автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Деформационно-технологические основы воздействия на металл шва в процессе сварки



и ; г;

Московский орденов Ленина, Октябрьской Революции и Трудового Красного Знамени государственный технический университет им.Н.Э.Баумана

•На правах рукописи

КОНДШВ Геннадий Фёдорович

даОКШЮННО-ТЕШОЛОБНЕСИЕ ОСНОБЫ

воздействия на металл

ЕВА В ПРОЦЕССЕ СВАРИ!

Специальность C5.03.G6 - технология и кашшн сварочного производства

АВТОРЗОЕРАГ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

ЫоскЕа 1992

Работа выполнена в Калужском филиале Московского орденов Лешцщ, Октябрьской Революции и Трудового Красного Знамени государственного технического университета им.Н.Э.Баумана.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ГРИГОРЬЯЩ А.Г.

доктор технических наук, профессор адод В.Б.

доктор технических наук, профессор СУДНЙК В.А.

Ведущее предприятие» Калужский турбинный гавод

■ Защита состоится У-'С&Л 1992 г.

на заседании специализированного Совета Д 053.35.07 при Московском государственном техническом университете им.Н.Э.Баумана по адресу:. 107005, Москва, 2-я Бауманская,5.

Баш отзыв на автореферат в одном экземпляре,заверенный гербовой печатью,просим направить но указанному адресу. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЮТУ км.Н.Э.Баумана.

Автореферат разослан " ^ " /¿Ш^ЛС^. 19д2 г>

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ СПЖЩЛИЗИР0ВАНН0Г0 СОВЕТА К.Т.Н. ДОЦЕНТ .ШИПВ.В.

Подписано к печати 10.03.92". Объем 2 в.л. Заказ /¿6 Тира* 100 »кэ. Типограф«' ШТУ им. Н.£.Баушна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Всепернсе повышение технического уровня и качества продукции является одной г,з насуп-нех задач нашей страны, стоячей на пороге рыночных отношений.

Технико-экономический уровень и качество сварной конструкции во многом определяется.работоспособностью СЕарного соединения, которое ввиду несоответствия практически всех его характеристик основному материалу,существенно снижает общую несущую способность изделия,его коррозионную стойкость,сопротивляемость ударным нагрузкам,устойчивость и др. показатели". Существующие способы пошыенш работоспособности сварньх соединений имеют, как правило,узкую направленность и поэтому не приводят к комплексному улучшению свойств сварных соединений,что особенно вадио при эксплуатации конструкций ответственного назначения,работающих в слоянкх условиях,когда восстановление одного-двух показа-' телей не гарантирует работоспособности изделия вцелом. Кроне того ,больашгс.;во из этих способов применяются после сварки и требуют для своей реализации дополнительных площадей,удлинения технологического процесса,что ведет к повышению себестоимости изделия.

Все это свидетельствует о том,что проблема посинения работоспособности сварных соединений весьма актуальна. Не случайно в постановлениях ГКНТи АН СССР, а такке в "Сводных планах"коор -динацпонного совета по сЕарочной науке и технике эта проблема выделена в самостоятельный раздел, а число посвященных ей иссле-. дований и публикаций резко возросло.

Большой вклад в решение это.*; проблемы внесли работы: Г.А.Николаева, С.А.Куркпна, В.А.Винокурова, В.Л.Сагалевича, А.Г.Григорьянца, О.Н.Стеклова, H.H.Прохорова, О.А.Баши.Б.А.Мов-чана, Г*.Д.Никифорова, А.И,Макары , и др. крупных ученых-сварци-ков. Так,предложенные в 60-х годах С.А.Куркшшм способы холодной, а затем и горячей прокатки послужили е дальнейшем осноеой для создания элективного деформационно-технологического направления, осуществляющего своё воздействие на СЕарное соединение непосредственно е процессе сварки.

Однако,для становления этого направления потребовался качественно новый уровень исследований,разработка новых подходов "к- решению сложных научно-технических проблем. Среди них: выяснение механизма течения металла в очаге деформации при ь:ест:юм

дапормироваииЕ,влияние на этот.процесс неравномерности коэффициента трения .поля собственных: сварочных и дополнительных тех- : нологических напряжений; расчет температурных полей при сварка с наличием принудительных стоков теплоты в различных, темпера- -турных диапазонах; выработка критериев качественного формирования сварного соединения при деформационном воздействии на металл в процессе с парки; выяснение влияния параметров режима обработок на ряд важнейших свойств ъварных соединений: статическую, усталостную прочность,коррозионную стойкость,пластичность, напряженное состояние,деформируемость и др. Это в первую очередь относится к тонкостенным сварным конструкциям из К1 и Т1 сплавов и аустенитной стали 12ПВШОГ, широко использующихся прп изготовления изделий.работающих в сложных условиях.

В реферируемой диссертационной работе эти Еаише задачи решены с позиций современных достижений теорий формоизменения материала,тепловых процессов,сварочных напряжений и деформаций, а такие других сиешых отраслей науки и техники.

Цель, и основные задачи исследования. Цель» настоящей работы являются радикальное повышение работоспособности сварных тонкостенных конструкций ответственного назначения из А£ ,и Т1 - сплавов ь аустенитной стали. Для её достижения решены следующие ссноешз задачи:

- анализ эффективности существующих путей повышения работоспособности сварных тонкостенных конструкций в разработка на его основе классификации способов местного пластического деформирования,'

- установление закономерностей формоизменения очага деформации при местном нагружении металла шва;

- выработка критериев совмещенных процессов сварки и прокатки в различных температурных зонах,ответственных за улучшение свойств оварных соединений;

- создание математических моделей тепловых и деформационных процессов с определением основных технологических параметров дэфорыкро ка н ия ; -

- разработка руководящих материалов и .конструкторско-тех-нологической довднентацип по использованип(деформационных методов в промышленности;

- выявление области применения деформационно-технологических методов;

- внедрение деформационно-технологических методов при

■г,

производстве СЕарннх тонкостенных конструкций.

Методы исследования. Поставленные задачи решены сочетанием анализа и синтеза экспериментальных и теоретических методов исследования. Экспериментальные ¡.исследования по определению перемещений,остаточных напряжений проведены с использованием известных и оригинальных методик дискретной и непрерывной записи-деформационного сигнала на образцах,сваренных по существующей технологии,а также на образцах,прокатанных в различных режимах. Влияние обработок на структуру сварных соединений их свойства определяли с применением современных методов металловедения,в гоы числе, рентгеноструктурного анализа (УРС-60 , камера PKT-II4), электронномикроскопичэские исследования (микроскоп ВБ-242 "Testa"). Механические испытания нас ударную вязкость.коррозионную стойкость и др. выполняли с помощью стандартных и специальных методик.

Теоретические исследования базировались на положениях теорий сварочных деформаций- и напряаений,тепловых процессов,релаксации и ползучести,металловедения и др. отраслей науки. Разработка и анализ физико-математических моделей совмещенных процессов сварки и прокатки выполнены с помощью ЭВМ, .

' Нау.чная новизна. В работе выполнено теоретическое обобщение л решена крупная научно-техническая проблема, заключающаяся в установлении взаимосвязи деформационного воздействия на металл шва в процессе сварки с характеристиками сварного соединения,имеющая вашое народнохозяйственное значение для повышения работоспособности сварных тонкостенных конструкций из kl , TL - сплавов и аустенитной стали.

Обнаруженные взаимосвязи' базируются на следующих основных результатах работы:

I. Теоретически установлена направленность течения металла в очага деформации в зависимости от его геометрических раз-ыеров,шероховатости контактных поверхностей,сопротивления внешних зон,уровня и знака напряжений в зоне прокатки.

' 2. Экспериментально определены условия получения сварных соединений,близких по своим показателям основному материалу (пределу прочности,углу загиба,ударной вязкости,пластичности, напряженно-деформированному, состоянию и др.), при прокатке металла шва в процесса сварки в различных температурных диапазонах;

3. Изучено влияние параметров деформирования (степени де-

формации,температуры деформирования,диаметра ролика) при совмещенной процессе сварю-; и прокатки на нормирование первичной, вторичной структуры и несущую способность СЕарного соединения;

4. Получено с учета.: принудительных стоков теплоты в подкладку п ролик решение дифференциального уравнения теплопроводности .позволяющее регулировать термичеспй иккл сварки;

5, Созданы математические модели определении основных параметров деформирования, учитывающие исходное состояние материала перед прокатной,темлературно-скоростнне условия деформирования, влияние внешних зон и распределение остаточных напряжений.

