Тепловые процессы сварки. Компьютерные лабораторные работы

 
 
 
 
В. П. Сидоров 
 
 
 
 
 
ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ СВАРКИ 
КОМПЬЮТЕРНЫЕ ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ 
 
Практическое пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 
1 
 

УДК 621.791 
ББК 30.61 
С34 
 
Рецензент: 
д. т. н., профессор И. Е. Лапин  
 
 
 
 
Сидоров, В. П.  
С34  
Тепловые процессы сварки. Компьютерные лабораторные работы : 
практическое пособие / В. П. Сидоров. – Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2023. – 228 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1349-7 
 
Содержатся лабораторные работы, основанные на использовании математической модели нормально-кругового источника тепла, действующего на поверхности 
плоского слоя. Ряд работ посвящен определению размеров и формы сварочной ванны, 
энергетическим характеристикам процесса дуговой сварки плавлением. Исследуется 
поведение важных характеристик процесса – удельной энергии сварки и скорости образования соединения. Приведены работы по размерам и форме сварочной ванны при 
тандемной и одновременной двухдуговой двухсторонней сварке, определению требований к точности поддержания режимов сварки. Моделируются процессы при сварке 
у края пластины и при точечной дуговой и контактной сварке. Приведены работы по 
математическому моделированию процессов в сжатой сварочной дуге, расчету режимов сварки под флюсом и особенностям расплавления покрытых электродов.  
Для студентов и преподавателей сварочного профиля всех направлений подготовки высших учебных заведений и колледжей.  
 
 УДК  621.791 
 ББК   30.61 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1349-7 
” Сидоров В. П., 2023 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
2 
 

-ÂÊ¿ÁÊÄÌÇÄ
 
Введение ...................................................................................................................... 8 
 
I. Модель вместо закона 
......................................................................................... 13 
 
II. Нормально-круговой источник на поверхности  плоского слоя                 
и его применение для расчетов сварочных процессов .................................... 17 
 
ЧАСТЬ 1. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ 
ПРОЦЕССОВ СВАРКИ ......................................................................................... 28 
Лабораторная работа 1.1. Построение продольного профиля сварочной         
ванны при наплавке шва на пластину .................................................................. 28 
Лабораторная работа 1.2. Построение поперечного профиля сварочной         
ванны при наплавке шва на пластину .................................................................. 30 
Лабораторная работа 1.3. Построение изотермы сварочной ванны                 
при наплавке дугой на пластину 
........................................................................... 33 
Лабораторная работа 1.4. Построение термического цикла точки                  
при наплавке дугой на пластину 
........................................................................... 35 
Лабораторная работа 1.5. Определение зависимости скорости соединения       
и удельной энергии сварки от эффективной мощности дуги 
............................ 37 
Лабораторная работа 1.6. Зависимости показателей эффективности              
процесса сварки от ее скорости ............................................................................ 40 
Лабораторная работа 1.7. Зависимость эффективности процесса сварки           
от толщины пластины ............................................................................................ 42 
Лабораторная работа 1.8. Влияние физических свойств стали                           
на эффективность процесса сварки ...................................................................... 45 
Лабораторная работа 1.9. Изменение показателей эффективности сварки     
при условии сохранения провара ......................................................................... 47 
Лабораторная работа 1.10. Зависимость провара от отношения                     
эффективной мощности к толщине 
...................................................................... 49 
Лабораторная работа 1.11. Определение формы поперечного сечения        
сварного шва при действии дуги на пластину .................................................... 51 
Лабораторная работа 1.12. Сравнение координат максимального                  
провара и ширины изотермы плавления при действии дуги                                             
на поверхность пластины ...................................................................................... 53 
Лабораторная работа 1.13. Определение индекса объема сварочной ванны 
.... 54 
Лабораторная работа 1.14. Определение частоты сварки при действии        
сварочной дуги на пластину 
.................................................................................. 56 
Лабораторная работа 1.15. Определение зависимостей частоты сварки             
и термического КПД от скорости сварки ............................................................ 57 
Лабораторная работа 1.16. Определение зависимостей частоты сварки             
и термического КПД от тока дуги ........................................................................ 59 
Лабораторная работа 1.17. Определение зависимостей частоты сварки 
и термического КПД от толщины пластины ....................................................... 60 
3 
 

