Чисельне моделювання та експериментальні дослідження температурного розподілу фігурних зварних швів
Шаньчао Цзуо
2 Школа матеріалознавства та техніки, Університет науки і техніки, Пекін, Пекін 100083, Китай
Зіран Ван
3 відділ роботів, Харбінський зварювальний інститут, Харбін 150028, Китай; moc.621@rzw_gnidlew (Z.W.);
Дечен Ван
Бінг Ду
Пен Ченг
Ічен Ян
3 відділ роботів, Харбінський зварювальний інститут, Харбін 150028, Китай; moc.621@rzw_gnidlew (Z.W.);
Пінг Чжан
Нін Ланг
Анотація
У цій роботі було запропоновано матричне рівняння для моделі зварювального джерела тепла для розрахунку розподілу температури зварних швів на основі глибини проникнення та ширини розплаву. Модель подвійного еліпсоїдного джерела тепла для зварного шва була встановлена спочатку шляхом фізичного експерименту та розрахункового моделювання, а потім ортогональний експеримент був побудований на основі попередніх методів розрахунку та експериментально виміряних даних. Нарешті, матричне рівняння параметрів моделі джерела тепла було отримано за допомогою регресійного аналізу на основі проникнення та ширини з'єднання. Проведено експериментальне та чисельне моделювання розподілу температури для зварного шва, і результати показують, що (1) тепловий потік збільшується в одному напрямку, тоді як, навпаки, він зменшується в іншому напрямку; (2) результати моделювання повністю відповідали результатам експериментів. Результати показали, що модель подвійного еліпсоїдального джерела тепла, розрахована за матричним рівнянням, цілком підходить для прогнозування перехідного розподілу температури на зварних швах для газового дугового зварювального процесу.
1. Вступ
Внаслідок інтеграції традиційних галузей промисловості та Інтернету обробна промисловість поступово трансформується із традиційного виробництва масових конвеєрних ліній у масове виробництво на замовлення, відкриваючи нову еру промислового виробництва [1]. Постійно досліджуючи нові методи виробництва, традиційні методи виробництва також оптимізуються [2,3]. Зварювання - один із найнадійніших, ефективних та практичних процесів з’єднання металів, широко застосовуваний у виробництві мостів, кораблів, деталей обладнання тощо [4,5]. Однак зварювальний процес - це складний фізико-хімічний процес, що включає фізику дуги, теплообмін, металургію та механіку [6,7]. В процесі зварювання зона зварювання швидко нагрівається до плавлення за рахунок поданого зварювального тепла, а потім охолоджується до кімнатної температури під дією провідності та випромінювання тощо. Сильні місцеві перепади температури є основною причиною зварювальних напружень та деформацій [8, 9,10].
Температура зварювання є одним з важливих факторів, що визначають металургію, кристалізацію, фазовий перехід та поле напруженості деформаційних деталей конструкцій [11,12,13], що є основним фактором, що впливає на якість зварювання та ефективність виробництва [14,15]. На закінчення, розумний розподіл температури є критичним для розрахунку залишкових напружень, деформацій та затвердіння [16,17]. Перш за все, передумовою отримання точного температурного поля було сформулювати модель джерела тепла, яка відповідала б фактичній ситуації. Модель зварювального джерела тепла була створена за допомогою Розенталя із застосуванням закону Фур'є (тобто точкових, прямих та поверхневих джерел тепла), який міг розумно розрахувати перехідний розподіл температури на певній відстані від джерела тепла. Однак аналіз Розенталя менш точний для температури в зонах термоядерного впливу або поблизу зон термоядерного впливу, оскільки схема визначала, що фізичні властивості матеріалу не змінювались із температурою. Для подолання більшості цих обмежень були запропоновані інші форми моделей джерел тепла. Варто згадати, що модель подвійного еліпсоїдного джерела тепла була запропонована Голдаком, яка цілком могла б описати модель джерела тепла для дугового зварювання [18].