Поло кения, выносимые на защиту,

1. ¡.!одель 'течения металла при холодной прокатке шва узкими роликами, построенная на основе равенства работ на задан них г.е -ремещениях от вертикальных сил работе горизонтальных сил,приложенных к границам очага деформации , при наличии сил трения

и внешних зон. При этом горизонтальные силы, вызванные действием сварочных,технологических напряжений,кривизной ролика и сопротивлением внешних зон, представлены в математической модели кап доли горизонтальных сил,эквивалентных по СЕоеП работе вертикальной силе скатия.

2. Условия качественного формирования сварного соединения при местном деформировании в процессе автоматической сварки в защитных газах,заключающиеся в следующем:

- при прокатке в интервале Тл-Тс кристаллизация хеостовой части с нарочно!-; ванны должна протекать только под давлением при обратив усиления ШЕа заподлицо с основным материалом со степенями део'оркации, прешлавдипя 10+12?. Такие условия способствует образованию однородно!- мелкозернистой структуры с равномерной пластической деоориашей по ьсему сечению шва и обеспечивают снижение остаточных перемещений более чем на 70% и существенно уменьлдаг пористость;

- прп горячек прокатке с целью получения дисперсной структуры по всепу сечению должен задаваться температурный рекшл и степень деформации;

- при холодно:! прокатка определявшей является степень де-Форыашш,которая находится из равенства объема пластических де-;;<ор:.:а1П:й укорочения от с:лркл о5ъе:.;у пластических деформаций удлинения от .прокатки,что позволяет добиться высокого эффекта правки и уменьшения уровня остаточных сварочных напрятений.

3. Механизм" усиления воздействия на околошовную .зону прп > выполнении комбинированной прокатка шва в сбойме, заключающийся

в том,что образующиеся при осадке металла 'под первым роликом продольные пластические деформации из-за высокой кесткости обойлы не реализуются. Это приводят к возникновению на участке менду роликами продольных сжимающих напряжений,которые бызыез-ют перераспределен:« части продольных деформаций в поперечные как в зоне первого.так и второго роликов.

4. Ноеый подход : к определении температурных полей в про' цессе сЕарки для высокотемпературной зоны при наличии стоков

теплоты состоящий в том,что задача разбивается, на несколько этапов. Первоначально,с использованием классического реиения о распределении температуры от подвижного сварочного источника тепла,находится начальное температурное поле.которое является исходным для расчета уточненных температур по даЮеренциально-му уравнению теплопроводности. По результатам -его решения определяется координата прокатного ролика. На втором этапе начальное температурное поле находится путем сложения температурного поля от источника и стока теплоты в ролик и подкладку с учетом поваленной теплоотдачи от свариваемого металла на ширине зоны _ прокатки в сварочный егол. Затем с учетом различного характера • стоков теплоты,рассчитывается уточненное температурное поле. Определяется новая координата установки прокатного ролика и производится сравнение её значения со значением,найденным на предыдущем этапе. Если полученная величина меньше или равна заданной точности расчета, то уточненное температурное поле соответствует температурному полю при совмещенном процессе сварки и прокатки.

5. Математическая модель определения усилия деформиро-вшшя,заключающаяся в том,что задача по прокатке металла шва узкими роликами сводится к задаче' по прокатке полосы,но с учетом влияния внешних зон,поля сварочных напряжений,тешературно-ско-ростных факторов и способа осуществления местной деформации.

Практическая ценность. Теоретические основы деформационного воздействия на сварное соединение в процессе сварки,разработанная классификация способов местного деформирования использованы при создании новых технологических процессов по выполнению дуговой сварки. Внедрение комбинированной прокатки при производстве мостовых секций из алюминиевого сплава (Омский завод подъемных машин).высокотемпературной про" 5

катки при сварке гибкой муфты паросиловой установки из титанового спяява (Калуаский турбинный завод) и др. свидетельствуют о высоких показателях: обработок: существенно увеличивается срок эксплуатации изделий; уменьшается трудоемкость сборочно-сзароч-ных операций; сокращается длительность производственного цикла. Новизна технологий и их эффективность подтЕеркдена 4 авторскими свидетельствами на способы дуговой сварки.

Произведена оценка области применения деформационно-технологического направления по повышению работоспособности сварных соединений для широкого ряда конструкционных материалов.

Созданы математические модели формоизменения материала е очаге деформации,определения тепловых процессов,основных параметров деформирования,позволяющие не только управлять степенью воздействия на сварное соединение, но и использовать полученные зависимости для других технологических операций (точение, осадка,волочение,плакирование и др.).

Для реализации деформационных методов разработаны и внедрены в производство,учебный процесс руководящие материалы,конст-рукторско-технологаческая документация,специализированное оборудование и оснастка с общим экономическим э&Зектоы свыше девятисот тысяч рублей.

Апробация работы. Результаты работы доложены и обсудпены на III Всесоюзном симпозиуме АН СССР по технологическим остаточным напряжениям (1988 г.), на 33 иекдународ- ■ ном научном симпозиуме в Жтепаи (1988 г.),на 26 чтениях по проблемам космического производства (1991 г.), на ряде Всесоюзных, Республиканских,Региональных и ведомственных НГК*(1973--91 г.г.),а такке на научных семинарах кафедр сварки ЫИУ им.Н.Э.Баумана (1990 г.), Ш ИГТУ им.Н.Э.Баумана (1987,1990 г.).

Публикации . По результатам работы автором опубликован« 52 печатные работы,получены 4 авторски« свидетельвтва на изобретения.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из шести глав (без введения),изложенных на 209страницах машинописного текста, вюпиаег 2 приложения, таблиц , 126 РИ-суннвв, выводы и список литературы из 230 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава I посЕящена анализу состояния вопроса по проблеме , обосноЕыва'кэд» поставленную цель и сформулированные вше задачи работы.

Проблема радикального повышения работоспособности СЕарных соединений,повышения степени соответствия их характеристик-основному материалу,является, одной из основных задач на современном этапе развития сварочного производства. Над решением этой проблемы работает большое количество ученых в отраслевых институтах, в ИЗС им.Е.О.Патона,а такие е учебных заведениях. Анализ выполненных работ позволил выделить следующие основные направления повышения Работоспособности сварных конструкций: . металлургическое ,конструкторское.технологическое и деуормационно-техно-логическое. ¿"'казаннне направления нашли применение в промыл-ленности. уднахо эффективность их использования различная. Так, применение методов металлургического,конструкторского.технологического направлений позволяет повысить 1-3 характеристики сварп-го соединения. Например, при назначении оптимальных параметров регшма сварки тонкостенных конструкций из старещего алюминиевого сплава ВЭ2 достигается существенное ловкиенле плотности шеов,несколько увеличиваются прочностные и пластические показатели. Остальные же характеристики - ударная вязкость,напряженно-деформи-рованное состояние.коррозионная стойкость практически не изменяются.

Всестороннее воздействие на зону соединения оказывают методы местного пластического деформирования. Большой вклад в разработку этих методов Енесли работы С.А.Кургана, В.А.ВинокуроЕа, В.Н.Сагалевича,.в которых показана возможность устранения сварочных деформаций,уменьшения остаточных напряжений и упрочнения зоны соединения путем послесварочной холодной" прокатки её узкими роликами. Существующая формула по определению усилия прокатки,требуемого для правки тонкостенкйх сварных конструкций,дает значения • усилий,которые удовлетворительно согласуются с экспериментальны- ' ми даялши применительно к сварным конструкциям из низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Однако,применение этой формулы для определения усилия прокатки к аналогичным конструкциям, из Аб, Т1 - сплавов и аустенитной стали приводит к значительным погрешностям. Кроме того,холодная прокатка сопровождается снижением пластических показателей сварного соединения,неравномерностью

'пластических деформаций »создаваемых по толщине прокатываемого материала. Для существенного снижения остаточных напряжений необходимо выполнять прокатку по всэй ширина зоны пластических деформаций укорочения. ■

Повышение пластических показателей сварного соединения,производительности процесса,а также возможность воздействия ка околошовную зону только при прокатке-металла шва достигается,если осуществлять прокат 1-у непосредственно Еслед за дугой при температурах горячо:! деформации или на стадия кристаллизация сварочной ванны. Однако,многие научные аспекты методов дефорыационно--гехнологического направления не решены. В частности,не изучены закономерности¿етфмированвя материала в очага деформации при местном нагруженвн.ке определены критерии качественного формирования сварного соединения при совмещенном процессе сварки и прокатки в различных температурных зонах,не разработаны физические, и математические подели процессов. Отсутствуют руководящие материалы для реализации новых технологических процессов. Решению Поставленных выше кардинальных вопросов по проблеме повышения работоспособности сварных тонкостенных конструкций при использования методов деформационно-технологического направления посвящены реферируемые низе главы диссертации.