Лабораторная работа 1.18. Влияние рода свариваемого металла                       
на частоту сварки и термический КПД 
................................................................ 61 
Лабораторная работа 1.19. Определение размеров сварочной ванны                
на критическом режиме ......................................................................................... 63 
Лабораторная работа 1.20. Сравнение энергетической эффективности             
односторонней и двухсторонней сварки пластин без разделки кромок .......... 64 
Лабораторная работа 1.21. Определение допустимого отклонения                   
эффективной мощности при сварке пластин без разделки кромок .................. 66 
Лабораторная работа 1.22. Определение допустимого отклонения                
скорости сварки ...................................................................................................... 68 
Лабораторная работа 1.23. Определение допустимых одновременных             
отклонений режимов аргонодуговой сварки 
....................................................... 71 
Лабораторная работа 1.24. Влияние дистанции между дугами на провар        
при тандемной сварке ............................................................................................ 74 
Лабораторная работа 1.25. Влияние положения сварочных дуг различной 
мощности на провар при тандемной сварке 
........................................................ 76 
Лабораторная работа 1.26. Исследование термических циклов при                
тандемной сварке ................................................................................................... 79 
Лабораторная работа 1.27. Распределение температур в поперечном               
сечении при сварке стыкового соединения ......................................................... 81 
Лабораторная работа 1.28. Построение кривой максимальных температур ... 83 
Лабораторная работа 1.29. Влияние подогрева пластин на удельную           
энергию сварки и поперечное распределение температур ................................ 85 
Лабораторная работа 1.30. Влияние марки алюминиевого сплава                       
на энергетические характеристики 
....................................................................... 87 
Лабораторная работа 1.31. Влияние эффективной мощности на провар         
при неподвижной дуге ........................................................................................... 89 
Лабораторная работа 1.32. Исследование формы ванны при действии            
неподвижной дуги на пластину ............................................................................ 91 
Лабораторная работа 1.33. Определение температур в пятне нагрева              
при измерении мощности неподвижной дуги 
..................................................... 93 
Лабораторная работа 1.34. Определение средней температуры поверхности 
сварочной ванны при действии неподвижной дуги на пластину ....................... 96 
Лабораторная работа 1.35. Исследование энергетической эффективности       
дуговой точечной сварки 
....................................................................................... 97 
Лабораторная работа 1.36. Исследование термического цикла                        
при дуговой точечной сварке 
................................................................................ 99 
Лабораторная работа 1.37. Определение времени кристаллизации                   
сварочной ванны после отключения неподвижной дуги ................................. 101 
Лабораторная работа 1.38. Исследование формы проплавления                       
сварочной ванны при действии неподвижной дуги у края пластины ............ 103 
Лабораторная работа 1.39. Определение условного пятна нагрева                   
источника тепла по режимам контактной точечной сварки 
............................ 105 
4 
 

Лабораторная работа 1.40. Исследование процесса образования сварной     
точки при КТС ...................................................................................................... 107 
Лабораторная работа 1.41. Определение требований к точности                   
поддержания режимов при КТС ......................................................................... 109 
Лабораторная работа 1.42. Исследование подогрева зоны сварки                    
ранее сваренной точкой ....................................................................................... 111 
Лабораторная работа 1.43. Построение поперечного профиля                          
сварочной ванны при наплавке на пластину вблизи ее края ........................... 113 
Лабораторная работа 1.44. Исследование провара при двухдуговой              
двухсторонней сварке .......................................................................................... 115 
Лабораторная работа 1.45. Влияние дистанции между дугами                          
на провар при двухдуговой двухсторонней сварке .......................................... 118 
Лабораторная работа 1.46. Выбор дистанции между дугами                           
при одновременной двухсторонней сварке ....................................................... 119 
Лабораторная работа 1.47. Влияние сосредоточенности теплового потока  
сварочного источника тепла на провар 
.............................................................. 122 
Лабораторная работа 1.48. Поиск режима сварки, обеспечивающего               
размеры шва по ГОСТ 14771-76 ......................................................................... 124 
Лабораторная работа 1.49. Определение энергетических параметров               
сварочной дуги по размерам сварного шва ....................................................... 127 
Лабораторная работа 1.50. Эффект скачкообразного изменения провара        
при изменении эффективной мощности ............................................................ 130 
Лабораторная работа 1.51. Сравнение проваров при различных                    
расчетных схемах ................................................................................................. 132 
Лабораторная работа 1.52. Сравнение результатов расчета термических      
циклов при различных расчетных схемах ......................................................... 133 
Лабораторная работа 1.53. Автоматическое регулирование процесса              
сварки  по математической модели .................................................................... 136 
Лабораторная работа 1.54. Размер образцов для исследования процесса       
точечной плазменной сварки .............................................................................. 138 
Лабораторная работа 1.55. Ширина образцов для исследования                 
плазменной сварки швов ..................................................................................... 140 
Лабораторная работа 1.56. Время достижения теплонасыщения                        
при сварке пластин встык 
.................................................................................... 142 
Лабораторная работа 1.57. Возможности управления размерами шва                
в начале сварки ..................................................................................................... 143 
Лабораторная работа 1.58. Исследование температур в вольфрамовом             
электроде при обратной полярности дуги ......................................................... 145 
 
