автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Моделирование кинетики напряжений и деформаций с учетом низкотемпературных фазовых превращений при лазерной обработке металлов

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ФОРМУЛИРОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Особенности распределения сварочных напряжений и деформаций при лазерной обработке металлов.

1.2. Анализ существующих методов расчета микроструктуры при многократном нагреве и охлаждении.

1.3. Анализ существующих моделей расчета свойств металла в температурном интервале фазовых превращений.

1.4. Анализ существующих методов учета фазовых превращений при расчете напряжений и деформаций.

1.5. Цель и задачи исследования.

2. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА РЕШЕНИЯ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ЗАДАЧИ.

2.1. Описание принятых физических и математических моделей.

2.2. Разработка метода расчета свойств металла в температурном диапазоне фазовых превращений.

2.3. Уравнения связи напряжений и деформаций с учетом фазовых превращений.

2.4. Алгоритм решения термомеханической задачи.

3. РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМА РАСЧЕТА НАПРЯЖЕНИЙ И

ДЕФОРМАЦИЙ.

3.1. Разработка программы решения температурной, металлографической и механической задачи с учетом фазовых превращений (на базе существующей компьютерной программы).

3.2. Сравнение результатов расчета тестовых задач с экспериментальными данными и существующими решениями.

3.3. Точность решения.

4. АНАЛИЗ ВРЕМЕННЫХ И ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

И ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКЕ.

4.1. Влияние фазовых превращений на кинетику напряжений и деформаций.

4.2. Влияние жесткости конструкции на остаточные деформации.

4.3. Влияние режима лазерной обработки на остаточные продольные, поперечные и угловые деформации.

4.4. Сравнение вариантов сварки разнородных соединений.

4.5. Лазерная гибка.

4.6. Рекомендации понижения остаточных напряжений и деформаций при лазерной сварке и повышения угловых деформаций при лазерной гибке.

ВЫВОДЫ.

Развитие и техническое перевооружение промышленности невозможно без создания качественно новых материалов и технологий, способных обеспечить снижение металлоемкости выпускаемой продукции, увеличение эксплуатационных характеристик и экологическую безопасность. К одним из наиболее перспективных и быстроразвивающихся технологических процессов можно отнести лазерные технологии [51,77].

Интерес к лазерному лучу обусловлен возможностью достижения высоких значений мощности и плотности потока энергии, а также легкостью транспортировки лазерного излучения. Эксперименты показали, что лазерные технологии позволяют не только экономить, но и получать материалы с новыми свойствами, недостижимыми с помощью традиционных технологий.

Отличительной особенностью сварки мощными концентрированными источниками энергии (лазерным и электронным лучом) является так называемое «кинжальное» проплавление, характеризующееся значительной глубиной при малой ширине шва.

Важными вопросами являются вопросы прочности и работоспособности сварных конструкций. Для их решения можно использовать как экспериментальные, так и расчетные методы. В связи с тем, что экспериментальные методы в большинстве своем трудоемкие и дорогостоящие, для оценки напряженно-деформированного состояния сварных соединений все шире используются численные методы, такие как метод конечных разностей и метод конечных элементов. В настоящее время метод конечных элементов является мощным средством решения дифференциальных уравнений, описывающих различные физические процессы.

Развитие и применение расчетных методов для прогнозирования прочности и работоспособности сварных конструкций позволяет свести к минимуму количество необходимых экспериментов, а, следовательно, и используемых материалов.

В отличие от экспериментальных, расчетные методы позволяют исследовать напряженно-деформированное состояние в объеме металла, что очень важно при прогнозировании прочности сварной конструкции.

Существует более двадцати коммерческих программ широкого назначения для решения задач методом конечных элементов [29,54,98,99]. Самыми распространенными среди сварщиков являются ANS YS, ABAQUS и SYSWELD. Данные программные продукты, за исключением последнего, не являются специально разработанными для сварки и поэтому не учитывают в полной мере специфики сварочных процессов.

Большое влияние на напряженно-деформированное состояние, а, следовательно, и на прочность и работоспособность конструкции, также оказывают низкотемпературные фазовые превращения [100]. Расчеты напряженно-деформированного состояния без учета фазовых превращений приводят не только к количественным, но и к качественным ошибкам. Поэтому в настоящее время остается актуальной проблема создания программного комплекса, позволяющего решать сварочные задачи с учетом характерных особенностей.

Разработке и реализации алгоритма решения термомеханической задачи с учетом низкотемпературных фазовых превращений и посвящена данная диссертационная работа.