Глава 2 посвящена установлению закономерностей развития холодной деформации при местном нагругении путем прокатки • или осадки.

■ Взаимосвязь элементов деформации при деформировании представлен,*" в работе на основе постоянства объема в виде следущего выражения:

Где ¿4 - деформация по Еысоте очага} 6* - продольная деформа»-цня; 1С. - коэффициент уширения. Значения £х находятся путем решения терыоиеханической задачи или приближенно по величине усадочной силы. Для определения Ку, количественно характеризующего Долю металла, перемещащегося в поперечном направлении при деформировании его по толщине,решается самостоятельная задача. Существующие пути определения Ку пригодны,в основном, для простых схем нагрукешш (осадке баз внешних зон,отсутствий напряжений, однозначность коэффициента тремя по различным направлениям) и учитывают лишь геометрические размеры очага в горизонтальной плоскости.

Автором для определения К^. при прокатке с внешними зонами использован принцип равенства работ на заданном перемещена'!!.

Работа внесших вертикальных сил с учетом сил трения .приложенных к элементу с внешними зонами,заменен работой только горизонтальных сил,приложенных к свободным границам тела. Сопротивление внешних зои.нащшзешш.вызванные сваркой,формой прокатного ролика и дополнительными технологическими напряжениями представлены в формуле -как доли горизонтальных сил,эквивалентные по своей работе на заданных перемещениях вертикальной силе скатия. .. Применительно к коротким очагам,размеры которых соответствуют прокатке сварного соединения,окончательное выражение для определения Ку имеет вид: ' _

Ц -/>, й)0*2гчт6пУ/,о ]-<

где ЪЯ>А0 - ширина зоны прокатки и высота металла перед'роликом;

- коэффициенты трения соответственно в продольном и поперечной направлениях; т - коэйфицзенг пропорциональности; , 6г - диаметр ролика и степень деформации по толщине; ьС , ^ -коэффициенты,зависящие от условий прокатки в продольном и поперечном направлениях в находятся из выражений:

е которыхс*е,5Э>с, - коэффициента,

учитывакпие влияние сварочных и <3 у.технологпчесгих б"х н, ^ У н ващшгений, сопротивления продольных и боковых внешних зон, а татю форму тгаша (ролика) на формоизменение при местном деформировании металла. Формулы для расчета этих коэффициентов при различных схемах прокатки с боковыми внешними зонами приведены в диссертация.

Графический анализ изменения коэффициента уиирения показывает,что величина Ку зависит не только от пероховатости контактных поверхностей, но и от соотношения коэффициентов трения в продольно» и поперечном направлениях. Бра _/г/х= с росток их значений величина Ку уменьшается, а при /4 у увеличивается. . .. . Наличие боковых внешних зов,продольных растягивалцих,как свароч~ кых.так я дополнительных технологических 'напряжений,использование меньшего диаметра прокатных роликов при постоянной степени деформации ведет к снижения величины смещаемого объема металла в поперечной направлении. Большое влияние на величину Ку оказывает схема прокатка. При прочих равных условиях выполнение прокатки неприводныыи роликами о подпором увеличивает Ку по сравнетга с прокаткой путем натякення. Повышение температуры материала ска-

вывается на Формоизменении в такой степени,в какой изменился коэффициент поверхностного грения. Таким образом, изменяя шероховатость контактных поверхностей,диаметр прокатного ролака,величину и знак дополнительных технологических напряжений можно в широких пределах регулировать направленность течения металла в очаге деформации и тем самым использовать способ прокатки шва ролпкаш в различных целях: компенсации только продольных деформаций .продольных и поперечных деформаций,радикального улучшения свойств всего соединения.

Экспериментальная оценка предложенной математической модели подтвердила как её высокую достоверность,так и правильность тех физических предпосылок, которые приняты при выводе коэффициента уширения. Следует таюле отметить.что формула для определения Ку может быть использована для расчета формоизменения яри свободной и местной осадка с.различным соотношением размеров очага деформации.

В главе '3 приведены результаты исследований по влиянию осноенех параметров деформирования на работоспособность сварных соединений из Т1 и А€ сплавов, аустенитной.стали 12П8НЮТ, сформулированы и экспериментально подтверждены критерии выбора оптимальных рекшмов прокатки для- различных температурных диапазонов. Выбор температурных зон произведен на основе предложенной автором классификации способов местного пластического деформирования,согласно которой способы односторонней прокатки подразделяются на: высокотемпературную-® диапазона Тл-Гс7 горячую-в диапазоне (0,55-0,?) ТДЛГ теплую - (0,35-0,5) Тпл; холоднуга-при температурах ниже 0,3 ТЦЛТ комбинированную, являвдуюся_ комбинацией двух и более способов и осуществляющих воздействие на металл шва одновременно. Кроме этого.предложенная классификация позволяет наметить пути повышения эффективности способов местного пластического деформирования за счет приложения к очагу дополнительных напряжений,позволяющих,в зависимости от знака напряжений,интенсифицировать процесс течения металла в продольном или поперечном направлениях.

Рассмотрим последовательно уоловпя качественного формирования соединения при различных способах прокатки.

Высокотемпературная прокатка(ВТД).Сущность этого способа заключается е том,что пластическому деформпрозашш подвергается хвостовая часть сварочной ванны(рис.1). Приложение деформирующего усилия Еидоизыенкет схему-кристаллизашш из плоской на

объемную. Причем в центральной части шва доминирующее влияние оказывает теплоотдача в ролик и подкладку. Это подтверждается математическими моделями процесса затвердевания,Ьоставленными.. для каждого участка сварочной ванны по оси шва,на основе равенства количества теплоты,теряемого металлом и количества тепла, отводимого в ролик и подкладку,т.е. dQ1-c/Ql. Для I участка- передней части сваренной, ванны^л котором осуществляется отвод теплоты перегрева расплавленного металла в формирующую подклад-ку.уравнение теплового баланса имеет вид:

сЪк^Ъ^СГ*-тм 'гда' 'iЦщЩё^ТвЦ

- коэффициент теплоотдачи от расплавленного металла к подкладке. Протяженность первого участка равна:

1 4 i Of), • О«_ \/*~tn,/J !

где =i/J„{ • с; Вмс' /ЛстЯ"**'; V - скорость сварки; Тл, Тд - температура ликвидуса и температура подкладки на I участке.

Для третьего участка - хвостовой часта сварочной ванны (со стороны ролика):

t,[bp *w(c*c 'с<)> T+jM-Qfa-rjM .rae

£ -/у^' é' % > ¿ г - ■««■— »

эффициент теплоотдачи от жидного металла воде; tyt/o - удельная теплота кристаллизации; Ся, Ск - удельные теплоемкости жидкого и закристаллизовавшегося металла; Ткр, aTRp - средняя температура кристаллизации и интервал кристаллизации; ТЕ - средняя температура воды в ролике;o¿2_K, - коэффициенты теплоотдачи

/ В** • В,х . в*-Bp

0¿B = 0,336 Vfi0,85 (I + 0,014 тв); VB - скорость потока воды ' в ролике.

Высота закристаллизовавшегося металла со стороны ролика:'

./• »где

г* V*/f*fi'Q5(c-Jtc+clc)&Т*р;Вхс-Bt-Api*-Хр^Т^)

с* \ZFAt • Др ¿в[2Вэи<Вр +в*(вр +В»с)];

8р - толщина стенки ролика. .

Для второго участка - центральной части сварочной ванны и третьего участка со стороны подкладки равенство имеет вид:

Ъ'фжр'0.5(с*с +С*)(Тжр~Тс)Л ^Де

... / 4— * Ф2--* 4~ V - Эффективный коэффд—

' '«ЛСчС Ле 1-И -Ля &Л-С/

циент теплоотдачи от. жидкого металла сварному стоку; оС к_к, о^„ - коэдаТчипиенты теплоотдачи, определяемые как и в предыдущем случае. Высота закристаллизовавшегося металла со стороны подкладки:

р-Вж-Яж-Вс'-Ак'^СТф-Ъ); а=Вм-В* 6„ • Л*);

В - толщина свариваемого материала; § ц - толщина подкладки.

