автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка, развитие и применение теоретических и экспериментальных методов исследований термических, структурообразующих, термодиффузионных и термомеханических процессов при сварке

РГ6 од

На правах рукописи

_ о рг: ц <го,7

МИХАЙЛОВ ВЕСЕЛИИ ГЕОРГИЕВ

РАЗРАБОТКА, РАЗВИТИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ГЕРМИЧЕСКИХ, СТРУКТУРООБРАЗУЮЩИХ, ТЕРМОДИФФУЗИОННЫХ И ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СВАРКЕ

Специальность 05.03.06 - «Технология и машины

сварочного производства»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

- САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1997г.

Работа выполнена в Институте металловедения Болгарской Академии Наук.

Официальные оппоненты: член-корреспондент РАН,

доктор технических наук, профессор Лопота В.А.

доктор технических наук,

ст. науч. сотрудник Марголин Б.З.

доктор технических наук, профессор Судник В.А.

Ведущая организация: ГП ЦНИИ Технологии судостроения (г. Санкт-Петербург)

Защита состоится 26 декабря 1997 г. в 15 час. на заседании диссертационного Совет; Д 063.38.17 Санкт-Петербургского государственного технического университета п< адресу: Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, Химический корпус, ауд. 52.

Ваш отзыв на автореферат (1 экз., заверенный гербовой печатью) просим направляв по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул. 29, ученому секретари диссертационного Совета Д 063.38.17.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке университета. Автореферат разослан «.25.» ..ноября.. 1997 года.

Ученый секретарь диссертационного Совета доктор техн. наук, профессор

в■ А■ КаРхин

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Быстрое развитие техники было всегда связано в той или иной мере с непрерывным повышением потребления металлов. Ресурсы природы являются ограниченными, поэтому проблема снижения металлоемкости выпускаемой продукции в недалеком прошлом была одной из главных. На современном этапе развития эта проблема ничуть не устарела, а наоборот приобрела особый смысл в свете нового экологического мышления. Повышение прочности стали за счет легирования и применение более рациональных способов соединения приводит к уменьшению веса конструкций и к уменьшению энергоемкости в целом. Однако сварка легированных конструкционных сталей затруднена из-за опасности образования холодных трещин. Легирование азотом традиционных хромоникелевых нержавеющих сталей позволило значительно повысить их условный предел текучести. Под влиянием термического цикла сварки происходит перераспределение азота в сварном соединении, ведущее к неравномерному распределению свойств.

Таким образом, успешное решение проблем сварки связано непосредственно с получением информации о температурном поле, о формировании структурного и напряженно-деформированного состояния сварного соединения и о распределении газов в нем во время сварки. Одними экспериментальными методами невозможно проследить за протеканием процессов в глубине металла во время сварки. Эту возможность предоставляют расчетные методы.

Цель работы. Разработать, развить и применить теоретические и экспериментальные методы исследования тепловых, структурообразующих, термодиффузионных и термомеханических процессов, протекающих при сварке в сварном соединении, при решении конкретных проблем.

Методы исследования. Аналитические и численные методы решения задач теории теплопроводности и численные методы решения задач теории массопереноса и термопластичности. Экспериментальные методы исследования: температурных полей - термоэлементами; микроструктур -световым, просвечивающим и растровым микроскопом, микрозондом и др.; диффузионных процессов - масс-спектрометром и хроматографом; напряжений - рентгенографическим методом.

Научная новизна

1. Разработаны аналитические модели для расчета тепловых процессов при сварке с неравномерно распределенными плоскими, неподвижными и подвижными источниками тепла с изменяющейся во времени мощностью, которые можно применять для исследования процессов распространения тепла

при сварке дугой, вращающейся в матитном поле, трением и другими аналогичными способами сварки.

2. Разработана аналитическая модель для расчета тепловых процессов в пластинах при сварке подвижными концентрированными источниками тепла, неравномерно распределенными по толщине, которую можно применять для всех способов сварки плавлением.

3. Разработан алгоритм, основанный на методе конечных элементов (МКЭ) для расчета структурообразующих процессов в шве и ЗТВ с учетом максимальных температур нагрева.

