автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка методики оценки влияния напряженно-деформированного состояния на склонность легированных сталей к образованию холодных трещин при сварке

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Н.Э. БАУМАНА

п - -

• - ид

На правах рукописи

2 71:;зц

ПЕТРОВ Павел Юрьевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ НАПРЯЖЕННО- ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ НА СКЛОННОСТЬ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ К ОБРАЗОВАНИЮ "ХОЛОДНЫХ" ТРЕЩИН ПРИ СВАРКЕ

06.03.06 - Технология и машины сварочного производства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 1994

Работа выполнена в Московском Ордена Ленина, Ордена Октябрьской Революции и Ордена Трудового Красного Знамени государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана

Научный руководитель Официальные оппоненты

Ведущее предприятие

проф., д.т.в. МАКАРОВ Э. Л.,

проф., д.т.н. ВЕИШ1НСКИЙ A.B. доц., к.Т.н. ВОРОНИН H.H.

ВШШ_

Защита состоится "_"_1994г. на заседании диссе|

тационного совета К053.15.03 в Московском ордена Ленина, орд| на Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Энаме] государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана : адресу:

107005, Москва. 2-я Бауманская ул.» д;в.

Ваш отзыв на автореферат в 1 экз.. -заверенный печать просим выслать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библитеке МГТУ име Н.Э. Баумана.

Автореферат разослан "_" _ 1994г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент В.И.ГИ1

Подписано к печати 91.05,94 . Объем 1 п.л. Тираж 100 экэ Заказ N 341 Типография МГТУ им. Н.Э.Бауман

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одним из наиболее опасных дефектов при сварке легированных сталей являются "холодные" трещины (ХТ). В результате многочисленных исследований было установлено, что основными факторами, описывающими образование ХТ, являются структура, диффузионный водород и напряженно-деформированное состояние (НДС). В работах, проведенных отечественными и зарубежными учеными-сварщиками и материаловедами, подробно изучен вопрос образования структуры при сварке и ее влияния на склонность металла к образованию ХТ. Анализу распределения диффузионного водорода посвящены также многочисленные расчетные и экспериментальные работы. Таким образом, если влияние первых двух факторов на склонность металла к образованию ХТ теоретически проработано , и экспериментально установлено» то влияние параметров НДС не изучено в достаточной мере. Поэтому исследование влияния отдельных параметров НДС на образование ХТ и разработка соответствующей методики их расчета является актуальной научной проблемой.

Делыо работа являлось обеспечение технологической прочности при сварке/наплавке на основе разработки методики оценки влияния НДС на образование "холодных" трещин,

■ Методы исследования. Расчетные методы включали в себя аналитический метод определения температурного поля в сварном соединении, метод конечных элементов (МКЭ) для расчета временных и остаточных НДС з сварочной технологической пробе, методы теории подобия и моделирования,методы статистического анализа.

Экспериментальные методы использовались для оценки достоверности результатов расчета, установления сочетания геометрических размеров сваэкого ссединения (СС) и параметров режима сварки, приводящих ч образования "холеных" трещин, а таете определения расположения очага образования ХТ.

Научная новизна работы. В результате проведенных исследований установлено: 1) для описания условий возникновения ХТ иеобход'"чо анализи—

1

ровать НДС первого рода в зоне возможного и>; образования (шов и ЗТВ) с определением наиболее значимая его параметров, наиболее информативно характеризующих условия образований трещш: ■• максимального значения объемности напряденного состояния (ОНО), доторог предопределяет иесто расположения очага зарождения треэдны;

- величины растягивающего напряжения в зоне этого очага, норм..-.ьаого к линии сплавления, определяйте возможность возникновения и направление развития XT;,

2) ориентация наибольших главный напряжений в зоне с максимальной ОНО различна в пространстве, зависит от геометрических размеров GC и при ширине пластины 50 ш они практически всегда перпендикулярны линии сплавления (--70°), а при ш;рине 200 í,:m - параллельны ей (?0°).