Графический анализ полученных выражений показывает, что толщина закристаллизовавшегося металла,а следовательно, степень переохлаждения со стороны ролика,возрастают о увеличением диаметра прокатного ролика,степени деформации, толщины свариваемого материала,теплопроводности иатернала ролнка.а также с уменьшением скорости сварки я толщины стенки ролика. Толщина заиристалли-зоваваегося металла со стороны подкладки также определяется скоростью сварки,материалом и толщиной формирующей подкладки.

Кроме пере охлаждения на формирование первичной структуры металла шва существенное влияние сказывают условия деформирования и степень деформации. При кристаллизации под давленвеы.когда расплавленный металл не выходит за ось ролика,вероятность получения иалкозорнистоЛ структуры по всему сечению шсокая и в основ-

12

ном определяется степенью деформации по тшщине материала в зоне прокатки. Это по^веридается характером микро-и макроструктуры. При сравнительно небольших обкатпях?с5г < 3 + 5Й, её элия-ние проявляется лишь в прикоптактных зонах. С увеличением степени ебкатая действие ролика на дисперность структуры по сечению шва возрастает и при <5г ^10 * 12% мелкозернистая структура охватывает все сечете. Измельчение,структуры при увеличении' степени деформации проявляется за счет роста двух факторов: переохлаждения п давления ролика .которые способствуют образованию по оси шва зародышей меньшего критического размера,а также увеличения их числа за счет дробления уже образовавшихся кристаллитов на гранит сплавления. Если же расплавленный металл еьходлт за ось ролика неоднородности зерна по соченлю шва не удается избегать и при значительно:: степени дейортщш. Оптимальные степени "деформации при кристаллизация металла под даЕлепием,кроме формирования мелкозернистой структуры,определяются тате и эффективностью предотвращения сварочных перемещения. Установлено,что наибольший эффект по предотвращению деформаций достигается прп полном заглаживании оптимальных усилен;;:" шва заподлицо с основным ыатерп'иш. Пр" этом эффективность правки достигается до 90??,

Значительное сгаженш остаточных переиецемяй с применением ■ BT1I происходит в результате существенного уменьшения неравномерности распределения пластических деформаций укорочения по толщине материала и предотвращения возможности депяанадии стыкуемых кромок вследсгЕии их гарантированного подаагия к подкладке.

Измельчение зерна при ВТП положительно сказывается на широком спектре характеристик сварного соединения: пределе прочности, угле загиба,ударной вязкости.циклической прочности,коррозионной стойкости,косвенно свидетельствующих.о повышения работоспособности СЕарной конструкции. Так,на оптимальных режимах деформирования повышение перечисленных выше характеристик для сплава BTI-I следующее: 6В на 10/5; .ei на 40КС - в 2,3 раза; б на 355?.. Содержание водорода в .шве упало более чем на 1Сплотность' металла шва возррела на 1%.

Горячая поокатка (ГП). Основными параметрами процесса являются температура деформирования и степень деформации,которые в ходе' исследований на сплавах А'Лгб и В92 варьировались в интервалах: Т - от 300° до 525°С; £г - от 2 до 35$. В указанных интервалах в большей степени обнаружено изменение таких показателей как угол загиба,ударная вязкость шва. 3 меньпей степени преде-

ла прочности,уровня остаточных напряжений и перемещений. Мак- 1 симальная эффективность правки достигнута немного более 30/5, а уменьшение максимальных напряжений растяжения не более 10+15$. Кроме того,для термически упрочняемого сплава В92 отмечено заметное влияние на сЕОЙства сварного соединения при совмещенном процессе сварки и ГП скорости сварки. Исходя из анализа прочностных и пластических показателей сварннй соединений оптимальные параметры деформирования находятся в следующих диапазонах: для сплава Б92 - Тэ = 380°- 45С°С; &г = 10+20^; V= 24-35м/ч, для сплава АЫгб- Тд = 390°-:-420°С; 6г= 15+25^,

Улучшение пластических показателе!! в установленных диапазонах деформирования составляют по углу загиба для сплава В92-- болое чем 2,5 раза.а для сплава А;.1г6 - в 3 раза. Такое радикальное повшение пластичности после ГП обусловлено структурным состоянием зоны соединения, характеризующимся однородной и диспергированной структурой по всему сечению шва. Формирование мелкозернистой структуры при ГП происходит за счет дробления первичных кристаллитов. Этот процесс приобретает объедини характер при ¿¿>7+8$. По Мере дальнеЕшего увеличения ¿i линия сплавления разыыЕается,подавляются ыакронеспладности.

Холодная прокатка ( ХП ). Основным параметром этого процесса является степень деформации. ХЛ применяется для устранения сварочных перемещений и уменьшения уровня остаточных напряжений.

В работе предложено находить из условия равенства усадочной силы,создаваемой пластической деформацией укорочения от сварки.реактивной силе,определяемой объемом пластических деформаций удлинения от прокатки,т.е.

Рус Яс >' ы?а. Ао .

Откуда,при условии,что ¿х„л уу(| - ¿¿(I - Ку), определяется требуемая степень деформации

(5

где В - коэффициент,учитыБачадий влияние материала,режина сварки, кесткостипконструкции на величину усадочной силы; /V - погон-, ная энергия сварки.

Величины коэффициента В(Нсм/Дк), полученные экспериментально для сплава. ВТ1-1 и стали 12ХШП0Г в зависимости от удельной погонной энергии сварки <? (кДя/см2) находятся соответственно из следующих выражений: ВТ| = 21 - 0,18 ; = 19,82 - 0,42 9 ¿Уб . '

Расчитанные по приведенной Математической модели требуемые степени деформации для устранения сварочных перемещений удовлетворительно согласуются о экспериментальными данными. Расхождение в результатах составляет менее 10%.

Комбинированная прокатка'( КГГ ).Отличительной особенностью процесса является то,что деформирование происходит одновременно в двух температурных зонах: в высокотемпературной и в зоне'теплой или холодной деформации. При этом достигается комплексное воздействие на зону соединения. За счет высокотемпературной или горячей деформации - улучшение пластических показателей,формирование дисперсной структуры по всему сечению шва, а посредством холодной деформации устраняются сварочные деформации и остаточ ные напряжения растяжения. Реализация КП на практике возможна по двум схемам: со свободными роликами и жестко связанными роликами. Каждая из схем имеет своп преимущества. Первая - возможность плавного регулирования и независимого задания усилия на каждый ролик, а вторсй^более глубокого воздействия пластической деформации от прокатки из-за сжимающих напряжений между ролпкаг" на околоиовную зону. Вне зависимости от схемы КП повышение температуры деформирования под вторым роликом вызывает умгньшение эффективности снижение уровня сварочных напряжений. Особенно заметно это происходит при температурах,вызывающих интенсивное разупрочнение материала. Компенсация пластических деформаций от сварки при КП.жестко связанными роликами достигается при степенях деформации несколько больших"., чем при одноступенчатой прокатке при той же температуре. Это связано с том,что часть продольных пластических деформаций под вторил роликом перераспределяется в поперечном направлении и для компенсации продольной усадки от сварки необходима большая степень деформации по высоте очага. Нереализованное удлинение металла на отрезке между роликами вызывает также перераспределение пластических деформаций под первым роликом. О перераспределении металла в поперечном направлении свидетельствуют измерения твердости,распределение продольных остаточных напряжений,улучшение прочностных характеристик, а также результаты рентгеновского и электронномикроскопического исследований. В случае КП структура мелкокристаллическая со слабой негомогенностью при незначительном наклепе не только в шге, но и в зоне сплавления. На контрольных же образцах рефлексы крупные,размытие дуплета значительное. Сопоставление рентгенограмм указывает таете на то,что остаточные напряжения второго ро-

дйуобразцах, сваренных с применением КП, нижн по сравнению с исходный состоянием.

В главе 4 рассматривается численное определение температурных поле!; при совмещсштх процессах_ сварки и прокатки. Венду того,что депортирование осуществляется в различных температурных зонах,подход к определению температур залохэн разный. В высокотемпературной зсне необходимая точность получена численным решением уравнения теплопроводности вида:'

#/4> i/> 4 а>=о, ■

гдд С]и , 9С - удельные мощности сварочного источника и стока теплоты соответственно с координатами Х,У и В - удель-

ная мощность поверхностно:; теплоотдача; X, сУ - теплопроводность а объемная теплоемкость металла; Т - температура точек пластины.