4. Предложен расчетно-экспериментальный подход для прогнозирования склонности сварных соединений к межкристаллитной коррозии при сварке.

5. Разработана математическая модель перераспределения водорода и азота при сварке, учитывающая такие основные особенности процесса, как наличие нестационарного и неоднородного температурного поля, возможность термодиффузии под влиянием градиентов температуры и диффузии под влиянием градиентов свойств, вызванных в свою очередь различием в структурном, химическом и напряженном состоянии отдельных зон сварного соединения.

6. Определен коэффициент диффузии водорода при его проникновении через металлические мембраны из стали StE 890 в интервале температур 413К - 708 К и показано, что предварительная холодная пластическая деформация до 16.83 % практически не сказывается на проницаемости и коэффициенте диффузии водорода в этом же интервале температур.

7. Исследована десорбция водорода в условиях непрерывного нагрева проб из стали StE 890 и показано, что состояние поверхности оказывает решающее влияние на характер выделения водорода, сдвигая существенно температуру и величину второго максимума на кривой выделения.

8. Проведенными исследованиями по перераспределению водорода при электронно-лучевой сварке титанового сплава TiAI6V4 подтвержден феномен термодиффузии и показано влияние учета конвективных процессов переноса вещества в сварочной ванне на рассчитанное перераспределение водорода.

9. Определены температурные зависимости коэффициентов растворимости и диффузии азота для сталей ХЗ CrNi 19 11 и Х2 CrNiMo 18 14 3 в интервале температур 1273-1673 К. Для этих же сталей и для сталей Х2 CrNiN 18 10 и Х2 CrNiMoN 17 13 3 определены температурные зависимости коэффициентов растворимости азота в интервале температур 1873 - 2023 К.

10. Теоретически и экспериментально показано, что при аргоно-дуговой сварке неллавящимся электродом сталей, содержащих азот, имеет место деазотация шва во время сварки, ведущая к изменению коррозионных свойств сварного соединения.

11. На основе разработанных моделей и алгоритмов для расчета тепловых, термодиффузионных и термомеханических процессов в условиях сварки предложен подход для прогнозирования склонности сварных соединений к образованию холодных трещин,

Практическая ценность.

1. На основе созданных аналитических моделей разработана программа для расчета температурных полей при сварке давлением и плавлением. Программа успешно применяется для оптимизации режима сварки и исследования тепловых процессов в Институте металловедения Болгарской Академии Наук и Институте сварочной техники города Брауншвайга (Германия).

2. Разработан программный комплекс для расчета МКЭ тепловых, структурообразующих, термодиффузионных и термомеханических процессов в условиях сварки. Он успешно применен и для решения ряда конкретных проблем в области технологии металлов.

Апробация работы. Диссертационная работа, ее основные положения докладывались на 8 международных конференциях и симпозиумах (1985-97гг.), на 5 национальных конференциях и семинарах в России, Болгарии и Германии и на научном семинаре Технического университета города Брауншвайга (1993 г.), на научных сессиях Института металловедения и Научного объединения технических наук Болгарской Академии Наук (1987-91 гг.), на 24-ом научном семинаре сварочных кафедр технических университетов Германии (1995 г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 44 работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и общих выводов, изложенных на 355 страницах, и включает 14 таблиц, 173 рисунка и список литературы из 255 наименований.

Основное содержание работы

1. Некоторые проблемы сварки и возможности их решения применением

экспериментальных и теоретических методов исследований. Постановка задачи

диссертационной работы

Сварка, за непосредственным исключением холодной сварки давлением, связана с вводом одним или другим способом тепла в свариваемые детали, что сопровождается их неравномерным нагревом. Результатом воздействия неоднородного и нестационарного температурного поля являются в свою очередь изменения в структурном состоянии, перераспределение исходных и

дополнительно введенных сварочным процессом газов, возникновение сварочных деформаций и напряжений. После сварки температурное поле исчезает, но остается новая геометрия сваренных деталей, новые или перераспределенные старые структурные составляющие и новое напряженное состояние. Эти перемены в сварном соединении могут вступить в противоречие с некоторыми основными задачами сварки:

• Производство бездефектных соединений;

• Производство слабодеформированных конструкций;

• Обеспечение работоспособности сварного соединения (прочность, коррозионная стойкость, коррозия под напряжением и др.).