Практическая ценность работы:

í. Разработаны математические модели* алгоритмы и программ.-! 3 позволяющие;

- рассчитать температурное поле в сварном соединении, а также геометрические размерь шва и ЗТВ, на основе оригинальной методики расчета положений источника тепла при использовании аналитических зависимостей;

- определить величину и направление главных напряжений и деформаций, а такие объемность напряженного состояния;

-■ представить результаты расчета для визуализации в системе AutoCAD.

£, Получены зависимости влияния геометрических размеров жестка закрепленных элементов СС на ереднеинтегральные по тол-ащке пластины и высоте шва наибольшие главные напряжения, применительно к технологической гроЗе иэ стали типа ЗОХГСА.

3, Разработана методика оценки влияния НДС на образование "холодных" трещда при сварке/наплавке, предусматривающая комплексный анализ влияний конструкционных и технологических факторов.

4. Определен^ условия возможного возникновения XT- при наплавке гребней колес железнодорожного транспорта от поверхности катания к верзине гребле и параметры термической обработки, предотвращающие трешинообразование.

Апробация работы. Основные результаты данной работы были рассмотрены и одобрены на научном семинаре кафедры "Машины и автоматизация сварочных процессов" МГГУ им. .Н.Э.Баумана (25.06.93)

Объем и структура работы. Диссертация состоит из четырех глав, общих выводов и списка литературы. Работа изложена на 151 странице маиияописного текста, содержит 41 рисунок, 14 таблиц и 137 наименований литературных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Дано обоснование актуальности выполненного исследования влияния НДС на треаинообразование и представлены основные положения, вынесенные на защиту.

Глава 1. Влияние напряженно-деформированного состояния на образование "колодных" трецин в сварных соединениях из легированных сталей

Проведенные разносторонние исследования позволили установить. что "холодные" трещшы являются особым видом хрупкого меикристаллитногс замедленного разрушения "свежезакаленной" стали при сварке и термообработке. Разрушение наступает под действием постоянного нагружения, приложенного непосредственно после термического воздействия в течение 15..20 часов.

Установлены следующие основные факторы, обусловливающие образование ХТ; структура с наличием закалочных составляющих, диффузионный водород и НДС в сварном соединении. Закаленная структура и водород определяют свойства металла СС и являются достаточным условием для псенциальной склонности к образованию "холодных" трещин, НДС - необходимым условием возникновения трещин. Однако, на сегодняшний день отсутствуют данные о влиянии различных параметров НДС на трепянообраэование. Поэтому для дальнейшего исследования условий образования ХТ необходим комплексный анализ отдельных параметров НДС, конструкционных и технологических факторов, влияющих на этот процесс,

По мере накопления значительного объема информации об условиях образования ХТ s реалънда конструкциях, технологических пробам к в образцам при "машинных" испытаниях их различных классов и марок сталей были разработаны расчетные методы анализа тревдшообразования, к ним откосятся методы, позволяющие предварительно оценить склонность стали к образованию ХТ, а именно эквивалент углерода и параметр тревдшообразозаняя (Рн), предложенный Х.Сузуки. "Критериальный" метод, предложенный и разрабатываемый под руководством Макарова 3.Л., предполагает сравнение рассчитанных и определенных экспериментально параметров (концентрация диффузионного водорода, структура, диаметр верна, напряжения в зоне разрушения и т.д.), обусловливающих образование ХТ. Р""н методы позволяют установить возможность .образования ХТ Oes анализа локальных условий тревднсобразова-ние, а частности уровня и соотношений параметров НДС.

.Анализ расчетных методов, с позиций возможности их применения з исследовании процессов при сварке, позволяет сделать вывод, что для сложной конфигурации СС„ из-ва неразномерного распространения теплового потока, анизотропности различных вон соединения при изучении образования НДС наиболее желательно использовать численные методы, в частности конечных элементов.

Конечной целью анализа НДС в сварной конструкции является возможность предсказания разрушения материала, в том числе образования "холодных" трещин на основе анализа расчета напряжений, деформаций и параметров термического цикла.