Работа включает анализ современного состояния вопроса, непосредственно разработку и реализацию алгоритма расчета напряжений и деформаций с учетом низкотемпературных фазовых превращений, а 8 также примеры решения задач с использованием предложенного алгоритма.

ВЫВОДЫ

1. Разработанные модель и математический аппарат расчета напряжений и деформаций на основе связанных задач теории нестационарной теплопроводности, фазовых превращений и пластичности позволили учесть низкотемпературные фазовые превращения при решении термомеханических задач, в том числе применительно к лазерной обработке металлов.

2. Разработанные математические модели позволили уточнить алгоритм решения термомеханической задачи с учетом низкотемпературных фазовых превращений в металлах.

3. Показано влияние фазовых превращений в стали ниже 600°С на кинетику напряжений и деформаций при лазерной сварке. Для марганцовистой стали остаточные напряжения в ЗТВ, рассчитанные с учетом разупрочнения металла в температурном диапазоне фазовых превращений, в 3 раза больше, чем без учета этого фактора.

4. В результате учета влияния жесткости закрепления конструкции (граничных условий) на напряженно-деформированное состояние было установлено, что при лазерной сварки таврового соединения из стали 09Г2 жесткое закрепление кромок приводит к увеличению остаточных напряжений.

5. Разработанный алгоритм позволяет прогнозировать напряженно-деформированное состояние при высокоскоростном нагреве и вырабатывать рекомендации при решении конкретных производственных задач за счет возможного анализа большого числа технологических вариантов.

6. При лазерной сварке для уменьшения общих деформаций следует уменьшать погонную энергию. Для уменьшения остаточных напряжений следует делать шов шире, при узком шве объемность напряженного состояния высокая.

7. При лазерной гибке для получения как можно большего угла изгиба желательно, чтобы перепад температуры по толщине был в узком температурном интервале с низким значением предела текучести металла. Расширение пятна нагрева увеличивает угол изгиба за один проход.

1. Акулов А.И., Бельчук Г.А., Демянцевич В.П. Технология и оборудование сварки плавлением. -М.: Машиностроение, 1977. -432с.

2. Бельчук Г.А., Гатовский K.M., Кох Б.А., Мацкевич В.Д. Сварка судовых конструкций. -JL: Судостроение, 1971. -464 с.

3. Винокуров В.А. Сварочные деформации и напряжения. -М.: Машиностроение, 1968. 235 с.

4. Винокуров В.А., Григорьянц А.Г. Теория сварочных деформаций и напряжений. -М.: Машиностроение , 1984. 279 с.

5. Вологдин В.П. Деформации и внутренние напряжения при сварке судовых конструкций. -М.: МКАП Оборонгиз, 1945. 149 с.

6. Гатовский K.M., Кархин В.А. Теория сварочных деформаций и напряжений. Д.: ЖИ, 1980. -331с.

7. Гиршович Н.Г. Кристаллизация и свойства чугуна в отливках. —Л.: Машиностроение, 1966.

8. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. -М.: Машиностроение, 1989. -304 с.

9. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н. Лазерная техника и технология, книга 5, Лазерная сварка металлов. -М.: Высшая школа, 1988. -207 с.

10. Гуляев А.П. Металловедение. -М.: Металлургия, 1977. -647 с.

11. Жуков В.А. Механическая прочность и структура металлов. -Л.: ЛПИ, 1978. 74 с.

12. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация. М.: Мир, 1986.-318 с.

13. Калиткин H.H. Численные методы. -М.: Мир, 1978. -512 с.

14. Кархин В.А. Программный комплекс WELDDEF для расчёта полей температур, напряжений и деформаций при сварке, наплавке, резке,термической обработке и механическом нагружении//САПР и экспертные системы. ТулГТУ, -1995. -с. 51-59.

15. Кархин В.А. Тепловые основы сварки: Учебное пособие. Д.: ЛГТУ, 1990. -100 с.

16. Касаткин О.Г., Зайффарт П. Интерполяционные модели для оценки фазового состава зоны термического влияния при дуговой сворке низколегированных сталей//Авт. сварка. -1984. -№1. -с. 7-11.

17. Касаткин О.Г., Зайффарт П. Влияние фазового состава зоны термического влияния на ее механические свойства при дуговой сварке низколегированных сталей// Авт. сварка. -1984. -№2. -с. 5-10.

18. Кристиан Дж. Теория превращений в металлах и сплавах. Часть 1: Термодинамика и общая кинетическая теория. -М.: Мир, 1978. -806с.

