Shanchao Zuo

2 Școala de știință și inginerie a materialelor, Universitatea de știință și tehnologie Beijing, Beijing 100083, China

simulare

Ziran Wang

3 Departamentul de roboți, Harbin Welding Institute, Harbin 150028, China; moc.621@rzw_gnidlew (Z.W.);

Decheng Wang

Bing Du

Peng Cheng

Yicheng Yang

3 Departamentul de roboți, Harbin Welding Institute, Harbin 150028, China; moc.621@rzw_gnidlew (Z.W.);

Ping Zhang

Ning Lang

Abstract

În această lucrare, a fost propusă o ecuație a matricei pentru modelul de sudare a sursei de căldură pentru a calcula distribuția temperaturii sudurilor de filet pe baza adâncimii de penetrare și a lățimii topite. Un model de sursă de căldură dublu elipsoid de sudură de file a fost stabilit mai întâi prin experiment fizic și calcule de simulare, iar apoi experimentul ortogonal a fost construit pe baza metodelor de calcul anterioare și a datelor măsurate experimental. În cele din urmă, ecuația matricială a parametrilor modelului sursei de căldură a fost obținută prin analiza de regresie bazată pe penetrarea și lățimea articulațiilor. Simularea experimentală și numerică a distribuției de temperatură a fost efectuată pentru sudura fileului și rezultatele arată că (1) fluxul de căldură crește într-o direcție, în timp ce, opus, a scăzut în altă direcție; (2) rezultatele simulării au fost foarte în concordanță cu rezultatele experimentelor. Rezultatele au indicat faptul că modelul sursei de căldură dublu elipsoidală calculat prin ecuația matricei este destul de adecvat pentru prezicerea distribuției tranzitorii a temperaturii pe sudurile filetului pentru procesul de sudare cu arc metalic gazos.

1. Introducere

Odată cu integrarea industriilor tradiționale și a internetului, industria prelucrătoare se transformă treptat de la producția tradițională de linie de asamblare în masă la producția de personalizare în masă, introducând o nouă eră a producției industriale [1]. În timp ce explorează continuu noile metode de fabricație, metodele tradiționale de fabricație sunt, de asemenea, optimizate [2,3]. Sudarea este unul dintre cele mai fiabile, eficiente și practice procedee de îmbinare a metalelor, utilizat pe scară largă la fabricarea podurilor, navelor, pieselor echipamentelor etc. [4,5]. Cu toate acestea, procesul de sudare este un proces fizic și chimic complex care implică fizica arcului, transferul de căldură, metalurgie și mecanică [6,7]. În timpul procesului de sudare, zona de sudare este încălzită rapid pentru a se topi prin aportul de căldură de sudare și apoi răcită la temperatura camerei sub acțiunea de conducere și radiație etc. Schimbările severe de temperatură locală sunt principala cauză a stresului și deformării sudurii [8,9,10].

Temperatura de sudare este unul dintre factorii determinanți importanți ai metalurgiei, cristalizării, tranziției de fază și câmpului de solicitare-tensiune a pieselor structurale [11,12,13], care este principalul factor care afectează calitatea sudării și eficiența producției [14,15]. În concluzie, distribuția rezonabilă a temperaturii este critică pentru calcularea stresului rezidual, a deformării și a solidificării [16,17]. În primul rând, premisa obținerii unui câmp de temperatură precis a fost formularea unui model de sursă de căldură care să fie în concordanță cu situația reală. Un model de sursă de căldură de sudură a fost stabilit prin aplicarea lui Rosenthal a legii lui Fourier (adică, punct, linie și surse de căldură de suprafață), care ar putea calcula în mod rezonabil distribuția tranzitorie a temperaturii la o anumită distanță de sursa de căldură. Cu toate acestea, analiza lui Rosenthal este mai puțin precisă pentru temperatura din sau în apropierea zonelor afectate de fuziune și căldură, deoarece schema a definit că proprietățile fizice ale materialului nu s-au modificat odată cu temperatura. Pentru a depăși majoritatea acestor limitări, au fost propuse alte forme de modele de surse de căldură. Merită menționat faptul că modelul sursei de căldură cu dublu elipsoid a fost propus de Goldak, care ar putea descrie modelul sursei de căldură prin sudare cu arc [18].