ЧАСТЬ II. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ СВАРКИ                        
ПЛАВЛЕНИЕМ И ТЕРМИЧЕСКОЙ РЕЗКИ ................................................. 149 
Лабораторная работа 2.1. Определение аналитической зависимости             
скорости плавления электрода при сварке под флюсом .................................. 149 
5 
 

Лабораторная работа 2.2. Определение аналитической зависимости               
провара изделия при сварке под флюсом .......................................................... 151 
Лабораторная работа 2.3. Влияние рода и полярности тока при сварке                
под флюсом на долю участия основного металла в металле шва 
................... 153 
Лабораторная работа 2.4. Расчет химического состава шва                              
при наплавке дугой с плавящимся электродом 
................................................. 155 
Лабораторная работа 2.5. Расчет химического состава шва,                     
наплавленного на пластину 
................................................................................. 157 
Лабораторная работа 2.6. Влияние режимов сжатой дуги                                  
на ее тепловые характеристики .......................................................................... 159 
Лабораторная работа 2.7. Теплоотвод в сопло плазмотрона                               
от столба сжатой дуги 
.......................................................................................... 163 
Лабораторная работа 2.8. Изучение толщины изолирующей прослойки              
между столбом сжатой дуги и стенкой сопла плазмотрона ............................ 166 
Лабораторная работа 2.9. Исследование напряженности электрического               
поля в канале плазмотрона сжатой дуги 
............................................................ 168 
Лабораторная работа 2.10. Исследование мощностей закрытого участка            
столба сжатой дуги 
............................................................................................... 171 
Лабораторная работа 2.11. Определение области безаварийных режимов       
работы плазмотрона ............................................................................................. 173 
Лабораторная работа 2.12. Исследование газокинетического давления           
сжатой дуги ........................................................................................................... 175 
Лабораторная работа 2.13. Расчетно-экспериментальное определение                
режимов автоматической сварки под флюсом стыковых соединений              
без разделки кромок 
............................................................................................. 177 
Лабораторная работа 2.14. Расчет на ЭВМ режимов автоматической                 
сварки  под флюсом стыковых соединений углеродистых сталей                   
без разделки кромок 
............................................................................................. 183 
Лабораторная работа 2.15. Технология и оборудование для сварки               
алюминиевых сплавов сжатой трехфазной дугой ............................................ 185 
Лабораторная работа 2.16. Точечная плазменная сварка пластин                        
из алюминиевых сплавов толщиной 0,5…1,5 мм трехфазной дугой ............. 189 
Лабораторная работа 2.17. Определение требований к точности                   
поддержания режима точечной плазменной сварки ........................................ 194 
Лабораторная работа 2.18. Определение положения рабочей точки              
напряжения системы «сжатая дуга – источник питания» 
................................ 196 
Лабораторная работа 2.19. Саморегулирование эффективной мощности             
по дистанции от плазмотрона до детали 
............................................................ 198 
Лабораторная работа 2.20. Саморегулирование эффективной мощности      
сжатой дуги при сварке по расходу плазмообразующего аргона ................... 200 
Лабораторная работа 2.21. Исследование степени неравномерности            
расплавления покрытого электрода ................................................................... 202 
Лабораторная работа 2.22. Определение приведенной плотности                   
покрытых электродов 
........................................................................................... 204 
6 
 