19. Лашко Н.Ф., Лашко-Авакян C.B. Металловедение сварки (некоторые вопросы). -М.: Машгиз, 1954. -271 с.

20. Лившиц Л.С., Хакимов А.Н. Металловедение сварки и термическая обработка сварных соединений. -М.: Машиностроение, 1989. -336 с.

21. Любов Б.Я. Кинетическая теория фазовых превращений. -М.: Металлургия, 1969. -264 с.

22. Материалы в машиностроении. Том.2. Конструкционная сталь. Справочник/ под ред. Могилевского Е.П., -М.: Машиностроение, 1967. -495 с.

23. Материалы в машиностроении. Том.З. Специальные стали и сплавы. Справочник/ под ред. Химушина Ф.Ф., -М.: Машиностроение, 1968. -446 с.

24. Материалы в машиностроении. Том.4. Чугун. Справочник/ под ред. Жукова A.A. и Шермана А.Д., -М.: Машиностроение, 1969. -248 с.

25. Махненко В.И. Расчетные методы исследования кинетики сварочных напряжений и деформаций. Киев: Наукова Думка, 1976. -320 с.

26. Михайлов В.Г. Разработка, развитие и применение теоретических и экспериментальных методов исследования термических, структурообразующих, термодиффузионных и термомеханических процессов при сварке, дис. докт. техн. наук. -СПб., 1997. -352 с.

27. Неймарк Б.Е. Физические свойства сталей и сплавов, применяемых в энергетике. -М., 1967. -247 с.

28. Николаев Г.А. Расчет сварных соединений и прочность сварных конструкций. -М.: Высшая школа, 1965.

29. Николаев Г.А., Куркин С.А., Винокуров В.А. Сварные конструкции: Прочность сварных соединений и деформации конструкций. -М.: Высшая школа, 1982. -272 с.

30. Окерблом Н.О. Конструктивно-технологическое проектирование сварных конструкций. -M.-JL: Машиностроение, 1964. -419с.

31. Окерблом Н.О. Расчет деформаций металлоконструкций при сварке. -M.-JL: Машгиз, 1955. -212 с.

32. Окерблом Н.О., Демянцевич В.П., Байкова И.П. Проектирование технологии изготовления сварных конструкций. —JL: Судпромгиз, 1963.-602 с.

33. Петров Г.Л. Неоднородность металла сварных соединений. -Л.: Судпромгиз, 1963. -206 с.

34. Петров Г.Л., Тумарев A.C. Теория сварочных процессов. М.: Высшая школа, 1967. -392 с.

35. Попов A.A. Фазовые превращения в металлических сплавах. -М.: Металлургиздат, 1963.-311 с.

36. Попов A.A., Попова А.Е. Изотермические и термокинетические диаграммы распада переохлажденного аустенита. -М.: Машгиз, 1961. -430 с.

37. Рыкалин H.H. и др. Лазерная обработка материалов. -М., Машиностроение, 1975. -296 с.

38. Рыкалин H.H. Расчёты тепловых процессов при сварке.-М.: Машгиз, 1951.-296 с.

39. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979. -329 с.

40. Физическое металловедение: Фазовые превращения. Металлография. /Под. ред. Р. Кана. -М.: Мир, 1968. -490с.

41. Шоршоров М.Х. Металловедение сварки стали и сплавов титана. -М.: Наука, 1965. -336 с.

42. Шоршоров М.Х., Белов B.B. Фазовые превращения и изменение свойств стали при сварке. -М.: Наука, 1972. -220 с.

43. Akselsen О.М., Simonsen Т. Techniques for examining transformation behaviour in weld metal and HAZ A state of the art review//Welding in the World. -1987. -25(1/2). -pp. 26-34.

44. Andersson B.A.B. The stresses in a submerged-arc welded joint considering phase transformations.//Trans. of ASME. J. of Engineering Materials and Technology. -1978. -Vol. 3, Oct. -pp. 356-362.

45. Bashenko W.W., Demjanzewitsch W.P., Mitkewitsch E.A., Petrow G.L. Werteilung der Waermeenergie im Schweissbad beim Elektronenstrahlschweissen//Schmelzschweissen Metallurgische und energetische Grundlagen. -Magdeburg. -1976.

46. Berkhout C., Leut P.V. Anwendung von Spitzentemperatur-Abkühlzeit (STAZ)- Schaubildern beim Schweissen hochfester Staehle//Schweisses und Schneiden. -1968. -N6. -pp. 256-260.

