К вопросу математического моделирования процессов лазерной сварки

Научная библиотека Комментарии к записи К вопросу математического моделирования процессов лазерной сварки отключены

Сухоруков Сергей Иванович // сборник Наука и современное общество: актуальные вопросы, достижения и инновации. Сборник статей V Международной научно-практической конференции. 2020. С. 102-105.

Аннотация: В рамках данной работы отражены основные этапы разработки математической модели процесса лазерной сварки тонколистовых металлов. Описаны основные допущения, принятые при разработке модели. Приведены основные математические соотношения, описывающие процесс нагрева и расплавления в зоне сварки.

В современной промышленности одним из основных трендов развития является повышение качества и производительности при изготовлении всех видов продукции. При этом первая задача решается преимущественно путем разработки и внедрения новых технологий обработки материалов, а вторая – путем автоматизации всех процессов производства. В качестве примера таких задач, где требуется высокое качество обработки и производительность, может быть приведено изготовление тонко- стенных металлических конструкций, наиболее часто встречающихся в области авиастроения. При этом наиболее сложным является процесс изготовления трубопроводных систем авиационной техники, так как к ним предъявляются повышенные требования к качеству самого шва и к геометрии конечной детали.

Сегодня для производства таких деталей используется электродуговая сварка неплавящимся вольфрамовым электродом (TIG-сварка) в среде защитного газа. В качестве защитного газа используется аргон. Такой подход связан в первую очередь со спецификой используемых материалов – трубо- проводные авиационные системы изготавливаются преимущественно из нержавеющих сталей, алюминиевых и титановых сплавов. С учетом малой толщины (в пределах 0,5…1 мм), применение других видов электродуговой сварки практически невозможно. При этом доля бракованных изделий в отдельных случаях достигает 20..30 %.

В качестве одного из альтернативных подходов было предложено использование лазерной сварки при изготовлении таких тонкостенных трубопроводных систем [1]. Использование лазерного излучения для сварки позволяет обеспечивать как высокое качество самого сварного соединения, таки и высокую геометрическую точность итогового изделия. Это связано с малой зоной термического влияния в процессе сварки. Одновременно с применением лазерной сварки происходит автоматизация процесса изготовления, так как для позиционирования выходной оптики лазера относительно заготовки и перемещения ее вдоль шва необходимо применение автоматизированных механических систем. Это связано в первую очередь с геометрическими параметрами лазерного луча – луч имеет конусовидную форму и малый диаметр пятна в области фокуса (рис.1).

Серьезным отличием лазерной сварки от электродуговой является то, что процессы в лазерной сварке очень быстродействующие и требуют высокой точности и стабильности поддержания параметров (как в генерации излучения, так и в скоростях/траекториях перемещения). Поэтому, в отличие от электродуговой сварки, лазерная сварка осуществляется преимущественно в автоматическом режиме. Таким образом, у оператора отсутствует возможность коррекции каких-либо параметров процесса во время выполнения программы сварки. Поэтому для возможности оценки реальных параметров лазер- ной сварки и коррекции параметров при необходимости, требуется разработка математической модели процесса расплавления металла в зоне сварки под действием лазерного излучения.

В рамках данной работы будут рассмотрены основные нюансы разработки такой математической модели.

Для начала опишем основные гипотезы и допущения, принимаемые при разработке модели.

1) Считаем, что происходит сварка двух листовых фрагментов металла одной марки так, как это показано на рис.2. Также, для повышения качества и прочностных характеристик шва в зону сварки подается присадочный материал. Толщина свариваемых листов обозначим как h (м), радиус присадочной проволоки – rp (м), скорость подачи присадочной проволоки относительно лазерного луча – Vp (м/с).

2) Считаем, что грани свариваемых деталей отрезаны геометрически правильно, поэтому зазорами между листами пренебрегаем.

3) Считаем, что точка фокуса лазера попадает в толщу металла, поэтому для упрощения мо- дели пренебрегаем конусностью луча внутри свариваемых листов (рис.3). Таки образом, при моделировании будем считать, что лазерный луч в первую очередь осуществляет нагрев цилиндрического фрагмента радиуса на стыке двух листов, причем радиус фрагмента равен радиусу пятна rl (м) на поверхности листа.

4) В связи с высокой скоростью процесса, теплообменом с окружающей средой на начальном этапе пренебрегаем.

Полное содержание статьи: https://naukaip.ru/wp-content/uploads/2020/12/MK-966.pdf

Рекомендуем для Вас


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2019
Напишите нам:
laser.w@yandex.ru

Back to Top