При постановке и решении задачи сделаны допущения:

1. Рассматривается темпэратурное поле предельного состояния;

2. Теплоотдача е зона прокатки складывается^из теплоотдачи в ролик и подкладку;

3. Контакт ролика с металлом и металла с подкладкой идеальный;

4. Зависимости генлоироводпости,объемной тешюемкоатп и коэййи-• дкента черноты от температуры представлены в'виде кусочно-линейной апрокспмадии. » ■

Сварочный источник и сток теплоты заданы в уравнении из предположения нормального характера их распределения:

где <р0 - мощность сварочного источника; ф0 - эффективная мощность стока теплоты в ролик и подкладку; <5" - толщина пластины; £ - радиус активного пятна нагрева; Х0, У0 - координаты источника; И. р, Я п - эффективные коэффициенты теплоотдачи в ролик и подкладку; Г,Тр,Тп - температуры металла в зоне прокатки,про-катного ролика и подкладки.

Отличительная особенность рассматриваемой зодачи состоит в том, что решение задачи разбивается на несколько этапов. Первоначально с использованием классического радения,полученного методом источников.находится начальное температурное поле,которое является исходным для расчета уточненных температур по доМерен-

циалыюму уравнению теплопроводности. Tío результатам зго решения определяется координаты стока (место установки прокатного ролика). На втором и последующи этапах производится уточнэнпе положешш ролика относительно источника ввода энергии с учетом отвода теплоты в ролик и подкладку.

Решение дифференциального уравнения выполняется методом конечных разностей.в основу которого.полсасен высокоэЗйекгпЕНИй итерационный процесс. Для реализации его высокотемпературную область разбивают на прямоугольные элементы с размерами аХ, л У, а дифререшшальное уравнение преобразуется в систему алгеорал-4ecKÍJX уравнений путем замены частных производных конечно-разностными приращениями.

Для организации вычислительного процессе разработан алгоритм и составлены программы по определению температурных полей при ВТП стыковых сЕарных соединений из сплава BTI-I ц стали I2XI8HI0T н КП сплава Б92, Анализ температурных поле/; с применением пронатэт в высокотемпературно!: области к баз прокатки свидетельствует о том,что с наложением стоков теплоты'результирующее температурное 1.оле видоизменяется. Это проявляется на термических циклах для точек,проходящих через очаг деформации но только местным,но и общим увеличением градиента температур позади ролика на всей ширине зоны прокатки. Степень переохлаждения деформированного металла растет с уме • ленаем скорости сварки,увеличением теплопроводности ролика,его диаметра и степени деформации.

Следовательно,изменяя параметры деформирования,ре:лш сварки, материал ролика,условия его охлакдения.мокно в широких пределах регулировать термический цикл сварки,время пребывания металла в области высоких температур и тем самым направленно влиять на свойства сварного соединения. Это хорошо согласуется с результатами испытаний и эксплуатационными характеристиками изделий, сваренных с прокатной. Сопоставление расчетных термических циклов с экспериментальными позволило сделать выеод.что предложенные физические и математические модели реально отражают тепловые процессы,протекающие при высокотемпературной и горячей прокатке в процессе сварки.

Результирующее температурное пола в низкотемпературной области находится путем суммирования температурных полей,определяемых аналитически от источника теплоты и двух стоков,расположенных в местах осуществления горячей и холодной деформации.

Значительная удаленность низкотемпературной области от места ввода источника и основного отбора теплоты,приходящегося на место установки первого ролика,позволяет с высокой точностью определять температурное поле,используя формулу Н.Н.Ракалина для точечного быстродвижущегося источника в пластине.

Глава 5 посвящена расчетному определению основных технологических параметров деформирования. К ним относятся: усилие прокатки,расстояние до места приложения деформирующих усилий относительно источника ввода энергии; высота усиления шва; диаметр прокатных роликов.

Усилие . прокатки ( Р ).Усилие на ролик определяет моменты, мощность, расход энергии при прокатке,жесткость деталей прокатной головки и воспринимающих нагрузку сварочных устройств и приспособлений. При прокатке узкими роликами,металл под роликом воспринимает сопротивление материала деформированию не только в зоне нагружения.ноиастороны внешних зон (продольных и боковых), т.е. задача о прокатке шва представляет собой задачу о прокатке полосы, нагруженной по контуру внешними с и лаг,и. Решение подобных задач в теории пластичности разработано только в общем Еиде. Наиболее полно решены задачи без нагрузок по внешнему контуру.

В данной работе задача о прокатке шва рассматривается как задача о прокатке полосы,но о учетом внешних эон,сварочных напряжений и температурно-скоростных условий деформирования. Полное усилие металла на ролик Р определяется произведением среднего удельного давления в очаге деформации Рср на площадь контакта металла под роликом и на коэффициента и п'^ , которые учитывают соответственно действие продольных,боковых внешних зон и Елияние сварочных напряжений, т.е. Р = Рср'£Значения и определены экспериментально и представлены в виде следую-

где - расчетная толщина материала в зоне прокатки, при двухсторонней прокатке Ь0 ; при односторонней - И0р = 2 Ь0.

Величины РСр и а находятся посредством решения нелинейного дифференциального уравнения контактных напряжений вида:

В зависимости от направления течения металла в очаге деформации,очаг разбит на три зоны: опережения,торможения и ушире-ния.

ЩИХ иыпа»ений?

Решение дифференциального уравнения сведено к поиску минимума некоторого функционала и тхояденшэ экстремалей из урав-нония Зйлера путем применения модифицированного преобразования Лежапдра. Полученные выражения позволили получить распределение контактные напряжений по каждой зоне очага деформации.

В зоне опережения ,

В зоне торможения А., = ({- 41Х£— 2Г*

' АЛ ь '

В зоне уширения , /--т,,,- ^пь

ЧьчГ^ъ 'Щ АН ^ гелх V ]

На основе равенства напряжений на границах найдены линии раздела зон,а-путем интегрирования по контуру удельных нагрузок полученн выражения для расчета их площадей:

УоГМо ¿ЧА3»-*.* )_£ 7

где Хц координаты нейтрального сечения очага де-

формации (сечение,в котором касательное напряжение меняет свой знак); ¿¿' - длина очага деформации; £ - старина очага

деформации (в исходном состоянии равна ширине шва); с/ - диаметр прскатного ролика.

Среднее удельное давление для всей контактной поверхности ролика с металлом определяется по уравнению:

При определении среднего' удельного давления значение касательного напряжения Г5 .входящее в формулы по определению контактных напряжений по различным зонам,находили с учетом влияния температурно-скоростних факторов на сонротавлешш материала де-формиронанию. Применительно к рассматриваемым материалам и толщинам в работе приведены оптимальные усилия прокатки. Рассни.-танные значения усилий,особенно для Ш и КП хорошо согласуются с экспериментальными данными. Отклонения для этих процессов составляют на более 5,?, а для ВТП - 8,1.

Расстояние до места положения ролика относительно ввода ' анергии ( /. У определяет температурные условия деформирования. Смещение ролика относительно оптимального расстояния в направлении сварочной горелки или от неё отрицательно сказывается на характеристиках сварного соединения- Наибольшая точность при установке ролика требуется при ВНЕ. Для горячей,а особенно холодной прокатки требования по определению расстояния в связи с уменьшением градиента температур по длине шва снижайтся. В высокотемпературной зоне требуемая точность достигается решением дифференциального уравнения теплопроводности (см.гл.4). Кроме этого,для ВГЕ 1в может быть получено из условия качественного формирования сварного соединения,которое достигается,если расплавленный металл в хвостовой части сварочнс". Еанны не еыходпт за ось ролика и при этом закатывается оптимальное уснлениэ"щва заподлицо с основным материалом. Математически эти условия представлены" в следующем виде:

=6*4-

+ +((,„ ¿г) ,

из которого методом последовательных приближений с учетом ранее

полученных выражений для определения €-Сп< £з и ^'п• (см.гл.З) находятся оптимальные значения £ в.

Для горячей,теплой или холодной прокатки соответствующие расстояния ¿г, ¿т и 1Х могут быть определены из выражений:

тг=тн г" атс г+ атпл' тт=тн т~ дТс т' где Тд г , Тн т - температуры от сварочного источника на расстояниях '¿г и ¿т без прокатки; д Тс р, & Тс т - переохлааде-ние материала в месте установки ролика для горячей и теплой прокатки; -д Тщ. - повышение температуры от пластической деформации.