С другой стороны, процессы, протекающие в сварном соединении, являются зависимыми между собою (см. рис 1.). Пунктиром обозначены менее важные обратные взаимодействия. При сварке определенного материала или комбинации материалов (в том числе и добавочного материала) в соответствии с краевыми условиями сварки (форма соединения, окружающая среда, заделка, внешняя нагрузка и др.)

Рис.1. Схема протекающих в сварном соединение процессов и их взаимодействие.

формируются температурное поле, микроструктура, напряженное и деформированное состояние и перераспределение газов. В свою очередь температура оказывает непосредственное влияние на перемены в микроструктуре, на формирование напряжений и деформаций и определяет поведение газов. Обратным путем воздействует микроструктура и на температурное поле. Перераспределение газов зависит и от изменений в напряженном и деформированном состоянии. Тогда свойства сварного

соединения будут определяться локальным сочетанием этих факторов в любой момент времени. От знания их распределения, их кинетики и их взаимодействия зависит и успешное преодоление проблем, возникающих из-за их неблагоприятного сочетания.

К приведенным на рисунке факторам наверно нужно отнести и сопровождающее электросварку электромагнитное поле, но так как о его влиянии можно судить в пределах воздействия дуги, то отнесем его к краевым условиям.

Временное состояние комбинаций параметров на рисунке определить экспериментально во время сварки в глубине металла невозможно. Исходя из этих соображений и из современного развития процесса проектирования, когда конструкция создается в компьютере путем проигрывания различных ее вариантов, становится явным огромное значение расчетных методов исследования технологических процессов производства.

Сварочные проблемы можно условно разделить на две группы: проблемы, сопровождающие процесс сварки, и проблемы после сварки, связанные с эксплуатацией сварной конструкции.

К первой группе относятся проблемы сварки, связанные с обеспечением устойчивого ведения процесса сварки и обеспечением необходимого провара и формы шва. Причем проблемы устойчивости сварочного процесса сегодня обусловлены не ненадежностью источников питания или сварочных машин в целом, а физикой процесса взаимодействия сварочного источника тепла с подлежащим сварке материалом. Получаемая геометрия сварного соединения является результатом не только поведения сварочной ванны, но и всей термомеханики процесса сварки. К этой группе относится и обеспечение свободного от трещин, пор, несплавлений и других дефектов шва.

Исследования, проведенные Э.Л.Макаровым, показали, что из всех возможных сварочных дефектов самым распространенными являются холодные трещины. Пожалуй проблема холодных трещин является одной из самых комплексных проблем в сварке, в которой фокусируется влияние всех факторов, приведенных на рис.1. Второе место занимают горячие трещины, которые в основном появляются в процессе кристаллизации за счет усадки сварного соединения Одними из часто встречающихся дефектов являются поры. Интересным является тот факт, что возникающие проблемы по порообразованию связаны не с плохой защитой сварного шва, а с выделением тех газов, находящихся в основном металле, которые либо введены в него с целью его легирования, либо их наличие обусловлено другими технологическими процессами получения заготовок под сварку.

Ко второй группе относятся проблемы, связанные с обеспечением определенных прочностных свойств сварного соединения, с обеспечением его стойкости против межкристаллитной коррозии, общей и локальной коррозионной стойкости и др. Возможными являются и проблемы по обеспечению специальных свойств - например, создание немагнитных швов и др.

Механические свойства сварного соединения определяются в первую очередь его строением с точки зрения микроструктуры, прежде всего, самого шва и зоны термического влияния. При этом стремятся прежде всего повысить вязкость сварного соединения, избегая образования закалочных структур высокой твердости. Во многих случаях важным однако является концентрация газов, которая определяет механические свойства сварного соединения. С увеличением содержания водорода от О ррт до 100 ррт, например, падает ударная вязкость титана в холодно-деформированном и отоженном состояниях почти в пять раз, а с повышением его содержания от 70 ррт до 125 ррт уменьшается относительное удлинение титановых образцов при комнатной температуре в четыре раза. Легирование 0.2 % азота нержавеющей хромо-никелевой стали приводит к увеличению ее условного предела текучести на 300 МПа, а легирование 1 % азота повышает ее на 800 МПа.