Datorită dezvoltării computerelor, sudarea simulărilor numerice a făcut progrese mari [19]. Un model de transfer de căldură 3-D a fost stabilit de Kim și colab., În care au fost analizate temperatura, forma bazinului de sudură și suprafața de întărire a bazinului de sudură în timpul sudării cu filet cu arc metalic. La stabilirea acestui model, nu numai transferul de căldură din arcul de sudură a fost luat în considerare, ci și efectul termic al picăturilor de metal a fost luat în considerare de sursa de căldură volumică [20]. Rezumând calculul câmpului de temperatură al predecesorilor, ecuația analitică a temperaturii tranzitorii a corpului semi-infinit sub sursa de căldură în mișcare tridimensională a fost obținută de Fachinotti și colab. [21]. Winczek a aplicat modelul sursei de căldură bimodală pentru a stabili un model analitic al câmpului de temperatură, care ar putea analiza bine temperatura GMAW multi-trecere în modelul corpului infinit [22].

Unii cercetători au propus câteva metode pentru determinarea parametrilor modelelor surselor de căldură pe baza geometriei bazinului topit. O metodă denumită „model de sursă de căldură punctual distribuită discret” a fost dezvoltată de Azar pentru a studia relația dintre datele măsurate experimental și modelul sursă, modelul a împărțit modelul sursei de căldură elipsoidă în direcțiile orizontale și verticale ale sursei de căldură elipsoidală și parametrii au fost determinați pe baza geometriei bazinului topit [23]. În plus, conform geometriei bazinului oval de sudare cu arc scufundat, modelul sursei de căldură ovală a fost propus de Aniruddha Ghosh, A. și colab. [24]. Ulterior, au prezentat un model analitic pentru distribuția tranzitorie a temperaturii plăcii sudate cu arc metalic gazos pentru electrodul înclinat. În acea hârtie, au fost luate în considerare sursa de căldură volumetrică, transferul de căldură din electrod și pierderile de căldură convective de pe suprafața plăcii sudate [25].

Numărul total de suduri într-o mașină-unealtă fabricată prin sudare este de 1027, dintre care numărul total de suduri cu file este de 905, ajungând la 89%. Cu excepția sudurilor cu nervuri, care sunt suduri de contact, restul sunt suduri de lucru. Calitatea sudării sudurilor cu file este unul dintre factorii decisivi pentru calitatea de fabricație a mașinilor-unelte de sudură. Datorită complexității structurii mașinii unelte și a sarcinii de service, fabricarea mașinilor unelte structurale sudate necesită mai multe simulări numerice și optimizarea procesului de sudare. Cu toate acestea, simulările numerice anterioare și eforturile experimentale de sudare prin cap la cap cu o piesă dreptunghiulară sau structuri sudate asimetrice ignorate [26,27]. În sudarea cu file, complexitatea procesului de sudare a fost adesea mărită de geometria complicată a îmbinării care conține o morfologie asimetrică a bazinului sudat. În timpul procesului de sudare a sudurilor cu file, aportul de căldură, transferul de căldură, pierderea (inclusiv conducerea, radiația etc.) au fost distribuite asimetric [20]. Toți acești factori trebuie luați în serios pentru a calcula cu precizie câmpul de temperatură tranzitorie, câmpul de solicitare și deformarea.

În această lucrare, a fost propusă o ecuație matricială, care este o ecuație pentru a calcula modelul sursei de căldură pe baza adâncimii de penetrare și a lățimii topite. Analiza de regresie a fost utilizată pentru a studia sensibilitatea parametrilor modelului sursei de căldură. A fost construit experimentul ortogonal, care a fost o combinație de metode de calcul anterioare și date măsurate experimental. Apoi, ecuațiile parametrilor modelului sursei de căldură au fost construite prin combinarea adâncimii de pătrundere și a lățimii îmbinării filetului pentru a obține un model mai practic de sursă de căldură cu dublu elipsoid. De asemenea, au fost efectuate studii experimentale și microstructurale ale îmbinărilor filetului.

2. Experiment de sudare

2.1. Materiale și parametri de sudare

Materialul de bază a fost tablă de oțel Q235 cu o grosime de 20 mm și sârmă de umplere adoptată a fost ER50-6 cu un diametru de 1,2 mm. Compoziția piesei de prelucrat și a materialului de umplutură a fost dată în Tabelul 1. Metoda de sudare a fost sudarea metalică cu arc activ cu gaz (MAG). Pentru a menține stabilitatea procesului de sudare, operația de sudare a fost realizată în totalitate de sudorul automat (kr16, KUKA, Augsburg, Bavaria, Germania), iar sursa de energie pentru sudare a fost Fronius TPS5000 (Fronius, Austria). În funcție de grosimea plăcii de oțel sudate și de dimensiunea sudurii umplute setate la 5 mm, parametrii de sudare arătați în tabelul 2 au fost setați. Figura 1 prezintă configurarea sudării.