Значения Тн г, Тн т находятся и использованием метода ис- . точников и формулы мощного быстродвижущегося источника в пластине. При вычислении переохлаждения принимается допущение,что контакт ролика с металлом и металла с подкладкой идеальный. В работе приведены.конечные формулы и графики по определению ¿а , ¿г я ¿х для оптимальных режимов деформирования. Оценка-достоверности расчетных значений расстояний от места ввода • энергии до осп прокатного ролика путем сопоставления их с экспериментальны.«! данными свидетельствует о том.что предложенные математические модели адекватно отражают реальные процессы.

Диаметр прокатного ролика (с/ Важным технологическим

параметром как с-энергетической,так и с деформационной точек зрения,является диаметр прокатного ролика. Завышение его размера приводит к необходимости увеличения усилия прокатка,жесткости деформирующего л eocnpmm.sarqero нагрузку устройств. . Снижение диаметра прокатного ролика вызывает неравномерность распределения пластических деформаций и наярякений по толцине прокатываемого материала,а при его чрезмерном уменьшении слас-тическая деформация возникает только в приконтактяюс зонах.

Для ХП, вспользулцей относительно нзбольняе степени деформации ( £g < 3+4%), достаточным условием при назначении диаметра ролика является условие распространения пластической деформации на всю толщину прокатываемого штерпала. Применительно к односторонней 2Д это условие достигается при ишиыальаои диаметре прокатного ролика,равном""

В случае 1П по схеме "ролик-кролик":

<J2 * min

X min

Для ГП условие распространения пластическое деформации на всю толщину материала является недостаточным. Необходимо так:-: выполнить, условие,препятствующее возникновении в металле со стороны подкладки продолышх растягввагшх напряжений, превшн-щих 0,3 6"г материала в состоянии прокатка. Это для односторонней П1 Енполняется тогда, когда отношение средазй eüccte очага деформации к его длине не преаыиает 0,75. В соотьетстш! с этим минимальный диаметр прокатного ролика для ГО по схеме "ролик-подкладка" рассчитывается по ввранзняв;

drmin = 0,«48 2 - £€ )2/ ег

При ВТП давление роликом создается на жидкий иеталл, которое вне зависимости от диаметра ролика передается равномерно ло всем направлениям. Поэтому при выборе диаметра ролика необходимо руководствоваться'соображениями возшшгести осуцествления самого процесса,что определяется протяаенностыо сварочной ванны, я как следствие этого, расстоянием се оси электрода до места приложения деформирующего усилия. При известных значениях ¿. в,диа-нетре электрода <Уад максимальный диаметр прокатного ролика для КГЦ определяется Е_ ^ал^ ~л ,ГД0 й -.за-

зор мекду роликом а электродом.

усидание ива ( А с }. Эй^фектевность рассдатрегягах способов прокатки во многой определяется степень2з заглагнЕашш усиления

шва. Наибольшее влияние на характеристики сварного соединения (предел прочности,коррозионную стойкость,ударнуи вязкость,деформируемость и др.) достигается при полном заглаживании оптимальных усилений шва заподлицо с основным материалом. Поэтому усиление шва А ш следует назначать,исходя из изменения свойств сварного соединения после обработки.

При выполнении БТП таким критерием моает быть эффективность правки. Отклонения Ищ от оптимальных значений существенно снижают эффективность правки при БТП. За оптимальные И приняты те значения усиления шва,при которых деформируемость СЕарно-го соединения уменьшается более чем на 70*.что соответствует максимальной эфйективноцти большинства применяемых способов устранения перемещений. .. В работе получены ' ".аппрокстшрухщие зависимости И щ= / ( 5 ), которые применительно к рассматриваемым материалам имеют вид: дая стали 12Я8НШГ - И щ =0,0236 6" 2-0,116 ¿>"+0,773;

для сплава БТ1-1 - Л Шд =0,0283 Б" 2-0,13 5 +0,777. •

Бри выполнении ГП в процессе сварки таким критерием является диапазон степеней горячей деформации,который обеспечивает высокие характеристики сварного соедпнения.Внутри этого диапазона Ит = &£гг / ( I - £гг),

где ¿¿г - среднее арифметическое значение степени горячей деформации из диапазона оптимальных значений.

В случае КП в процессе сварки,кроме высоких характеристик сварного соединения .закатка усиления шва заподлицо с основным материалом долина обеспечивать и компенсацию, сварочных деформаций. Это достигается,когда

и бгГ6й, + £г*(1-Сг*У1

где С-гх - степень холодной деформации.

Глава 6 посвящена вопросам реализации,оценке эффективности и области применения деформационно-технологических методов повышения работоспособности сварных тонкостенных конструкций в промышленности.

Промышленное применение методов потребовало решения ряда технологических вопросов. К их числу следует отнести оценку ' влияния прокатки на изменения параметров режима сварка,стабильность характеристик механических свойств после прокатки.возможности использования прокатки для устранения дефектов внешнего

сформирования шва,разработку обрудования и оснастки,предназначенный- для реализации предлагаемых технических решений.

Выполнение сварки с прокаткой сопровождается стоком части тепловой энергии в ролак и подкладку. Установлено,что большая часть этой энергии не влияет на проплавлявшую способность дуги. Это подтверждается анализом макроструктуры,показывающим.что полное проплавление сварного соединения при сварке с ВТП и Ш , достигается за счет увеличения мощности дуги не более чем на 3-55. Относительно небольшое уменьшение проплавляющей мощности дуги объясняется тем, что при сварке с ВШ отбор теплоты идет с хвостовой части сварочной езнны, а при ГП с уже закристаллизовавшегося металла. Идентичность изменения х>лубшш проп-лавления сварки связано с тем,что больший отбор теплоты при ВГП на сплаве ВТ-1 и стали 12Х18Н10Т компенсируется при вшолнании ГО высокой теплопроводностью алюминиевых сплавсв АМгб и В32.

Другим Еаянш фактором промышленного применения способов местного пластического деформирования является высокая стабиль-' ность механических характеристик сварного соединения, прошедоих сварку с прокаТкой на оптимальных параметрах деформирования.Применение прок&тки н процессе сварки уменьшает как дисперсию, так и среднее' квадратичное отклонение отдельных результатов испытаний от генеральной совокупности. Причем,средние арн^'шг.чческле значения & „ и после сварки по предлагаемо:! технологии су-

с •

щестЕенно выше этих же величин по сравнению с существующей технологией.

Уменьшение дисперсии 6 „ и происходит в результате

а

того,что после обработки шов приобретает мелкозернистую структуру и,кроме этого,оказывается положительное воздействие в процессе прокатки на зону сплавления, являкчцуюся при существующих технологических процессах зоной слабины.

Одновременно с увеличением стабильности характеристик сварного соединения ВГП и ГП в процессе сварки позволяют значительно поёысить и несущую способность сварных конструкций,работающих при знакопеременных нагрузках. Последнее достигается тем, что в процессе обработки усиление ива закатывается заподлицо с основным материалом. В тех случаях,когда требуется удалить и проплав, предложен и практически осуществлен способ высокотемпературной деформации последовательно с двух сторон,с обеспечеш1ем глубины проплавления при первом проходе 0,65+0,6 а при втором С,5-»0,4 толщины основного материала.

Проведенные исследования позволили создать и новые технологические процессы по устранению строчных деформаций и перемещений после выполнения сварки. К ник следует отнести применение прокатки для правки тонкостенных конструкций с круговыми швами,а такге для правки балочных конструкций таврового профиля.

Контроль качества сварки с прокаткой с высокой достоверностью монет осуществляться разрушавший способами контроля, а для выявления наружных дефектов" путем применения внешнего осмотра или лзяшеспенгного метода. Для применения радиационных видов контроля,а так=е ульразвуковогс контроля,требуется провес денне дополнительных исследований по сщенке достоверности этих способов контроля,так как пластическое деформирование,уменьшая вероятность образования дефектов,вносит изменения в форму дефекта, их размеры к ориентацию в шве,т.е. изменяет всю картину дефектности Ецелои.

Применение способов цветного пластического деформирования вознояно на широкой номенклатуре тонколистовых и тонкостенных конструкций .нспользущях при своей изготовлении автоматическую сварку в среде защитных газов. При этой холодная прокатка в .процессе однопроходной сварка практически осуществима для различных материалов и толщин.Ограничением для использования ХП иоает быть только недостаточная: жесткость сварочного обрудова-ння. Горячая, а особенно ВШ,могут быть реализованы с определенной .различной для каздого материала толщиной. Это связано с физической возможностью осуществления пластического воздействия на ыеталл шва в соотЕетствушеЗ температурной гоне, удаленность которой от песта Евода энергии определяется теплофизическими свойствами материала,его толщиной и погонной. энергией сварки. Для скоростей сварки от до 36 и/ч,как наиболее широко используемого в проишленности диапазона скоростей,область применения ВТП в ГП представлена в виде дааграшы (рнс.3).