Под влиянием термического цикла сварки возможно выделение карбидов, нитридов и др., ведущих впоследствии к межкристаллитной коррозии.

Таким образом, существует явная связь между задачами, стоящими перед сварочной наукой для обеспечения бездефектных соединений с определенными свойствами, гарантирующими их работоспособность, с одной стороны и протекающими во время сварки процессами распространения тепла, структурообразования, формирования напряженно-деформированного состояния и перераспределения газов с другой стороны.

Исследование последних в свою очередь во время сварочной операции в глубине металла экспериментально физически невозможно. Для получения этой очень важной информации единственную возможность предоставляет расчет. Адекватность математической модели определяется в свою очередь физической моделью, для уточнения которой необходимо проведение экспериментов. Опытным путем контролируют и расчетные результаты. В этом логическом круговороте вырабатывается стратегия решения поставленных проблем.

Из проведенного анализа сварочных проблем, причин их возникновения и теоретических и экспериментальных методов их исследования сформулируем задачи диссертационной работы:

• Разработка и развитие теоретических и экспериментальных методов исследования тепловых процессов и процессов структурообразования при сварке;

• Проверка работоспособности моделей и алгоритмов для исследования термических и структурообразующих процессов и их применение для решения конкретных проблем;

• Разработка, развитие и применение теоретических и экспериментальных методов исследования перераспределения газов при сварке;

• Расчетное прогнозирование и экспериментальная проверка склонности сварного соединения к образованию холодных трещин при сварке.

2. Разработка, развитие и применение теоретических и экспериментальных методов

исследования термических процессов и процессов структурообразования в шве и

ЗТВ [2, 5, 12,16, 21, 23, 32, 33, 35, 36, 43, 44]

В главе изложены некоторые аналитические и численные модели тепловых процессов, распределения структур и твердости и приведены результаты расчетов и экспериментов при параллельных сравнительных исследованиях.

Тепловые основы сварочной науки были заложены в работах H.H. Рыкалина и Д. Розенталя, опубликованных в 40-х и 50-х годах. Дальнейшее развитие получили они в работах В.И.Махненко, Н. Н. Прохорова, A.A. Углова, В.А. Кархина, В.Ф. Демченко, В.А. Судника, Дж. Голдака, Т. Захарии, С. На и ДР-

Аналитические подходы решения тепловой задачи связаны с подбором некоторого выражения, удовлетворяющего линейному дифференциальному уравнению теплопроводности и линейным краевым условиям. Обычными допущениями, которые принимаются при поиске аналитических решений, являются: упрощение геометрии сварного соединения (полубесконечное тело, пластина, стержень и др.); свойства материала (теплопроводность X и температуропроводность э) и коэффициент теплообмена с окружающей средой а г не зависят от температуры; схематизация распределения мощности сварочного источника тепла в пространстве и во времени (точечный, линейный, плоский и др., постоянный во времени), схематизация его перемещения и траектории его движения (неподвижный источник или прямолинейно-поступательное движение с постоянной скоростью).

Современное развитие теории сварочных тепловых процессов в области нахождения замкнутых аналитических решений сводится к снятию вышеупомянутых ограничений. Мы ограничимся учетом пространственного и временного распределения мощности сварочного источника тепла. Основным методом поиска решений при этом является метод источников (метод функций Грина).

Для получения более полной информации о температурных полях при сварке дугой, вращающейся в магнитном поле, при сварке трением, при стыковой контактной сварке сопротивлением или оплавлением, или для исследования аналогичных сварочных процессов применяют расчет. Однако существующие аналитические решения предполагают использование источников постоянной мощности. В современных машинах KUKA, Blohm & Voss, Hess и др. для повышения качества изделия применяют, например при производстве автомобильных колес (стыковая сварка обода), переменный цикл введения энергии. Это изменение осуществляется в широких пределах, что неминуемо сказывается на формировании температурного поля в свариваемых деталях.