Для предварительной проверки существующих критериев разрушения матерлада применительно к анализу образования холодных трещин было проведено сопоставление экспериментальных данных с параметрами НДС, рассчитанными в образцах для испытаний на замедленное разрушение четырехточечным изгибом по методу ЛТПЗ.

Известно, что траектория трещин при хрупком замедленном разрушении состоит из трех участков: хрупкого межзеренного очага зарождения, дорыва до свободной поверхности надпила и пластического развития трещины. В исследованиях выполненных материаловедами показано, что место инициации трещины находится в подповерхностном слое. 1 В тоже время анализ результатов расчета показал, что из существующих критериев трешинообразо-вания объемность напряженного состояния совпадает с расположе-4

нием очага замедленного разрушения. Поэтому объемность напряженного состояния представляет интерес при аиализе условий образования ХТ. ОНС определяется по отношению средних напряжений (б0) к интенсивности (60 в данной точке: бо/бь где б0 - (61 + 62 + 63)/3; 61» 62, 63 - главные напряжения, МПа. ОНС является показателем изменения объема, т.е. характеризует склонность металла к раскрытию микро- и макротрещин.

На основании вышеизложенного для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи исследования:

1. Провести адаптацию метода численного моделирования к расчету напряжений в стыковых сварных соединениях.

2. Выполнить расчет и анализ параметров напряженно-деформированного состояния в сварном стыковом соединении. Установить параметры напряженно-деформированного состояния. определяющие образование "холодных" трещин в сварном соединении.

3. Экспериментально проверить результаты расчета напряженно-деформированного состояния в пробах и исследовать склонность легированных сталей (типа ЭОХГСА) к образованию "холодных" трещин.

4. Разработать методику использования параметров напряженно-деформированного состояния для оценки склонности легированных сталей к образованию "холодных" трещин при сварке.

Глава 2, Расчет и анализ напряженно-деформированного состояния в сварочной технологической пробе

Во второй главе изложена методика, особенности проведения и основные результаты расчета.

В качестве исследуемого объекта была выбрана стандартная технологическая проба (ГОС? 26398-84, тип уш) .известная в литературе как проба СЭВ-19-ХТ (рис.1.). В качестве исследуемого материала была выбрана сталь ЗОХГСА. которая широко применяется в машиностроении при сварке ответственных конструкций иэ-за низкой стоимости и высоких прочностных свойств (бв-1600 МПа).

Для определения влияния геометрии СС на параметры НДС варьировались толиина (0) и ширина пластины до закрепления

б

тайке- sttc&zx шва (bai- 3 проаегеазк» коскедозвдга рссскз.'Грллаьссь згкмРво® оседженке с тейвзжй зьерзшаешх rjteorsF Z2 к ЗОж. Шкрка& озарений илеси«на or оси ssa so эасгпгвяь« оярвйедяййсь усхазкше аров-гдеамя эксперимента к соотгаляял 53. 125 я Доке. сгеркзазкнз зле&шгоз îCOxa.

Вгрьирозгшш засота пзг (6, ? к О кгг) s яроведеаша слевоваия» осуще<я&гялос& шшснхе« схоросга сзаркн - л.03, 0,6 i. о.4 ми/с. зрй постояивой швгюотж дуги îles - 6СС Л, и ~ 'Л В). Эти высоте; эаликоз иахбоаее чете кспош>уа?сг прз дуговой сварке под фгосок, особенно крн ¡мзедко иорвевого ззг.

Предполагалось, что изменение икринь: аяамжвг и« скавыза-ет существенного зшвдкя ш сварочшй с;тай киял ССТД)-,

образование структура к распределена« даЗфгоаоивогс аодорода, ., что позволяет вря востовнаю структуре меодях& s моаичесгае диффузионного водорода зерькрозагь урозень HJiC,

Расчет НДС г обраед© нрсОк щюзоджоз Ш8. Hps анализе распространений тешозогс потоке s ycc.~x-~"ov3v :?ecs м его .геометрии и было усгаасзлеко, чте ястсчакк кезкко огаестк к бнет-родвижущкмея. Учитывав гакв©, что ¡геометрия свархого соединения к закреплен«» сзйравгзтч згздетаз se хэмегяется по длине, расчет напряжений арозодмжек ко пгссявЯ схеме.

