ПОДБОР ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА КОНТАКТНОЙ ТОЧЕЧНОЙ СВАРКИ ПУТЕМ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ

В настоящее время в различных отраслях промышленности широкое распространение получают газотурбинные установки и газотурбинные двигатели (ГТД). Наиболее ответственным конструктивным элементом которого является камера сгорания с жаровой трубой.

В жаровой трубе происходит высокотемпературное горение топлива и создается высокое давление газов. Она состоит из секций, выполненных из листового жаропрочного сплава ХН78Т. Секции соединяются между собой точечной контактной сваркой. Данный способ соединения обеспечивает высокую производительность, стабильное качество сварных соединений, малую себестоимость, легко механизируется и автоматизируется. От качества изготовления жаровой трубы зависит КПД турбины.

На рисунке 1 представлена 3D – модель жаровой трубы, которая состоит из одной сборочной единицы – «Фронт» и двух деталей – «Кольцо наружное», «Смеситель наружный».

В процессе эксплуатации жаровой трубы происходит разрушение соединения от обечайки по околошовной зоне (позиция 5).

Технико-экономический уровень и надежность сварной конструкции во многом определяется работоспособностью сварного соединения, его коррозионную стойкость, сопротивляемость статическим и знакопеременным нагрузкам. Для снижения отрицательного влияния термодеформационного цикла сварки разработано большое количество способов, направленных на повышение работоспособности сварных конструкций.

Применительно к тонкостенным конструкциям способы повышения работоспособности разделены на шесть основных направлений:

1. Металлургические, основанные на легировании, рафинировании металла , а также создании новых сплавов.

2.     Конструкторские, обеспечивающие требуемую несущую способность путем рационального конструирования сварных соединений.

3.     Технологические, основанные на применении режимов сварки, посредством регулирования тепловложения, измельчения структуры металла литого ядра и периферийной.

4. Термические, использующие термообработку.

Жаропрочный сплав на основе никеля ХН78Т рассчитан на длительную работу при температуре до 1100°С. Никелевые сплавы обладают сравни- тельно низкой электропроводностью (значительно ниже, чем у малоуглеро- дистых сталей). Поэтому их точечная сварка осуществляется при умеренной силе тока. Сплав ХН78Т окалиностойкий при температуре 950 - 1050°С. По- сле высокотемпературной обработки приобретает практически однородную структуру твердого раствора на основе никеля, что способствует легкой де- формируемости. Сплав относительно трудносвариваемый.

Целью исследований, изложенных в данной статье, является изучение особенностей свариваемых материалов, повышения работоспособности сварных соединений при многоцикловом нагреве и высоких температурах, а также подбор оптимального режима сварки.

Задачей исследования – построить расчетную схему для моделирования электрических и тепловых полей, выполнить моделирование электрических и тепловых полей в зоне контактной сварки.

Математическое моделирование превратилось в мощный инструментарий исследований, позволяет оптимизировать условия протекания процесса образования сварного соединения, предотвратить появление недопустимых дефектов сварных швов, соединений, конструкций и одновременно повысить производительность сварочных операций.

Для моделирования электрических и тепловых полей была использована программа Elcut 6.3.

ELCUT — это компьютерная программа для проведения инженерного анализа и двумерного моделирования методом конечных элементов (МКЭ). Компьютерное моделирование и численный анализ в промышленности позволяет избежать дорогостоящих и длительных натурных испытаний, ускоряет, дополняет и иллюстрирует процесс проектирования и разработки, способствует развитию инженерной интуиции.

В начале, для моделирования была построена расчетная схема (рис.2).

Задания решались с тем условием, что задача оссесиметричная. Поэтому на схеме отобразили только часть узла.

Для моделирования электрической задачи в программу были занесены следующие исходные параметры: φАВ = 0.65 В, φHG = 0 В, JЭл = 59 500 000 См/м, JДет = 893 000 См/м.

В ходе решения электрической задачи были получены поля распределения потенциалов, распределение полей плотности тока, распределение поля тепловыделения (рис.3-5).

Из рис. 3 видно, что векторы плотности тока направлены от электрода, обладающего напряжением 0,65 В, к электроду с напряжением 0 В.

Из рис.4 можно сделать вывод, что чем ближе к месту соединения деталей, тем большее значение плотности тока. Распределение поля тепловыделения показывает, что максимальная температура в зоне нахлеста деталей.

Также были получены графики неравномерности распределения плотности тока на стыке соединения деталей и неравномерности распределения плотности тока по осесимметричной линии, график неравномерности тепловыделения на стыке соединения деталей и неравномерности тепловыделения по осесимметричной линии (рис. 6-9).

По графику неравномерности распределения плотности тока на стыке соединения деталей делаем вывод, что на границах значение плотности тока больше. По графику неравномерности распределения плотности тока по осесимметричной линии понятно,что максимальное значение плотности тока принимается вместе соединения деталей. Чем дальше от места соединения, тем значение плотности тока меньше.

Из графиков, представленных на рис. 8 и 9, становится понятно, что максимальная температура достигается в зоне нахлеста деталей.

Следующим шагом исследования было решение тепловой задачи. Стадия нагрева длиться приблизительно 0,1 с. На рис. 10-11 представлены стадии нагрева в начальный и конечный момент времени.

Температура плавления и нагрева сплава ХН78Т в пределах 1300-1500 ˚С. В момент времени 0,18 с, температура достигает 1490 ˚С, т.е. перегрев.

Следующий этап – стадия охлаждения. На рис. 12 представлен результат охлаждения в начальный момент времени, а на рис. 13 – конечный результат.

Из рисунков видно, что теплоотвод осуществляется от зоны соединения в контакте деталь-деталь в массу основного материала деталей и большей частью в водоохлаждаемые бронзовые электроды.

В результате решения был построен график изменения температуры в зависимости от времени (рис.14), и по данному графику была определена максимальная скорость охлаждения.

Данные исследования позволили найти пути решения корректировки технологических параметров режима точечной контактной сварки в сторону применения униполярного импульса сварочного тока. Для снижения времени пребывания сварного соединения в интервале высоких температур необходимо стремиться к снижению длительности его протекания.

Список литературы

1.   Ерофеев В.А., Логвинов Р.В. Компьютерная имитация контактной точечной сварки листов с покрытиями // Известия ТулГУ. Технические науки, 2008. Вып. 3. С. 63-70.

2.   Полищук В. А. Математическое моделирование процессов сварки // Научно-методический электронный журнал «Концепт». – 2014. – Т. 20. – С. 356–360.

3.   C.T. Lane, C.D. Sorensen, G.B. Hunter, S.A. Gedeon, T.W. Edgar – Cinematography of resistance spot welding of galvanized steel sheet // Welding Journal - 2008, - №63- С.123-132.

4.   S.A. Gedeon, T.W. Edgar – Resistance spot welding of galvanized steel: part II. Mechanisms of spot weld nugget formation.// Welding Journal - 2011, - №77- С.233-250.