НИРС Андреев / MNI[1]

функций разложения вводится в ЭВМ самостоятельно и должна быть представлена графически.

В цифровых ЭВМ все параметры моделируемого процесса представляют в виде чисел, а процесс моделирования сводят к преобразованию этих чисел по заданному алгоритму.

Модели сварочной дуги. При анализе литературных источников было установлено, что в настоящее время разработаны следующие модели столба дуги:

- каналовая модель столба дуги (рис. 6.3), т.е. допускается равномерное распределение тока по сечению с радиусом rэф, и выводится уравнение, которое дает представление о физических параметрах, определяющих напряженность поля в столбе;

Рис. 6.3. Каналовая форма столба сварочной дуги

-двухтемпературная модель столба сварочной дуги; предложен метод расчета столба сварочной дуги с учетом термической и ионизационной неравновесности плазмы (результаты расчета столба аргоновой дуги атмосферного давления при токе 25А находятся в согласии с экспериментальными данными);

-цилиндрическая модель столба дуги (рис. 6.4); проведенные расчеты позволили получить радиальное распределение температуры и плотности тока в столбе дуги, вычислить напряженность электрического поля и коэффициент сосредоточенности в зависимости от тока дуги; результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными; изменяя теплофизические свойства среды, можно управлять энергетическими параметрами дуги при сварке;

81

Рис. 6.4. Цилиндрическая форма столба сварочной дуги

-математическая модель динамической электрической дуги; вместо реальной инерционной дуги, характеризующейся квазиэкспоненциальным изменением сопротивления R при ступенчатом токе, рассматривается гипотетическая безынерционная дуга. В итоге отмечено, что предложенная модель физически не строгая; это формально построенная структура, но ее поведение хорошо согласуется с динамикой реального объекта; с помощью данной математической модели можно исследовать не только условия горения дуги переменного тока при его замедленном прохождении через нуль, но и условия повторного возбуждения при обрывах;

-термическая модель, с помощью которой в зависимости от изменений характеристик источника тока можно судить о состоянии столба сварочной дуги; для получения объективных критериев стабильности горения сварочной дуги необходимо термическое исследование столба дуги; в качестве методов исследования пригодны: гашение, повторное зажигание, измерение остаточных токов и рассмотрение этих и других явлений с помощью термической модели дуги; ход вольтамперной характеристики межэлектродного промежутка определяется термической инерционностью дуги.

-коническая (рис. 6.5) модель столба дуги; по мнению авторов, главным недостатком цилиндрической модели является то, что она предполагает неподвижность плазмы в дуге, поэтому для приближения к условиям реальной сварочной дуги, имеющей в большинстве случаев колоколообразную форму и характеризующейся наличием плазменных потоков, более подходит модель дуги в виде усеченного конуса.

82

Рис. 6.5. Коническая форма столба сварочной дуги

Модели сварочной ванны. Исследователи, занимающиеся данной проблемой, предлагают различные модели сварочных ванн. До сих пор исследователи не пришли к единой модели движения жидкого металла в сварочной ванне. Рассмотрим наиболее интересные из них.

В работах Псараса Г.Г. делается вывод, что слои металла, поступающие в хвостовую часть сварочной ванны в процессе сварки вдоль ее дна, ограниченного изотермической поверхностью, совершает незатухающие гармонические колебания (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Схема распределение сил в сварочной ванне

Образование «морщинистости» (рис. 6.7) на поверхности шва при сварке алюминия плавящимся электродом происходит в результате нарушения равновесия в сварочной ванне. Нарушение равновесия в

83

сварочной ванне объясняется столкновением двух объемов расплавленного металла – направленного из-под дуги в хвостовую часть сварочной ванны и направленного в противоположную сторону возвратного движения сварочной ванны.

Рис. 6.7. Схема образования всплесков в сварочной ванне и морщинистости на поверхности сварного шва

Схема движения расплава в сварочной ванне по типу «затопленной струи» представлена на рис.6.8.

Рис. 6.8. Принципиальная схема движения расплава в сварочной ванне

Это объясняется тем, что расплав из электродных капель с присоединенным основным металлом большей своей частью перемещается вдоль фронта кристаллизации в хвостовую часть ванны и лишь небольшая часть расплава - в переднюю.

84

Силы, вызывающие образование потоков жидкого металла в ванне, и модель сварочной ванны представлены на рис. 6.9. Основными силами, вызывающими движение жидкого металла в ванне, являются давление дуги и электромагнитная сила Лоренца от взаимодействия вектора магнитной индукции (В), созданной током в дуге, с вектором плотности тока j , вводимого в ванну.