Равбизка es «оеяратхтаге восысуэловне гделетга гекеряро-вадась таким обрэзоа, чтоб« досита вазйоладаего сгуадяя s ао-нах сварного яве Я'вТВ. т.е. э кегзаи, где необходимо получите результаты расчетов с маисзаазьвой точность» (еона образования XT). а тееою та«, г?,8 саддгяос» каибояьаее значение градиента тлература м .соотзетосгеянс,. параметров Н5С.

Каядая точка соединения хстямзает схой СТЕ, определяадй! структуру и механические свойства материала. Однако s СО можно дискретно выделить три зоны: csapsofi ses, ЗТБ и основной металл - с практически постоянными для мзтагла данной зовы зависимостями механических свойств от температуры. Поэтому разбивка расчетной области на конечниа элемента осуцесззгялась так, чтобы можно было фрагментарно заделать.сварной гоз и 3ÏS.

Для расчета НДС необходима иметь температурные зависимости предела текучести, модуля упругости я сгободной деформации. Наиболее важные точки этих зависимостей для зон сварного соединения были получены ври анализе данных литературных источников, а также на основании предварительного расчета температуры 6

начала а кояда распада аусгекита ч скорости сялеэдеяия.

Расчег температурного поля * стыковом соединении осуществлялся по методике, которая оскозане. на использован?;*: акажг-;--чесиих уравнений и яроаодатся э аза этапа: 1) определение рес-ясшххеяия точечного мсточжка тезда», 2) копосредстаеаж» расчеч хеыперагурввго яодя. Координата источника тепла расочмгэс яясь, исходя на уеяоат, что з верхней я ямяней точхю .от« сплавления максимальная темпераггура равняется гестературе задуса (1450 °С).

Для аналква ЗДС рассчитывались главные йапряяелия и формации, исходя кз того;. что озш являатсй лакОолев здормегашк-ет параметрами НЛС» а тзгае объемности, напряженного состояния

Установлено, что для зсех вариантов расчета обргэозаииг -качественно« распределение компонент напряжений и деформаций остаются подобкшк.

Как отмечаюсь в литературе, наибольшая зозксиисстъ образования ХТ существует з ЭТВ у ?юряя яв'а, лоэтсму в дагьзеёЕеа" анализировались параметры НЛС даеяно э этой еоне. Яаяряавзда здесь, как и в целом лля всего соединения за СТЦ уэелкчизгэтся по кзвестнсйзу аеханквму вследствие усадки м достигяэ? неасту-ма яря полном сстызаияя ОС. Структурные преобраеозаякя сказывай? существенное влияние на образования параметров НЦС^ реформации увеличиваются, а налрядения снижаются. После того как максимальная температура в СС станет ыеиьи? 400 °С (сразу после начала структурных преобразований) развитие пластачесмгк деформаций в этом диапазоне температур полностью прекращается. Остаточная величина интенсивности напряжений составляла яеаас-гим более. 50% от предела текучести для все?! зариактоз расчета.

Проведенный анализ подтверждает, . что дея оценки зоешч-ности образования ХТ необходимо использовать компонента те шх напряжений, т.к. они, э отличие от значений зюыпонеэт яа-копленной деформации, достигают максимума в интервале образования ХТ (от 2СЮ°С до полис -о охлавдечия ОС;.

Лля оценки условий образования ХТ анализировались остаточные НДС з образце технологической пробы. Из полученных результатов расчета следует, что главные напряжения и деформации достигают максимума в корне шва и в ЭТВ у нихяей и зерхной точках линии сплавления (ЛС). ОНС достигает максима з подповерхностном слое на расстоянии от свободной поверхности

0.2, ..1.1 мм и совпадает с существующими представлениями о расположении очага зарождения ХТ. При этом получено, что с увеличение»! высоты шва это расстояние также увеличивается, но остается практически постоянным для одной высоты шва.

