:=de/8+(exp(ln (Vkap-de/8*Fe )/3))

                  else  Dkap:=(Vkap/FE);

   //Изменение длины  дуги во времени

   Ldn:=Ldn-(Vp-vpla)*dt+DkPpre-Dkap;

   Kap:=0;

   //Энтальпия капли

   Qkap:=Qkap+PowKa*dt;

   TemKap:=(Qkap-c1g*Vkap)/(Vkap*c2g);

   if TemKap<Tpl then TemKap:=Tpl;

   TemMax:=2*TemKap-Tpl;

   if TemMax>Temkip then

        begin

        Pow_vap:=(PowKa)*(TemMax-TemkipKap)/TemkipKap;//*Cg*Vkap/dt;