47. Blake A. Practical Fracture Mechanics in Design. Marcel Dekker, Inc., 1996.tVi

48. Brooke S.J. Laser skid welding of T joints for ship fabrication//Proc. 5 Int. Conf. Lasers in Manufacturing. -1988. -pp. 165-176.

49. Buchmayr B. Computer in der Werkstoff- und Schweisstechnick: Anwendung von matematischen Modellen. -Duesseldorf: Dt. Verl. für Schweisstechnik, DVS-Verl., 1991.

50. Buchmayr В., Kirkaldy J.S. Modeling of the temperature field, transformation behavior, hardness and mechanical response of low alloy steels during cooling from the austenite region//Journal of Heat Treatment. -1990. -N2. pp. "127-136.

51. BudgifVars S. Computer aided welding (CAW)// IIW Doc. XII. -1992. -Vol. 1295. -p. 9.

52. Conserva M., Donzelli G., Trippado R. Aluminium and its applications. Ediment, Italy. -1992.

53. Denis S., Gautier E., Simon A. Modelling the mechanical behaviour of steels during phase transformation a review. Intern, conference on residual stress ICRS2. -London, 1989. pp. 393-398.

54. Denis S., Simon A. Discussion on the role of transformation plasticity in the calculation of quench stresses in steels/ZResidual Stresses in Science and Technology, ed. E. Macherauch, V. Hauk, DGM-Verlag, Oberursel, -1987. -Vol. 2. -pp. 565-572.

55. Denis S., Simon A., and G. Beck//Proc. Int. Conf. 'Eigenspannungen Entstehung-Berechung-Messung-Bewertung', Karlsruhe. Deutsche Gesellschaft fuer Metallkunde. -1983. -pp. 211-238.

56. Dette M. et al. Zähigkeits- und Bauteilverhalten von ferritischem Gusseisen mit Kugelgrafit und dessen Konstruktionschweisseignung mit Stahl//Konstruieren und Giessen. -1991. -16, H. 2. -s. 34-42.

57. Dette M., von Hirsch J. Friction welding of nodular iron structures and steel components//Welding and Cutting (Schweissen und Schneiden). -1990. -Vol. 42. -N 11. -pp. E188-E190, 578-581.

58. Dilthey U., Shu X. Studies into laser beam welding of the material combination cast iron with spheroidal graphite/steel using nickel filler material//Welding and Cutting (Schweissen und Schneiden). -1993. -Vol. 45. -N 6. -pp. E103-E104, 317-319.

59. Draugelates U., Schram A. Investigations on the heat-affected zone of welded joints made of the cast material GGG-NiCr 20 2//Welding and Cutting (Schweissen und Schneiden). -1992. -vol. 44. -N4. -pp. E78-81, 215-219.

60. F.M.B. Fernandes, C. Basso, S. Denis, A. Simon//Materials Science and Technology. -1985. -Vol. 1. -No. 10. -pp. 834-844.

61. Hougardy H.P., Yamazaki K. An improved calculation of the transformation of steels//Steel research. 1986. Vol. 57, No. 9. -pp. 466471.

62. J.C. Ion, K.E. Easterling and M.F. Ashby A second report on diagrams of microstructure and hardness for heat-affected zones in welds//Acta Metall. -1984. -Vol. 32. -pp. 1949-1962.

63. Karkhin V.A., Kreutz E.W., Pavlova N.O., Schulz W. Analysis of residual stress distributions in laser welded joints allowing for low-temperature phase transformations/^ Nordic Conference in Laser Processing of Materials. Lappeenranta (Finland), 1999.

64. Karkhin V.A., Kreutz E.W., Pavlova N.O., Schulz W. Modelling the temperature distributions and angular shrinkage in laser bending ofaluminium and steel sheets//?01 Nordic Conference in Laser Processing of Materials. Lappeenranta (Finland), 1999.

65. Karlsson L. Thermal stresses in welding.//Thermal Stresses 1, R.B. Hetnarski ed., Elsevier Science Publishers. -1986. -pp. 300-389.

66. Kirkaldy J.S. Prediction of alloy hardenability from thermodynamic and kinetic data/Metallurgical Transactions. -1973. -Vol. 4. pp. 2327-2333.

67. Kirkaldy J.S. and Sharma R.C. A new phenomenology for steel IT and CCT curves//Scripta Metall. -1982. Vol. 16. -pp. 1193-1198.

68. Klocke F., Ollier B., Dietz C., Johnigk C., Wissenbach K. Möglichkeiten der Prozessüberwachung und -regelung beim Laserstrahlbiegen von Blechwerkstoffen//Laser Magazin. -1996. -N2. -pp. 14-19.

