Сварочные процессы протекают при высоких температурах по сложным физико-химическим законам. Совокупность различных факторов и явлений, влияющих на ход протекания процессов, затрудняет получение адекватных математических зависимостей и моделей. Основная часть параметров сварочных процессов рассчитывается приближенно по номограммам или эмпирическим формулам, составленным на основе экспериментальных данных 30-летней давности. Выбор оптимальных режимов сварки различных сталей связан с некоторыми затруднениями: большое количество управляемых и неуправляемых факторов, трудоемкость и длительность выполнения исследования, значительные материальные затраты, что ограничивает количество вариантов рационального решения. Кроме того, полученные математические модели и зависимости не дают визуального представления о протекании процессов сварки.

Бурное развитие компьютерной техники обозначило новое направление моделирования – компьютерное моделирование сварочных процессов. Компьютерные модели базируются на известных математических моделях (зависимостях) и позволяют наглядно представить протекающие при сварке процессы и полученные при этом результаты. Компьютерные модели значительно сокращают трудоемкость и длительность определения оптимального решения, а также увеличивают точность полученных результатов в сравнении с вычисленными вручную. Однако разрабатываемые программные продукты имеют практическую ценность только в том случае, если используют модели и зависимости, адекватно описывающие процесс и обеспечивающие хорошую сходимость результатов.
Для расчета распределения температурных полей на поверхности пластин при сварке плавлением по формулам была разработана математическая модель для компьютерных расчетов:

Рис. 2.1. Входные данные компьютерной программы для расчета распределения температурных полей при сварке плавлением

Разработанную компьютерную программу использовали для расчета наиболее рациональных режимов сварки толстостенных труб из стали 30ХГСА при соединении в замок (рис. 2.3) в стационарном режиме. Методика заключалась в следующем: для стали 30ХГСА толщиной 15 мм, задавали параметры режима сварки и определяли температуру на границе разделки кромок с учетом наименьшего тепловложения для обеспечения надежного сплавления кромок свариваемых образцов, т.е. на расстоянии 4 мм от оси шва, искомая температура не должна быть менее 1550 °С с учетом случайного отклонения электрода от оси шва (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Расчетное распределение температурных полей и значение температуры в заданной точке на поверхности свариваемого изделия

Таким образом, в результате компьютерного моделирования были получены следующие параметры режима сварки: напряжение дуги Uд = 26,5 В, скорость сварки Vсв = 14,4 м/ч, сила тока Iсв = 170A.

Рис. 2.3. Схема соединения в замок

Полученные расчетным путем параметры режимов сварки были проверены экспериментально. Установлено, что данная программа позволяет достаточно точно определить температуру метала в заданной точке в диапазоне от 1200 до 1600 °С (т.е. определить температуру металла на кромке разделки сварного соединения), ширину шва по линии сплавления и, соответственно, выбрать параметры режима сварки (обеспечивающие надежное сплавление кромок свариваемого изделия) без материальных затрат.