По результатам расчета оценивались прежде всего компоненты НДС в поперечном сечении сваренной пластины (перпендикулярной берегам ХТ) наибольшие главные напряжения (НВГН) и деформации . Следует отметить, что направления наибольших главных Напряжений от горизонтальной оси отрицателен и составляет -60...-90°,то при ширине 200 мы он становиться положительным -65...85°, т.е. направление НВГН становиться практически параллель нод ЛС. Следовательно, можно предположить, что с увеличением толщины и ширг'ы пластины при постоянной погонной энергии .возможность образования "холодных" трещин уменьшается не только из-за снижения уровня напряжений, но и из-за изменения направления НВГН в месте наиболее вероятного образования ХТ. Отсюда следует вывод, что ОНС может служить критерием, указывающим на место образования ХТ» а возможность образования трещины и направление их развития определяется величиной растягивающих напряжений нормальных к линии сплавления.

Для толщины пластины 20 мм и высоты шва 7 мм были дополнительно рассчитаны варианты с шириной пластины (Вз), равной 300 и 500 мм. Показано, что в целом качественное распределение параметров НДС по объему свариваемых пластин не изменяется, а уровень напряжений уменьшается.

Проведенный анализ влияния параметров НДС на тревднообра-аование позволяет предложить следующий критерий оценки влияния НДС на образование "холодных" трещин в сварном соединении:

1) очаг образования трещины находится в зоне с максимальной объемностью напряженного состояния;

2) образование и развитие трещины происходит под действием растягивающих напряжений, нормальных к линии сплавления.

Глава 3. Экспериментальное исследование влияние геометрических параметров стыкового соединения из стали ЭОХГСА на образование "холодных" трещин

Для оценки достоверности полученных результатов расчета и определения сочетаний геометрических размеров и погонной энер-8

гии, при которых в пробе исследуемой стали образуются ХТ, был проведен эксперимент на пробе С2В-19-ХТ (рис 1.),

Эксперимент проводился для образцов толщиной 20 и 30 мм, с шириной пластин до закрепления 50 и 125 мм при режимах сварки, обеспечивающих высоту шва 7 и 9 мм.

При проведении экспериментов для проверки точности проведенных расчетов определялись температура и перемещения точек, лежащих на поверхности пластины, а также проводились исследования сечения СС и измерения профиля трещины.

Определение температуры в нескольких точках на поверхности свариваемых пластин подтвердило корректность расчета температурных полей, рассчитанных для всех вариантов.

При проведении эксперимента регистрировались вертикальные и горизонтальные (ГП) перемещения точек, лежащих на поверхности пластин. Горизонтальные перемещения определялись для' точек верхней поверхности пластины, лежащих на расстоянии 13 и 15мм от оси шва для толщины пластины 20 и 30мм,соответственно.

Данные об уровне и кинетике ГП являются наиболее важной информацией, поскольку позволяют оценить значения поперечных напряжений, ответственных за образование ХТ. Анализ кинетики горизонтальных перемещений позволяет сделать вывод, что с увеличением погонной энергии увеличиваются значения максимальных перемещений, При этом изменение ГП является немонотонным с двумя переходами через ноль (сначала наблюдается движение исследуемых точек к оси шва, затем от нее и через некоторое время снова к оси), что объясняется сложным механизмом деформирования пластины. Сопоставление расчетных и экспериментальных дан- , ных по ГП показывает, что расчет не дает первоначального движения точки к оси шва, т.к. при решении плоской задачи не учитывается влияние на рассматриваемое сечение остального объема СС. Далее их кинетика совпадает.

Для более полной картины деформирования пластин измерялись также вертикальные перемещения для нижней точки разделки кромок. Получено, что они практически всегда развиваются вниз.

Для всех регистрируемых величин было установлено, что с увеличением погонной энергии их максимальные значения также растут. Кинетика и уровень регистрируемых параметров качественно подобны и достаточно точно совпадают с расчетом.