69. Koerber C. Simultanschweissen eine Verfahrensvariante zum Schweissen von Grobblechen mit C02-Laserstrahlung//Schweissen und Schneiden. -1997. -49, N3. -s. 186-189.

70. Koistinen D.P., Marburger R.E. A general equation prescribing the extent of the austenite-martensite transformation in pure iron-carbon alloys and plain carbon steels//Acta Metallurgies -1959.-Vol. 7. -P. 59-60.

71. J.B. Leblond and J. Devaux A new kinetic model for anisothermal metallurgical transformations in steels including effect of austenite grain size//Acta metall. -1984. Vol. 32, No. 1. - pp. 137-146.

72. Leblond J.B., Mottet G., Devaux J.C. A theoretical and numerical approach to the plastic behaviour of steels during phase transformations

73. Derivation of general relations//!. Mech. Phys. Solids. -1986. -N4. -pp. 395-409.

74. Leblond J.B., Mottet G., Devaux J.C. A theoretical and numerical approach to the plastic behaviour of steels during phase transformations1.. Study of classical plasticity for ideal-plastic phases//J. Mech. Phys. Solids. -1986. -N4. -pp. 441-432.

75. Leblond J.B., Devaux J., Devaux J.C. Mathematical modelling of transformation plasticity in steels. I: Case of ideal-plastic phases//Intern. Journal of Plasticity. -1989. -pp. 551-572.

76. Leblond J.B. Mathematical modelling of transformation plasticity in steels. II: Coupling with strain hardening phenomena// Intern. Journal of Plasticity. -1989. -pp. 573-591.

77. McMahon J.C., Smith G.A., Lawrence F.V. Fatigue crack initiation and growth in tensile-shear spot weldments. In book: Fatigue and Fracture Testing of Weldments. McHenry/Potter (eds.). -1990. -pp. 47-77.

78. Mueller K., Koerner C., Bergmann H.W. Numerische Simulation der Eigenspannungen und Deformationen beim Laserstrahlrandschichthaerten //HTM. -1996, -Nl, -pp. 19-28.

79. Ollier B., Dietz C., Johnigk C., Wissenbach K., Klocke F. Umformen von Blechwerkstoffen mit Laserstralung/ZBänder Bleche Rohre.

80. Pusch G., Udoh A., Baer W. Flow fracture mechanical evaluation of a homogeneous welded joint from GGG-40 at static and dynamic stressing//Welding and Cutting (Schweissen und Schneiden). -1998. -Vol. 50. -N5. -pp. E78-E80, 275-278.

81. Radaj D. Finit-Element-Berechnungen von Temperaturfeld, Eigenspannungen und Verzug beim Schweissen//Schweissen und Schneiden. -1988. -Vol. 40 (6). -pp. 269-276.

82. Radaj D. Heat effects of welding. Berlin: Springer-Verlag, 1992.-348 p.

83. Rammerstorfer F.G., Fischer D.F., Witter W., Bathe K.J., Snyder M.D. On thermoelastic-plastic analysis of heat treatment processes including creep and phase changes//Comput. And Struct. -1981, -pp. 771-779.

84. Richter H., Palzkill A. Reibschweissen von Stahl mit Gusseisen mit Kugelgfafit/ZKonstruieren und Giessen. -1986. -11, H. 2. -s. 33-37.

85. Shuster M. Ductile Iron to Steel Weld Joining//Technical Proposal. -1997. -November 6-7.

86. Shuster M. Welding Joining Research Feasibility Study (Welding Type Selection)//Preliminary Report Stage 1. -1998. January.

87. Seyffarth P. Schweiss ZTU - Schaubilder. Berlin: VEB Verlag Technik, 1982. -233 S.

88. S. Sjostrom// Materials Science and Technology. -1985. -Vol. 1. -No. 10. -pp. 823-829.

89. SYS WELD. Numerical simulation of welding processes and steel quenching. -Ill p.

90. SYSWELD User's manual. -FRAMASOFT+CSI. -1994. -212 p.

91. Tsai C.L. Using computers for the design of welded joints//Welding Journal. -1991. -Vol. 70. -N 1. -pp. 47-56.

92. D.F. Watt, L. Coon, M. Bibby, J. Goldak and C. Henwood An algorithm for modelling microstructural development in weld heat-affected zones, (part A) Reaction kinetics//Acta metall. -1988. -Vol. 36, No. 11. -pp. 3029-3035.