Разработанная новая модель учитывает это изменение мощности во времени я,(т):

Л = —=9, +\р71 суг^ка 3

1и =--expf^/ч)/)t^)v/7Í'erД^X(>J). %

к,- =Г"зехР^2ф/). Зфу

2 1 2 1 2 V * -7-7' = «?

где х0- расстояние от свариваемого торца до точки наблюдения,у - плотность и Г - площадь поперечного сечения.

При известном изменение эффективной мощности дуги во времени производится ее кусочно-линейная аппроксимация, т.е. в общем случае рассматриваются N источников тепла. Если текущее время совпадает со временем действия /-ого источника, то все предыдущие 1-1 источники выключены. Тогда общее изменение температуры представляется как

Т{хв,0 = Тв + Ти{хо,1) + ]ГТ2^хо,0,

У-1

где Т0- начальная температура тела.

При условии, что текущее время превышает время горения дуги, т.е. все N источники находятся в выключенном состоянии, то

Разработанная модель не учитывает потери тепла через поверхность тела за счет

взаимодействия с окружающей средой. Этот факт имеет малое практическое значение при сварке толстостенных конструкций, но при сварке тонкостенных деталей (например, труб) поверхностная теплоотдача может оказать значительное влияние на развитие теплового поля, поэтому во второй модели теплоотдача учтена введением объемного стока тепла.

Для расчета температурных полей при некоторых способах сварки, как например сварки трением, возможными являются две дополнительные особенности сварочного процесса -неравномерное распределение источника тепла по торцам свариваемых кромок, обусловленное физическими свойствами поверхности контакта, и поступательное перемещение источника тепла во время сварки. Последняя особенность характерна в известном смысле и для контактной сварки непрерывным оплавлением. Эти особенности сварочного процесса ставят дополнительные требования перед математической моделью - учет пространственного распределения мощности источника тепла и его поступательное прямолинейное перемещение во время сварки. При разработке этой модели приняты дополнительно к уже вышеупомянутым допущениям следующие: свариваемые детали - трубы, у которых толщина стенки значительно меньше радиуса; заданное распределение мощности сварочного источника тепла на поверхности свариваемых кромок остается неизменным во времени, а сама мощность представима как произведение двух функцией ц^х) и д^ц); скорость передвижения источника тепла поступательно-прямолинейная и постоянная во время сварки. Решение для /-ого источника записывается в обобщенном виде как

' ° ' су я (Л -г )|_ п^Л-г)^ "(2(41) Д-г ]

где Я,г- внешний и внутренний радиус трубы, - расстояние от внутренней поверхности трубы до точки наблюдения, а выражения I и /(. являются функциями времени, мощности, скорости сварки и коэффициента теплоотдачи и зависят от состояния источника (включен -1 и выключен - 2). Общее изменение температур находится как и в первой модели.

В определенных случаях сварки, как например электродуговой сварки под флюсом, электроннолучевой, электродуговой сварки в среде защитных газов и др., в зависимости от комбинации режима и условия сварки наблюдается значительно более сложная форма ввода тепла, нежели описываемая известными схемами источника тепла - точечного, линейного или нормально-распределенного. Эти особенности учитывает разработанная аналитическая модель для расчета тепловых процессов в пластинах при сварке подвижными концентрированными источниками тепла,

неравномерно распределенными по толщине. Приведем решение для случая сквозного проплавления пластины толщиной э источником мощностью <?, представляя его в виде точечного поверхностного источника мощностью рч и линейного, равномерно распределенного по толщине источника мощностью

(Ш

УГ ~2а\

где г = -^х2 +у2 - плоский радиус-вектор, V- скорость сварки, К0 - функция Макдональда.

На основе созданных аналитических моделей разработана' программа для расчета температурных полей при сварке давлением и плавлением. Программа реализована при помощи транслятора С" и работает под управлением ДОС 6.22.

На основе МКЭ разработан алгоритм для решения задачи теплопроводности. Он реализован при помощи транслятора Фортрана в виде модуля программного комплекса для расчета термодиффузионных и термомеханических процессов при сварке, который работает под управлением ДОС 6.22.