После сварки и выдержки образцов в течение суток, корень

9

ква для определения факта образования ХТ тразшж ЬХ растаорда азотной кислоте. После просуикм образца разрушшеь трехточеч-Kh!h¡ изгибоу так, чтобы происходило раскрытие возможной трещим в корде ива. Образование трещин зарегистрировано з образцах, с наибольшими 'значениями растягивающих напряжений (~1170 Ш&) з зоне о максимальной ОНО в корневой чаети ЗТБ, имезди тозадаиу 20 мм, вирину пластина 50 мы у. высоту.ша 9

На нетравлеяных участках разрушезш образцов в месте зарождения ЛТ виден блестящий' крупяоееряхсткй иелом, переходящий в матовый. Это обстоятельство свидетельствуем о хрупком мехаг-ренном зарождении трещины и дальнейшей вязко» внуттрнзеренгюм разрушением материала.

У образцов с выявленной трещдаой снюшась профилограмма, разрушения. Как н для случая ваыеахеншго равруаеккк ирн "машинных" испытаниях в образце ео траектории треадны можно выделить три участка различного типа разрушения: очаг зероидегжя третикы, дорьге до свободной поверхности разделки кромок в г.оо-ледующгй вязкий рост трещпк. Определить границу этих участкоз достаточно слсшо звкду невысокой точности коэтакткого метода снятия профилйграмш. В средней вервий участок составляет порядка 0,3.. .'0,8мы и располохек от поверхности зазора на глубине 0,4..,1мм.

Согласно расчетам, расположение максимальной О.1С практически совпадает с очагоы еероздения треакины. Это подтверждает принятую гипотезу о ьозмсшноста использования ОНО как критерия, указывающего на место образования КТ,

Для оценки точности определения геометрий сварного ша и ЗТВ, «аподеякых в расчетную модель, прозодадсз анализ ыакрош-лифов, для чего образец разрезался .в несколько сечекмях.

Таким образом, эксперимент позволил определить корректность проведенных расчетов.

Глава 4. Разработка и апробация методики оценки влияния напряженно-деформированного состояния на образование "холодных" тр&цин •

В главе описана методика расчета и анализа НДС в сварном соединении и пример ее использования для случая наплавки греб-

10 ... -

та пагеса келезьодорожного транспорта.

Дедью использования этой методики является определение оптимальных размеров конструкции сварного соединения, параметров резама сварки и термообработки, уменьшающих возможность образования XI в изделии.

Методика требует проведения планированного расчета и эксперимента с последующей обработкой полученные результатов исследований и включает следующие этапы: 1) выбор объекта исследования ; 2) выделение факторов, злияюшях на"процесс трещинооб-разозания, варьирование которых допускает суцествувдая либо разрабатываемая технология, и составление плана проведения эксперимента; 3) расчет сварочных напряжений/деформаций з исследуемом СС; 4) проведение эксперимента; 5) сопоставление и анализ результатов вычислений и экспериментальных данных.

Под объектом исследования в предлагаемой методике следует понимать сварную конструкцию либо наплавляемое изделие, для которой заданы: 1) основной и присадочный металл; 2) конфигурация и геометрические размеры свариваемых элементов; 3) .условия закрепления свариваемых элементов; 4} способ сварки и параметры режима сварки/наплавки.

Согласно требованиям, предъявляемым к сварному соединению, и возможностям производства, варьируемыми в. исследовании факторами, оказывающими существенное влияние на образование ХТ, могут быть различные, конструкционные и технологические факторы, которые могут варьироваться з исходном состояние, а технологические - так же перед, во время и после сварки / наплавки. После выбора, варьируемых факторов составляется план проведения эксперимента.

Предполагается, что для определения НДС в иссле?,у<№К>й конструкции должна быть решена.термо-упруго-пластическая задача. После получения тензора остаточных напряжений рассчитывают величину и направление главных напряжений, а также объемность напряженного состояния.

При проведении эксперимента для определения достоверности получаемых результатов расчета необходимо получить максимум информацию о перемещениях, деформациях и изменении температуры в сварном соединении в объеме достаточном для лодтзерядения достоверности результатов расчета.

