Картина температурных полей отражает структурные превращения в материалах при их сварке. Интересные явления были обнаружены после интерпретации термограмм, полученных с помощью тепловизора.
Большинство сварочных процессов предусматривает нагрев соединяемых деталей. В этом случае условия нагрева и охлаждения влияют на качество сварного соединения. Характер протекания тепловых процессов определяет направление и полноту протекания металлургических процессов в сварочной ванне, условия формирования структуры металла шва и зоны термического влияния, эксплуатационные свойства сварных соединений [1].
Явления тепло- и массопереноса влияют на структурные превращения сталей при сварке во время нагрева и охлаждения изделий. В теории сварочных процессов, описываемой отечественными и зарубежными исследователями, значительная роль отводится вопросам определения температурных полей и скоростей охлаждения сталей [1–3]. Однако в этих работах не учитывают такие факторы, как теплообмен с окружающей средой, способ сварки. Расчеты часто содержат сложные функциональные зависимости. Это влечет за собой увеличение времени выполнения расчета, привлечение развитого математического аппарата и вычислительной техники.
Наиболее точно и адекватно характер тепловых процессов можно описать по результатам экспериментальных исследований распределения температурных полей. Тепловизионная аппаратура позволяет получить такие данные. Для определения распределения температурных полей при сварке плавлением провели автоматическую сварку в СО2 пластин 300×150 мм толщиной 8 мм из стали 30ХГСА электродной проволокой Св-08Г2С диаметром 1,2 мм со скоростью 28–30 см/мин. В качестве источника питания использовался сварочный выпрямитель ВСЖ–303. Регистрацию полей осуществляли с помощью тепловизора ThermaCAM P65HS фирмы FLIR. Съемку проводили на протяжении времени сварки одного прохода (60 с) и в течение 60 с после окончания сварки с частотой 5 кадр/с. В результате проведения эксперимента получили изображения температурных полей (термограмм) процесса нагрева (t = 60 с) и охлаждения свариваемого изделия (t = 120 с) (рис.1).
На полученных термограммах отчетливо видна картина изменения температурных полей свариваемого изделия. Однако определить координаты точек, соответствующие конкретной изотерме, по полученным изображениям трудно. Причина кроется в том, что тепловизионная съемка процесса сварки проводилась под углом к оси шва и под углом к плоскости свариваемых пластин.
Для получения фронтальной картины температурных полей, пригодной для дальнейшего исследования, полученные данные были обработаны с помощью приложения ThermaCAM Researcher и системы MATLAB. Для получения координат точек изотермы, относительно реальных размеров свариваемых пластин были проведены необходимые преобразования. В преобразованной системе координат находят координаты точек изотермы с последующим определением размеров путем умножения полученных координат на масштабирующие коэффициенты для введенных осей. Масштабирующие коэффициенты вычисляются исходя из размеров осей в пикселах на изображении и натуральных размеров свариваемых пластин. Данный алгоритм поиска координат был реализован в математическом пакете MATLAB [4] в виде набора m-файлов. Картина температурных полей после обработки исходных термограмм представлена на рис.3.
Для расчета температурных полей на поверхности пластины по известным формулам [1–3] была разработана компьютерная программа [5]. Анализ температурных полей, полученных экспериментальным и расчетным путем, показал, что расчетные температурные поля сильно упрощают реальную картину. Следует отметить, что расчетные и экспериментальные значения термограмм совпадают в диапазоне от 1600 до 1100°С только по ширине сварного шва. Экспериментальные изотермы по сравнению с расчетными значениями имеют более вытянутую форму (рис.2, 3) вдоль сварного шва. А на краю, удаленном от источника нагрева, появляется раздвоение. Эти явления требуют дополнительного изучения и объяснения.
Литература
1. Фролов В. Теория сварочных процессов. – М.: Высш. школа, 1988.
2. Рыкалин Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. – Москва, 1951.
3. Березовский Б. Математические модели дуговой сварки, в 7 т. Том 4. Основы тепловых процессов в свариваемых изделиях. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2006.
4. Чен К., Джиблин П., Ирвинг А. MATLAB в математических исследованиях: Пер. с англ.– М.: Мир, 2001.
5. Чинахов Д., Агренич Е. Автоматизированный расчет формы шва и распределения тепла в сварном соединении при сварке плавлением: Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2007612644 (РФ) – Бюл. "Программы для ЭВМ. Базы данных. Топологии интегральных микросхем", 2007.