Основополагающими исследованиями структурных перемен при сварке являются работы М.Х. Шоршорова и П. Зайффарта. В результате выявлены параметры термического цикла сварки, определяющие структуру сварного соединения, и построены диаграммы анизотермического распада аустенита, или диаграммы превращения аустенита в условиях непрерывного охлаждения для ряда сталей. Большое значение имеют и диаграммы, полученные М.Х. Шоршоровым в условиях непрерывного нагрева. Еще в конце 60 -х годов было известно влияние максимальной температуры нагрева на последующий распад аустенита. Обобщая данные для разных максимальных температур, Х.Ф Беркутом, и П.Х. ван Лентом была предложена диаграмма их учета. Несмотря на это нам не известна ни одна работа, которая бы учитывала в расчете влияние максимальных температур нагрева.

Таким образом, на основе рассчитанных температурных полей, аналитическим или численным методом, пользуясь соответствующими диаграммами (или регрессионными уравнениями), несложно теоретическое определение распределения структур и механических свойств шва и ЗТВ. Проверка расчетов осуществляется путем сравнения рассчитанных и экспериментально определенных структур, твердости, механических показателей и т.д. Металлографическое определение структур на

1 Совместно с Т. Розенером

10

изготовленных, полированных и протравленных микрошлифах, как и исследования просвечивающим и растровым микроскопом являются на сегодняшним этапе развития стандартом. Представляет интерес, например, автоматическое анализирование картин для определения границ или размера зерна, распределение элементов на поверхности полированных образцов при помощи микрозонда и ультразвуковой метод определения твердости 11С1 (Шгазошс-Соп1асЫтрес1апсе), который предлагает ввиду своей природы хорошие возможности к автоматизированию.

Для установления влияния термических циклов сварки в Институте сварочной техники в Брауншвайге разработана установка для их имитирования на образцах. Нагрев осуществляется проходящим током между медными принудительно водоохлаждаемыми зажимами специально сконструированного для этих целей приспособления. Пробы зажимаются с обеих сторон постоянным, контролируемым тензодатчиками усилием, что является условием управляемого нагрева. В качестве источника питания используется машина для контактной точечной сварки. Температура замеряется приваренной в середине образца платина-платинародиевой термопарой. Система управляется персональным компьютером.

Одной из важных проблем при сварке высоколегированных сталей является стойкость против межкристаллитной коррозии. Она определяется в первую очередь "С кривыми выделения карбидов или нитридов. Известными являются диаграммы, полученными в изотермических условиях. Возможные выделения при сварке происходят однако в условиях непрерывного нагрева и охлаждения. Построение таких анизотермических диаграмм, необходимых для сварочных целей, сталкивается с проблемой регистрации наступающих в металле перемен в процессе нагрева и охлаждения. Один из возможных путей решения предлагает разработанная2 в Институте металловедения - БАН установка термоэлектрического исследования поведения стали при охлавдении.

3. Проверка работоспособности моделей и алгоритмов для исследования термических и структурообразующих процессов и их использование при решения конкретных проблем [2-5,12,16, 21, 22, 24, 26-29, 42-44]

Разработанные модели являются инструментами для решения конкретных задач, которые нуждаются в соответствующей проверке их работоспособности и оценке точности получаемых ими результатов. Одновременно нужно определить границы их применения и, если необходимо, предпринять соответствующую отладку. Методически такие проверки не могут являться самоцелью, поэтому последующие примеры связаны более или менее с конкретными проблемами сварки,

2 К.т.н. Р. Добренмм

термической обработки и литья. Исходя из этих соображений и подчеркивая практическую важность обсуждаемых задач, в этой главе использовано дополнительное структурирование по проблемам, причем рассматриваются последовательно способы сварки давлением и способы сварки плавлением.