Для реализации новых технологических процессов, вюшчалцих в себя сварку н прокатку,разработаны в изготовлены ряд специализированных установок и созданы дефоринруэдае устройства, которые ыогут быть непосредственно встроены в существующие промышленные установки.

Разработанные руководящие матервалы.технологические процессы ,оборудование в оснастка внедрены ва ряде предприятий г.Омска, г.Красноярска и г.Калуги.

• Подробно прикладные результаты работы освещены а публикациях в переодической и специальной литература и отражены в упо-ьшнутом разделе диссэртацйонной работы.

ОСНОЕШЕ вьеоды И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Анализ путей ловышеная работоспособности сварных тонкостенных конструкций из А& ( б =2+10 мм), Тс' сплавов и аустенит-ноД стали ( £ =0,6*5 мм), изготовленных с применением автоматической дуговой сварки в среде защитных газов выявил следующие направления: металлургическое,конструкторское,технологическое и деформационно-технологическое.

Экспериментально показано,что наиболее перспективным из них является деформационное воздействие на зону соединения путем прокатки металла шва вслед за дутой.

2. Теоретически путем решения дифференциального уравнения теплопроводности установлено,что при совмещенных процессах сварки и прокатки температурное пола видоизменяется за счет интенсификации стока теплоты в пойкладку и дополнитг.зьного стога в прокатный ролик. •

• Установлено,что изменяя магерн&ч ролика,подкладки,их температуру в зоне контакта со свариваемым материалом всз:/.о;шо в широком диапазоне регулирований термического никла сварки.

3. Показано,что в зависимости от температурного диапазона деформирования способы односторонней прокатки целесообразно разделить на:

- высокотемпературную в диапазона Гл - Тс;

- горячую в диапазоне (0,55+0,7) Тпл;

- теплую в диапазоне (0,35*0,5) Т^;

- холодную при температурам ниже 0,3 Тдл;

- комбинированную, являющуюся'комбинацией дзу.: и более способов и осуществляющих, воздействие на металл вша одновременно.

Для рассматриваемые то.тгп л скоростей сзд^.;; белее 15 и/ч высокотемпературная и комбинированная (ЗТН + 1Ш) прокатка могут быть реализованы применительно к Т£' сплавал а аустанитной стали типа 12Л8Н10Т, а горячая и комбинированная (ГП + ХП) прокатки -- для алюминиевых спланоЕ.

4. При холодной и в нихнаы интервала температурного диапазона теплой прокатки основным параметром деформирования является

степень деформации.

Оптимальные значения этого параметра могут быть определены экспериментально,а такяе на основе математической модели,устанавливающей взаимосвязь степени деформации с условиями и характером течения металла под роликом.

Расчетами установлено,что, изменяя размеры очага деформации, шероховатость контактных поверхностей,знак напряжений в зоне прокатки ыояно видоизменять направленность течения металла под роликом от преимущественно продольного на поперечное и тем самым управлять степенью воздействия на околошовную зону,что особенно важно при СЕарке материалов с широкой зоной термического влияния,как,например,у алюминиевых сплавов.

Проведенные сопоставления показали,что экспериментальные значения не противоречат результатам,полученным аналитически.

5. При горячей и высокотемпературной прокатке основными параметрами являются температура деформирования и степень деформации.

Их оптимальные значения определяются экспериментально.

Применительно к высокотемпературной прокатке параметры деформирован.^! находятся из условий значительного повышения пластических показателей сварного соединения,сникеная более чем на 70!? перемещений, тонкостенных конструкций,уменьшения пористости и формирования за счет дополнительного переохлаждения сварочной ванны и дробления уже сформировавшихся кристаллитов однородной мелкозернистой структуры по всему сечению шва. Это достигается в том случае, если кристаллизация металла ива происходит под давлением и степень деформации по т6л!цинё~прй~полном заглаживании усиления шва заподлицо с основным материалом превышает 10+12%.

Устранение сварочных перемещений связано со снижением, неравномерности распределения пластических деформаций укорочения по толщине материала и предотвращения возможности депланации стыкуемых кромок в результате их гарантированного поджатия к подкладке. При прочих равных условиях эффективность устранения переие мещениЯ при сварке аустенитной стали выше,чем при сварке аналогичных толщин Т с сплавов.

При горячей прокатке образование дисперсной структуры по ■ всему сечению шва,обеспечивающей улучшение свойств сварных соединений, особенно их пластических показателей,ударной вязкости достигается при > Изынльчение структуры в этом случае

идет только за счет дробления первичных кристаллов.

6. В отличие от высокотеипэратурно;! и горячей прокатки комбинированная прокатка наряду с иоЕшениэм механических характеристик сварного соединения обеспечивает и устранение сварочных деформаций и остаточных напряжении. Эффективность комплексного воздействия на сварное соединение возрастает,если комбинированную прокатку осуществлять в кесткои обо&ле, которая из-за сдерживания деформаций в продольном направлении вызывает перераспределение части продольной пластической деформации под первым и вторым роликами в поперечную.

7. Оптимальные размеры роликов в рассматриваемых температурных диапазонах де.рор:.ироЕанпя доленк назначаться:

при холодной прокатке - из-условия распространения пластической деформации по всей толщине прокатываемого материала, что достигается,когда отношение среднего размера еьсоты металла в очаге деформации к его длине при двухсторонней прокатке на превышает 8,75, а при односторонней прокатке - 4,25;

при горячей прокатке - ышшмальнньг уровне« растлгпвамдих напряжений создаваемым в очаге деформации, который но должен превышать 0,3 €>т основного материала при температура прокатш. Это возможно,если отношение средней высоты очага делормапли к его длине при двухсторонней прокатке меньше 1,25, а при односторонней 0,7;

при высокотемпературной прокатке - возмо:кность»ссуцествле-ния самого процесса,что определяется протяженностью сварочной ванны,материалами ролика, подкладки и условиями их охлаждения.

8. Созданные математические модели совмещенных процессов СЕарки и прокатки позволяют для рассматриваемых толщин,материала и способов сварки определять в условиях местной деформации, сварочных напряжений,переменных температур технологические параметры деформирования: усилия прокатки,расстояния приложения усилия от места ввода тепловой энергии,степень деформации,необходимую для устранения сварочных перемещений и величину общего усиления шва из условия заглаживания его заподлицо с осноеным материалом.

9. Исследования слохных,одновременно протекающих процессов сварки и прокатки металла в различных температурных зонах,позволили создать новые технологические процессы,защищенные авторскими свидетельствами н разработать средства для их реализации.

Элементы теории,оборудование и осназтка для осуществления

воздействия на сварное соединение с целью повышения работоспо- ' собности сварных конструкций опробированы,внедрены в проиводст- -во,учебный процесс на ряде лредприят:!!: и организаций разных ведомств с обпш.1 экономическим эффектом сЕыае 900 тыс. рублей.

Основные результаты работы отражены в следуздих работах:

1. Сагалевич В.I.!.,Кондаков Г.5. Высокоскоростное пульсирующее деформирование как метод снятия напряжений к устранения де-фор.чашй//0статоч:-ше напряжения- и прочность сварных соединений

и конструкций.-!.!. :Мачшнострое1Шв,1962.-0.105-110.

2. Сагалевич 3.П.,Кондаков P.O. Устранение сварочных напряжений и деформаций в конструкциях из ыагнпеввх и алшшшевых сплавов высокоскоростной про •соЕкой//Технология, организация и механизация сварочного производства (№ЕЕ2©ООК;ЯГЯ^1-1АЫ) .-1971,-J'2.~C.28-44.

3. Сагалевич В.г.!..Кондаков Г.Ф.Дйлехин Е.С. Сваренные деформации и напряжения в конструкциях из алюминиевых сплавов// Технология,организация и механизация сварочного производства (ШШЮ0Р;.ГГЯ".3.-Ш).-1971.-^9.-43 с.

4. Кондаков Сагалевич B.Li, Устранение деформаций и напряжений в тонкостенных конструкциях из титшгоеых сплавов путем пластического деформирования металла шва//Разработка п внедрение прогрессивных методов сварки и изготовление сварных изделий на предприятия:! машшостроения:Тез.докл.науч,тех.конф.-Омск, I973.-C.221-223.