Рис. 6.9. Модель сварочной ванны и схема движения металла в ней

Сделан вывод, что под действием электромагнитных сил движение жидкого металла в хвостовой части несимметричной сварочной ванны имеет замкнутый циркуляционный характер. Металл движется под дугой (электродом) вниз до дна ванны, у ее дна – от дуги к хвостовой части, а у поверхности – в обратном направлении.

Динамическая модель сварочной ванны (рис. 6.10), в которой глубина кратера и проплавление свариваемого металла определяется реактивным давлением на дно струи плазмы. В предлагаемой модели показано, что при сварке погруженной дугой ось ее столба лишь изредка совпадает с осью проволочного электрода.

Рис. 6.10. Схема динамической модели сварочной ванны

85

На основе наблюдений предложена модель дискретного формирования шва при сварке стыковых соединений неплавящимся электродом (рис. 6.11). Анодный поток (АП) отклоненной дуги «закупоривает» хвостовую часть ванны для поступающего жидкого металла, и новая порция металла накапливается перед задним фронтом ванны (стадия I, рис. 6.11). Если дискретность перемещения дуги мала, эта порция металла также мала и легко смещается к фронту кристаллизации при повторном движении дуги. Так как возбуждение новой дуги между стенкой фронта и электродом приводит к «отмиранию» старого канала дуги, то за время после его «отмирания» и до приближения новой дуги к этой порции она успевает частично закристаллизоваться (стадия II, рис. 6.11). При отклонении дуги (стадия III, рис. 6.11) ее ток и давление недостаточны для сдвига порции металла к заднему фронту и поэтому сварной шов не имеет сплошного строения. Если эта порция будет сдвинута к предыдущей, сплавление порций произойдет лишь в верхней части, а между твердыми их основаниями образуются пустоты. Возникновение подобных дефектов происходит и при сварке погруженной дугой.

Рис. 6.11. Модель формирования шва при максимальной дискретности дуги: I, II, III – стадии процесса

В общем случае сварочную ванну можно разбить на три характерные зоны: I – зона плавления, II – переходная зона (зона гидравлического прыжка), III – зона формирования шва (рис. 6.12). Жидкий металл в хвостовой части сварочной ванны (зоны II и III) движется по каналу, конфигурация которого определяется процессом кристаллизации. Руслом для потока жидкого металла является поверхность кристаллизации. В отличие от открытых потоков жидкий металл хвостовой части сварочной ванны может быть подвержен значительному силовому воздействию объемных электродинамических сил, а в зоне II он может находиться под действием давления дуговой плазмы. Большая же часть поверхности жидкого металла хвостовой части свароч-

86

ной ванны является свободной, как и в русловых потоках, так как силовым воздействием струи защитного газа можно пренебречь.

Рис. 6.12. Гидравлическая модель сварочной ванны

Схематическое изображение процесса сварки представлено на рис. 6.13 для определения количественной оценки величины заглубления дуги в ее кратере.

Рис. 6.13. Схематическое изображение процесса сварки

При наличии большого количества моделей до сих пор нет единой модели для дуговой сварки. Это можно объяснить тем, что исследователи проводили эксперименты на различных режимах сварки. Из приведенных выше моделей можно сделать обобщение, что металл в сварочной ванне совершает замкнутое движение из-под дуги вдоль фронта кристаллизации и возвращается вдоль поверхности сварочной ванны под дугу. Однако в работах не учитывается возмущение от изменения силы тока или напряжения. Образование чешуйчатости объясняется только внутренними возмущениями в сварочной ванне.

Таким образом, при разработке объективной модели движения жидкого металла сварочной ванны необходимо учесть вышеперечисленные замечания, а также выявить рациональные области управле-

87

ния формированием сварочной ванной – как входного объекта в системе сварочная ванна - сварной шов (выходной параметр).

6.3. Экспериментальные исследования

Эксперимент является наиболее важной частью научных исследований. Само слово эксперимент происходит от лат. experimentum – проба, опыт. В научном языке и исследовательской работе термин «эксперимент» обычно используется в значении – общем для целого ряда сопряженных понятий: опыт, целенаправленное наблюдение, воспроизведение объекта познания, организация особых условий его существования, проверка предсказания. Само по себе понятие «эксперимент» означает действие, направленное на создание условий в целях осуществления того или иного явления и по возможности наиболее частого, т.е. не осложняемого другими явлениями.

Экспериментальное исследование – это один из основных спо-

собов получения новых знаний. В основе его лежит эксперимент (научно поставленный опыт или наблюдение явления в точно учитываемых условиях). Эксперимент позволяет следить за ходом процесса, управлять им и воссоздавать его каждый раз при повторении этих условий.

Основной целью эксперимента является проверка теоретических положений (проверка рабочей гипотезы), а также получение количественных данных для отбора значимых факторов при разработке модели.