Предлагаемая методика апробирована на примере «налива

11

двух вариантов наплавки гребня колеса железнодорожных вагонов (ГОСТ 10731-89, рис З.а). Одной из наиболее часто встречающихся з эксплуатации причин преждевременного выхода из строя колес вагонов является ивнос гребней колес, заключающийся в утонении или подрезе гребней до уровня ниже допустимого (18 мм).

Пример использования предлагаемой методики основан на данных, полученных в ЫИИТе с помощью численного моделирования. Проводили расчет наплавки для колесной стали марки 2 (С-0.65-0.65; Мп-0.5-0.9; Si-0.2-0.42; Сг-0.25; Ni-0.25; Си-0.25; Р-0.035; S-0.04). Анализировались расчеты для вариантов с толщиной обода колеса 60 и 25мм при наплавке от поверхности катания к вериине гребня.

Анализируя главный напряжения по высоте ЭТВ, необходимо отметить, что у первого валика направление:наибольших из них в радиальном сечении колеса перпендикулярно линии сплавления. В этих же точках наблюдаются наибольшие значения НБГН:317МПа для колеса с ободом толщиной 60мм и 222 МПа при толщине 20 мм. Объемность также всегда максимальна у первого валика 1.22 и 1.63,соответственно. На рис. 3,6 показаны траектории трещин,образование которых возможно при данной технологии.Таким образом при большей толщине обода образование XT наиболее возможно.

С помощью программного комплекса "Свариваемость..." (МГТУ), для первого варианта наплавки (толщина обода 60мм) были дополнительно рассчитаны концентрация диффузионного водорода и структура в STB каждого слоя наплавки. При этом начальное содержание водорода в металле наплавленного слоя задавалось равным 5см3/100г, типичным для АД0Ф при условии прокалки флюса. Получено, что максимальная концентрация водорода наблюдается в ЭТВ второго слоя и составляет 1.8 см3/100г. Максимальный процент мартенсита в структуре ЗТВ получен у первого слоя и составляет около 602, что объясняется высоким содержанием углерода и большими скоростями охлаждения' в диапазоне 600...500°С. максимальный диаметр зерна составляет порядка 70мкм. Расчетом получено, что для анализируемого варианта XT будут образовываться в ЭТВ у первого валика. Для снижения склонности стали к трещинообразованио исследовались различные варианты термической обработки. Установлено, что для обеспечения стойкости металла ЭТВ при наплавке образованию XT, темпе-, ратура предварительного подогрева должна быть не менее 120 °С,

сопутствующего 80 °С. Возможен также вариант без подогрева с оследующей выдержкой колеса в термостате непосредственно пос-е сварки не менее 4,5 часов при максимальной скорости охлаж-ения не более 0.005 °С/сек. Важно отметить, что определенная нечетным путем, температура предварительного подогрева прак-ически вдвое меньше, чем по существующей технологии.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В существующих методиках анализа сопротивляемости ме- ' алла образованию "холодных" трещин влияние напряженно-дефор-ированного состояния на трещин ообраоовалие в полной мере не читывается. Не установлены параметры налряженно-деформирован-эго состояния, адекватно описывающие условия трещинообразова-ия (место, направление и критерий разрушения). Для прогнози-эваяия возможности возникновения "холодных" трещин необходимо азработать методику оценки влияния напряженно-деформировално-

э состояния на трещинообразование.

2. Для расчета напряженно-деформированного состояния в зарном соединении в зависимости от режима сварки и геометрии зарного соединения использовался программный комплекс (МГТУ), заданный на базе метода конечных элементов. Для адаптации его

расчету напряженно-деформированного -состояния в стыковом зарном соединении и анализа результатов расчета были разрабо-мы алгоритмы и программы, позволяющие:

- рассчитать температурное поле в сварном соединении, а , жже геометрические размеры шва и ЗТВ, на основе оригинальной яодики расчета положения источника тепла при использовании шлитических зависимостей; .

- определить положение и величину главных напряжений и ¡формаций, а также объемность напряженного состояния;

- представить результаты расчета параметров налряжен-!-деформированного состояния для визуализации в системе ACAD ■опография и направления главных напряжений и деформаций).