5. Кондаков Г.Ф. Влияние скорости нагружения на величину остаточных напряженпй//СовершенсгЕование конструкции наземного оборудоЕания:Сб.науч.работ«-Смск, 1972.-С.40-44.

6. A.C. 336373 СССР.Шй3 с22 1/04. Способ терыомехшшчес-ког1 обработки сварных соединений/ Е.Г.Антонов,Г.у.Кондаков, ЗЗ.С.:1плехин,Б.Н.Морозов,В.Г'.1.СагалэЕИЧ.-Опубл.21.04.72,Бюл.Н4.

7. Сагалевич B.I.I. .Кондаков Г.О, Тепловые процессы при высокоскоростной проковке сварных швов/Дехнология изготовления заготовок в машиностроении.-¿¡.:¿¡ашностроение,IS7I.-С. ICS-I22.

С. Кондаков Г.З. .Партьшов А.Н. Пути повышения качества CEapHic: соединений из алюминиевых сплавов AiirS и 1920//Тез. до ¡сл. I Зсесоз.ионф. по сварке легких, нгетнпс л тугоплавких металлов и сшжеое.-Ivies,1278.-С.51.

9. Кондаков Г.С. ,Зас::льчеш:о В.Г. Исследование процесса высокотемпературной деформации алюминиевых оплавов//гфйвк!ив-28 ■ • - "

ность использования технических средств в Еузах PC'i>CP:t'!arep. науч.метод,конф..-Новосибирск,1976.-С.50.

10. Кондаков Г.'3.,3асильчанк0 В.Г. Высокотемпературная обработка СЕарнис авов//Гехнологдя, организация и механизация сварочного производства (НгаШ0Е-.?ГгЬШ1) .-1Э7У.-J5I5.-C. 13-17.

11. Кондаков Г.Ф..Мартынов А.Н., Мальцев М.В. Влияние некоторых технологических факторов на свойства сварных соединений сплава В92 // Там"не.-- С.5-13.

12. Кондаков Г.О. .Русаков 3.JÍ. Дуговая, сварка тонкостенных конструкций с прокаткой кристаллизующегося металла//Прочность

и технология изготовления сварные конструишй:Тез.докя.Зсесопз. науч.тех. конф.-,1,'. ,IS83'.-C.79-8I.

13. A.C. I0572I5 СССР. LiM¡3B23 к 9/16. Способ дуговой оварю1./Т.2.Кондаков,В.;.1.Сагалэвич,и.В.Г1етровопш,Р.1!.Ут:ашев.-Опубл. ЗС.П.83,Бюл.1>44.

14. Кондаков Г.^.,0рлнк Г.В..Спначев P.P. Применение высокотемпературной прокатки в среда защитных газов//1СС-летке изобретения сварки по методу Н.Г.Славякова и современные проблемы развития сварочного производства:Тез. докл. Зсесопз. науч. тех. конф.-ПермьДЭ88.-Ч.З.-С-.54-65.

15. Кондаков IVi>. Высокотемпературная прокатка в процессе СЕаркн стккових соеданений/УСварочное производство.-IS87.-JÍ5.-C.I-3.

16. Татавинов В.П..Сагалевич В.Н..иезенцева O.A.(Кондаков Г.®. Напряженно-деформационное состояние СЕарного соединения при обкатке и сварке//Гехнология, организация и механизация сварочного производства (Ш-ЕШФОКЯЯаШ) .-IS79.-i'I8.-С.26-^32.

17. Кондаков Г. -i. .Мартынов АЛ!. Горячая прокатка сезрных соединений из алюминиевых сплавов Ai.lr6 и В92//Актуалькка проблемы сварки цветных металлов.-Киев:Наукова дуыка,1980,-

С.272-277.

18. Кондаков Г.Ф.-,мартынов А.Н. Формирование соешшанйя при дугоеоЯ сварке с наложением принудительного давления//?аз-вигзе электродуговой сварки и резки металлов в СССР.-ХиевШау-кова думка,1982.-С.IC3-II0.

19. A.C. I5744C8 COCP.LUU3 323 к 28/00, Способ изготовления сварных соедпнениа/r.'i.Кондаков,А.И.Ыартшгов.-Опубл. ЗО.Об.ЭО.Бш.-'г24.

20. Кондаков Г.-5. Влияние способов местного деформирова-

29

' ния на величину остаточных: налрякешй и свойства сварного соединения//Сварочное производство.-198С.-Й5.-С.18-20.

21. Кондаков Г.Ф. ,Петренко 1.1.П. Определение температурного поля при местной деформировании в процессе сЕарки//Прогрес-сивные материалы,технологии и конструкции в машино- и приборостроении :Тез. докл. науч. тех. копф. -Калуга, 1990. -С. 30.

22. Кондаков Г.Ф. .АндрияноЕ.ГЛи Математическая модель по определению усилия при двухсторонней прокатке/Автоматизация исследовании,проектирование и испытание сложных технических систем :1ез.докл.Всесоз. науч. тех. Копу.-Калуга,1989. -С. 225.

23. Кондаков Г.Ф. Расчетное определенле оптимального расстояния ролика относительно электрода при высокотемпературной прокатке стыковых сварных соединений// Там se .-С.224.

24.' Кондаков Г.8. .Иваненко А.И, .Эстеркин I.H. Устранение сварочных деформаций в конструкциях таврового профиля//Свароч-ное производство.-IS86.-JSI.-с.39-40.

25.Кондаков Г.5. Определение параметров режима прокатки стыковых сварных соеданени2//Г1рогресспв1ше технологии в машиностроении и приборостроении:Трудн ¡.ИТ/ им.Н.Э.Баумана.-1989,-Й528.-С.85-1СС.

2S. Кондаков Г.5. Определение усилил при прокатке прямолинейных стыковых иеов//оконоыяя материальных, энергетических и трудовых ресурсов в сварочном производстве:Тез.докл.Всесоюз. науч.техн.конф..-Челябинск,IS85.-С.314-315.

27. Кондаков Г.ё. Расчетное определение усилия при высокотемпературной прокатке шва//Современные проблемы технологии машинос тро ения: Тез. докл. Ее е с огаз. науч. т ехн. кокф. -Li., 1986. -

С. 93-94.

28. Кондаков Г.О. Вопросы применения прокатки сварного соединения роллкаш//Технологические остаточные напряжения: ■ Материалы III Зсесоюз. спмпо зиума. -¿i.-Кутаиси, 1988.-G.225-22S. _ _ __; _

29. .А.С. СССР 1537433ГМ1Ш3. В23 К9Д6.23/0С. Способ ду-гоеоП сварки/Г.'З.Кондаков, Г.В.Орлик, Н.Н.Нпкитин, С.С.Адам-чук,Н.5.Еапцеря.-Опубл. 23.01.90. БшиШ.

ЗС. Перевозчиков С.Г.,Зитушш B.C. .Кондаков Г.З.,Сози-ное А.П., Математические модели и автоматизированное управление • прогрессивными технологическими процесса!,ш//1.1атериалы докл. на

'1988.-С .119-122..

31. Кондаков Т.О..Банцера Н.Э..Аульченко Ю.Г. Повышенна работоспособности сварных соединений из стали 12Х181ПОТ//Прог-рессиЕНыо процессы сварки в 1.шгностроании:Тез.докл.Бсвсоюз. науч.техн.конб. -Красноярск,1991.С.153-156.

32. Кондаков Г.О. Злпянае термодвформацпонного цикла на качественные показатели стыковых сварных соединений: Учебное пособие по курсу "Теория формирования сварного соединения".-Ы.,1991,-4.1.-31 с.

33. Кондаков Г.'5. Уменьшение пористости при дуговой сварке стыковых соединений из титановых сплавов/Д&ыэузоЕский сборня* научных трудов.,1932.-0.114-119.

высокотемпературной г.рокатке в процесса сварки. I - свариваемый материал; 2,- формирующая подкладка ; 3 - электрод; 4 - прокатной ролик; 5 - закристаллизовавшийся »¡еталл; б - жидкий металл; 7 - двухфазная область; 8 - сварочный стол

I - прокатываемый материал;-2 - ролик; 3 - жёсткая обойма;

4 - горелка; 5 - формирующая канавка; 6 - сварочный стол

0Т4 ЮХСВД ВМДЗ АМгб

ВТ1-1 ВСтЗ ЫА2-Г В92

12Х18НЮТ

Рис, 3. Области применения высокотемпературной и горячей прокатки в прогесс« сварки.