Лабораторная работа 2.23. Зависимость времени расплавления                        
покрытых электродов от тока дуги .................................................................... 206 
Лабораторная работа 2.24. Эффективная мощность дуги                                     
с разнополярными импульсами тока 
.................................................................. 208 
 
Список литературы 
............................................................................................... 211 
 
Приложения 
............................................................................................................ 216 
7 
 

Автор благодарит магистра А. В. Мельзитдинову 
за помощь в подготовке и оформлении рукописи пособия. 

¡ÁÄÃÄÌÇÄ
 
Развитие компьютерных информационных технологий оказывает все большее влияние на систему образования. В наибольшей степени это относится к 
высшему профессиональному образованию. По многим специальным вопросам 
можно достаточно быстро найти содержательные ответы в интернете. То же самое касается учебной и научной литературы. Становятся доступными не один–
два учебника и учебных пособия, а множество. Все больше внедряются дистанционные формы обучения.  
Можно с уверенностью утверждать, что благодаря компьютерным технологиям возможности самостоятельного образования и развития и индивидуализации обучения в последнее время значительно выросли. Однако создание программных продуктов для сферы образования сталкивается с определенными 
трудностями. Чем уже специализация обучаемых, тем сложнее получить для 
обучения программный продукт требуемого уровня. Иначе говоря, для создания программного продукта, который будет использоваться в средней школе 
(например, изучение колебаний маятника), можно привлечь программистов и 
методистов высокого уровня из-за «окупаемости» вложений, так как программа 
предназначена для очень широкого круга обучаемых. По мере подъема по этой 
пирамиде обучаемых трудности усугубляются. Логично предположить, что при 
подготовке специалистов в узкой области создание таких продуктов становится 
уделом профессионалов не в программировании, а в специальности. В то же 
время надо отметить, что создается достаточно много компьютерных программ 
для научных нужд, но далеко не всегда они используются для учебного процесса. Отдельная, даже самая хорошая и интересная программа для научных исследований проблемы не решает, так как в учебном процессе нужен системный 
подход, переход от более простого к сложному, взаимосвязь тематики. Из-за 
разрозненности исследований, сложности адаптации компьютерных программ 
и т. п. этого добиться непросто. Тем не менее, работу в этом направлении следует вести. Однако это является делом скорее энтузиастов, так как какая-либо 
координация в этом направлении отсутствует. 
Важной проблемой профессионального образования, которая может быть 
преодолена с помощью учебных компьютерных программ, остается разрыв 
между знаниями и умениями обучаемого. Умения должны формироваться преимущественно за счет практической подготовки. Соотношение между объемом 
теоретических и практических аудиторных занятий составляло до последнего 
времени около 50 на 50 %. К практической подготовке в области инженерно- 
го образования можно отнести лабораторные работы, практикумы, производственные практики, курсовые проекты и работы. Все это завершается дипломным проектом или работой, призванным продемонстрировать знания и умения 
выпускника. Казалось бы, что объем практических занятий, направленных на 
8 
 