Эксперимент должен быть проведен в кратчайшие сроки с минимальными затратами ресурсов при высоком качестве полученных результатов.

Роль эксперимента в научном познании. Важнейшей состав-

ной частью научных исследований является эксперимент, основой которого является научно поставленный опыт с точно учитываемыми и управляемыми условиями. В научном языке и исследовательской работе термин «эксперимент» обычно используется в значении, общем для целого ряда сопряженных понятий: опыт, целенаправленное наблюдение, воспроизведение объекта познания, организация особых условий его существования, проверка предсказания. В это понятие вкладывается научная постановка опытов и наблюдение исследуемого явления в точно учитываемых условиях, позволяющих следить за ходом его развития и воссоздавать его каждый раз при повторении этих условий. Само по себе понятие «эксперимент» означает действие, направленное на создание условий в целях воспроизведения того или

88

иного явления и, по возможности, наиболее чистого, т.е. не осложняемого другими явлениями.

Основной целью эксперимента являются выявление свойств исследуемых объектов, проверка справедливости гипотез и на этой основе широкое и глубокое изучение темы научного исследования. Постановка и организация эксперимента определяются его назначением. Эксперименты, которые проводятся в различных отраслях науки, являются отраслевыми и имеют соответствующие названия: химические, биологические, физические, психологические, социальные и т.п.

Они различаются:

-по способу формирования условий (естественный и искусственный);

-по целям исследования (преобразующие, констатирующие, контролирующие, поисковые, решающие);

-по организации проведения (лабораторные, натурные, полевые, производственные и т.п.);

-по структуре изучаемых объектов и явлений (простые, сложные);

-по характеру внешних воздействий на объект исследования (вещественные, энергетические, информационные);

-по характеру взаимодействия средства экспериментального исследования с объектом исследования (обычный и модельный);

-по типу моделей, исследуемых в эксперименте (материальный и мысленный);

-по контролируемым величинам (пассивный и активный);

-по числу варьируемых факторов (однофакторный и много факторный);

-по характеру изучаемых объектов или явлений (технологический, социометрический) и т.п.

Искусственный эксперимент предполагает формирование искусственных условий (широко применяется в естественных и технических науках).

Преобразующий (созидательный) эксперимент включает активное изменение структуры и функций объекта исследования в соответствии с выдвинутой гипотезой, формирование новых связей и отношений между компонентами объекта или между исследуемым объектом и другими объектами.

Констатирующий эксперимент используется для проверки определенных предположений. В процессе этого эксперимента констатируется наличие определенной связи между воздействием на объект исследования и результатом, выявляется наличие определенных фактов.

89

Контролирующий эксперимент сводится к контролю за результатами внешних воздействий над объектом исследования с учетом его состояния, характера воздействия и ожидаемого эффекта.

Поисковый эксперимент проводится в том случае, если затруднена классификация факторов, влияющих на изучаемое явление вследствие отсутствия достаточных предварительных (априорных) данных. По результатам поискового эксперимента устанавливается значимость факторов, осуществляется отсеивание незначимых.

Решающий эксперимент ставится для проверки справедливости основных положений фундаментальных теорий в том случае, когда две или несколько гипотез одинаково согласуются со многими явлениями. Это согласие приводит к затруднению, какую именно из гипотез считать правильной. Решающий эксперимент дает такие факты, которые согласуются с одной из гипотез и противоречат другой.

Натурный эксперимент проводится в естественных условиях и в реальных объектах. Этот вид эксперимента часто используется в процессе натурных испытаний изготовленных систем, В зависимости от места проведения испытаний натурные эксперименты подразделяются на: производственные, полевые, полигонные, полунатурные и т.п. Натурный эксперимент всегда требует тщательного продумывания и планирования, рационального выбора методов исследования.

Эксперименты могут быть открытыми и закрытыми, они широко распространены в психологии, социологии, педагогике. В этой связи открытый эксперимент целесообразен только тогда, когда имеются возможность и достаточная уверенность в том, что удастся вызвать у испытуемого живое участие и субъективную поддержку намечаемой работе. Закрытый эксперимент характеризуется тем, что его тщательно маскируют; испытуемый не догадывается об эксперименте, и работа протекает внешне в естественных условиях. Такой эксперимент не вызывает у испытуемых повышенной настороженности и излишнего самоконтроля, стремления вести себя не так, как обычно.

Простой эксперимент используется для изучения объектов, не имеющих разветвленной структуры, с небольшим количеством взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, выполняющих простейшие функции.

В сложном эксперименте изучаются явления или объекты с разветвленной структурой (можно выделить иерархические уровни) и большим количеством взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, выполняющих сложные функции.

90