3. В результате экспериментальных исследований при сварке биологической пробы из стали ЭОХГСА установлено, что:

- погрешность, между определенными экспериментально и поденными в результате расчета горизонтальными и вертикальными ^смещениями исследуемых точек на поверхности свариваемых

13

пластин, не превышает 28%, что подтверждает корректность проведенных расчетов;

- • холодные трещины образуются в ЗТВ у корня ова при высоких значениях погонной энергии и малой ширине свободной части сваренных пластин (Вэ=50мм), очаг зарождения трещин наблюдается в 0,4..,1мм от свободной поверхности пластины и составляет 0,3...0,6 мм.

4 Установлено, что ориентация наибольших главных напряжений в зоне с максимальной ОЙС различна в пространстве, зависит от геометрических размеров ОС и при сирине пластины 50 мм они практически всегда перпендикулярны линии сплавления ¡>-70°), а при ширине 200 мм - параллельны ей (-70°).

5. В результате проведенных численных и экспериментальных исследований установлено, что в металле легированной стали "холодные" трещины возникают.-

-под действием напряжений первого рода; ~ -без макропластической деформации;

-в месте с максимальной объемностью напряженного состояния; -под действием растягивающего напряжения в этом месте, нормального к линии сплавления, определяющего возможность возникновения и направление развития ХГ.

6. На базе проведенных расчетно-экспериментальных исследований разработана методика выбора рациональной технологии сварки и геометрии сварного соединения, обеспечивающих снижение опасности образования "холодных" трещин.

7. При использовании предложенной методики 'Для анализа НДС при наплавке гребня колеса железнодорожного транспорта от поверхности катания к вершине гребня, получено, что наиболее вероятное образование "холодных" трещин в ЗТВ у первого наплавляемого валика. Определено, что для обеспечения стойкости металла трещинообразованию при наплавке необходим предварительный подогрев при температуре не ниже 120 °С или сопутствующий - 80 °С, либо выдержка в термостате не менее 4.'5 часа.

8. Результаты исследований положенные в разработанную инженерную • иетодику оценки возможности образования "холодных" трещин, адаптированную для деталей и узлов подвижного состава переданы в Главное управление вагонного хозяйства МПС, ВГОЖЖТ, на Стахановский вагоностроительный завод и- ПО "лугансктепло-воэ".

14

Основное с..щердание диссертации отражено ь работах:

1. Куркин A.c., Петров П.Ю. Расчет НДС для однослойной стыковой автоматической дуговой сварки ставд йОХГОЛ // Производство.и надежность сварных конструкций: Тезисы докладов научно-технической конференции стран СНГ, - Москва, - 1993.

2. Макаров Э.Л., Петров П.Ю. Исследование влияния НДС ъ сварном соединении технологической пробы на обраЕ-ование X! в зависимости от ее геометрических размеров// Производство и надежность сварных конструкций: Тезисы докладов научно-технической конференции стран СНГ. - Москва., 1993. 0.24.

3. Куркин A.C., Макаров Э.Л., Петров П.Ю. Иснольвование параметров НДС в сварных соединениях для анализа склонности легированных сталей к образованию "холодных" трего.ин// Современные проблемы сварочной науки и техники: Тезисы докладов научно-технической конференции стран СНГ. - Ростов-на-Дону, 1993. - С.6.

й

Рис.1. Поперечное сечение и схема закрепления образцов пробы: 1) - толщина пластины, т; Вл - ширина сваренной пластаны от оси шъа до закрепления, мм; Р - притупление, мм; С &л*ср меда'/ пластинами, >,<м; «-угол разделки кромок, град; (ьц ■ высота сварного шва. км

/

Рис.2. Фрагменты распределения наибольших в поперечной плоскости главных напряжений и их направлений (а; М 5:1), а также (б) эпюры остаточных параметров НДС; НБГН (бнв). объемности напряженного состояния (О)

Рис.3. Сечение обода колеса железнодорожного транспорта (а) и возможное расположение ХТ в наплавленном колесе (б)