освоение умений, совместно со значительным объемом самостоятельной работы, вполне достаточен. Однако, каждому из этих видов практической подготовки присущи существенные недостатки.  
В отличие от общеинженерных дисциплин (сопротивление материалов, 
электротехника и др.) по специальным дисциплинам практически нет сборников задач. Одними из первых на эту проблему обратили внимание на кафедре 
сварки Тольяттинского политехнического института (ныне университета). В результате был создан ряд задачников. Однако это начинание не получило пока 
должного продолжения. В силу отсутствия задачников в учебных планах практикумы по дисциплинам профессионального цикла занимают небольшое место.  
Курсовые проекты и работы имеют тот недостаток, что их содержание 
охватывает лишь малую часть теоретического материала.  
Относительно производственных практик существуют также значительные проблемы, достаточно известные и понятные. О том, что практикам не 
уделяется должного внимания, говорит хотя бы тот факт, что неуклонно снижаются нормы времени на ее руководство, хотя следует признать, что это один 
из самых сложных видов подготовки.  
Наконец, обратимся к лабораторным практикумам. Они преобладают в 
практической подготовке инженера. Их структура в отдельных дисциплинах 
зависит от наличия оборудования, научных интересов ведущих преподавателей, сложившихся в специальности традиций. Основополагающий лабораторный практикум, ставший основой многих работ в вузах, издан более 40 лет назад. Сравнительно недавно появившийся лабораторный практикум, созданный 
в Московском авиационно-технологическом институте, носит в основном ознакомительный характер, знакомит студентов с основными видами сварочного 
оборудования и технологий.  
В последнее время достаточно много говорится о создании условий для 
самостоятельной работы студентов и возможности выбора различных траекторий обучения.  
Компьютерные технологии представляют для этого новые возможности. 
Автор является активным сторонником максимального введения в учебный 
процесс практических занятий с использованием задачников по специальным 
дисциплинам и имитационных компьютерных лабораторных работ. Лекционный курс «Введение в специальность» с 1992 г. был преобразован в курс «Основы сварочного дела» с введением еженедельных практических занятий в 
объеме 36 часов в год. Для этого был разработан задачник с примерно 50-ю задачами. Впоследствии объем задачника увеличился до 300 задач.  
Первые компьютерные имитационные работы в учебный процесс были 
внедрены в 1987 г. в виде основы самостоятельной учебно-исследовательской 
работы «Математическое моделирование формирования шва при наплавке на 
массивное тело». В ней аналитическая модель распространения тепла при сварке использовалась для освоения метода математического планирования эксперимента.  
9 
 

Такой подход не означает отрицания традиционных лабораторных работ 
на специальном оборудовании. Наоборот, эти два вида работ хорошо дополняют друг друга. Ничто не может заменить студенту работу на специальном оборудовании. Одной из задач при выполнении реальных лабораторных работ 
должно быть создание условий, чтобы во время имитационных работ студен- 
ты хорошо представляли выполнение данной работы на специальном оборудовании.  
Нет необходимости много говорить о том, какими преимуществами обладают имитационные компьютерные лабораторные работы, оснащенные хорошим интерфейсом. Требуется создание большого числа новых лабораторных 
работ. Здесь использование компьютерных работ помогло бы решить проблему. 
Важным аспектом является большой упор на самостоятельную работу. Здесь 
также студенты могут выполнять компьютерные работы самостоятельно, в том 
числе и дома.  
Предлагаемый сборник лабораторных работ создан на основе актуальных 
современных научных исследований. Содержательная часть большинства работ 
опубликована автором в различных специальных журналах и сборниках. Некоторые работы, по мнению автора, направлены на исследование процессов, которым уделялось до сих пор недостаточно внимания и под руководством преподавателя в процессе их выполнения возможно получение новых результатов.  
Следует обратить внимание еще на один аспект компьютерных лабораторных работ. Многие студенты к окончанию вуза не умеют и не считают необходимым обладать умениями по программированию. Так, попытки ввести в 
задание на государственном экзамене несложную задачу по программированию расчета площади поперечного сечения шва не дали в течение нескольких 
лет положительных результатов. И это несмотря на значительный объем занятий по дисциплинам информатики в вузе. Предложение написать в курсовой 
работе нужную программу вызывают у студента удивление и недоумение. 
Ситуация напоминает ситуацию с изучением иностранного языка. Отсутствие 
умения программировать вызвано слабой практической направленностью дисциплин информационной подготовки. В наше время недостаточно абстрактно 
учить студента математике, физике, информатике. Необходимо находить возможность привязки полученных знаний к задачам специальности.         
Знакомство и работа с используемыми в лабораторном практике компьютерными программами, возможность внесения в них некоторых модификаций 
непосредственно в процессе занятий с получением немедленного результата 
имеет серьезное психологическое значение. Студенты убеждаются, что объем 
такой программы сравнительно невелик, используемые команды просты и понятны, и «не боги горшки обжигают». Одна из задач данного лабораторного 
практикума – пробудить у студентов интерес к программированию. Нужно убедить студентов, что удел профессиональных программистов – это создание 
программ для большого количества потребителей. Удел специалистов конкретной области – писать программы самостоятельно, исходя из собственных нужд. 
Нужно только научить видеть и находить эти нужды.  
10