При сварке дугой, вращающейся в магнитном поле, зажженная между свариваемыми деталями дуга раскручивается магнитным полем, создаваемым катушками. Скорость вращения дуги зависит от ряда факторов, среди которых радиальная составляющая поля занимает ведущее место. Аксиальная составляющая поля является нежелательной компонентой, так как при взаимодействии с дугой она ведет к ее разрыву, что в свою очередь ведет за собой появление нерасплавленных участков на торцах деталей - холодная сварка. Соотношение между компонентами поля зависит от расстояния между торцами свариваемых магнитных материалов. В процессе нагрева за счет распространения тепла вглубь свариваемых деталей области, нагретые выше точки Кюри, переходят в немагнитное состояние, что автоматически ведет к увеличению магнитного зазора и, следовательно, к перераспределению составляющих. Дуга начинает гореть неустойчиво.

Значительного успеха можно добиться, управляя магнитным полем путем изменения тока катушек в соответствии с изменением магнитного зазора. Это предполагает наличие необходимой информации о температурном поле, которую можно получить с помощью первой модели, представленной в главе 2.

Для проверки точности полученного решения провели эксперимент по сварке труб из стали Ст2пс диаметром 33.5 мм и толщиной стенки 3.2 мм. Термические циклы снимали с помощью зачеканенных на расстояниях 3, 8.5 и 14 мм от торца хромель-алюмелевых термопар диаметром 0.5 мм. Показания снимались многоканальным самописцем с одновременной записью энергетических характеристик процесса (тока и напряжения дуги). КПД сварки считали пропорциональным изменению тока. При расчете изменение эффективной мощности аппроксимировали ломанной линейной зависимостью и принимали следующие теплофизические свойства: а=9 мм2/с и су= 4.5 Дж/(мм3К). Результаты эксперимента и расчета показывают, что между ними наблюдается хорошая корреляция.

Временное изменение мощности при сварке трением является функцией момента трения, скорости вращения и радиуса контакта. Если принять в первом приближении скорость вращения и площадь контакта постоянными, то мощность должна повторять поведение момента трения. Исследования по сварке трением, проведенные в Институте сварочной техники в Брауншвайге, подтверждают это. Вначале происходит быстрое увеличение момента трения и он достигает своего максимума. Это сопровождается быстрым повышением температуры свариваемых кромок, что ведет к падению предела текучести. В результате момент трения начинает падать и следовательно уменьшается вводимое в тело тепло. Распределение мощности в свариваемых плоскостях тоже

неравномерное и убывает радиально с наружной поверхности к оси детали. В процессе трения происходит сдавливание свариваемых деталей, т.е. координаты точек перемещаются с определенной скоростью к источнику тепла или он производит поступательное движение вглубь свариваемой детали. Все три особенности сварки учитываются описанной в главе 2 моделью.

В качестве примера рассматривали две пары труб из стали Х5 Сг№ 18 9, которые свариваются трением. Первая пара состоит из труб с внешним диаметром И=55 мм и внутренним г =50 мм, а вторая с Я=30 мм и г =20 мм. Температурную зависимость свойств можно учесть, используя МКЭ, поэтому параллельно решали двумерную осесимметрическую задачу при помощи программного комплекса. Расчетом проигрывались следующие варианты: с учетом и без учета временного распределения мощности; с учетом и без учета зависимости теплофизических свойств от температуры; с перемещением и без перемещения источника тепла вдоль оси симметрии; оценивалось влияние соотношения радиуса к толщине стенки трубы.

Результаты показывают, что неучет влияния изменения мощности во времени дает отклонения в рассчитанных температурах. При этом сначала отклонение положительное, потом переходит в отрицательное и только к концу времени ввода энергии исчезает. Влиянием температурной зависимости теплофизических свойств можно в этом случае пренебречь, поэтому в дальнейших расчетах оно не учитывалось. Сравнение результатов расчета при этих условиях в случае неподвижного источника тепла показывает отличное совпадение между ними. Известное расхождение между аналитическим и численным решениями наблюдается, когда источник перемещается вдоль оси симметрии. По-видимому это связано с неравномерностью сетки конечных элементов. Интересным результатом исследования является то обстоятельство, что слои, находящиеся под свариваемыми кромками нагреваются до более высоких температурах, нежели они сами. Отсюда следует, что в процессе сварки поддерживание постоянной скорости сдавливания можно осуществить уменьшением силы сдавливания во времени.

Рассматривая результаты расчета, видно, что и в случае сварки второй пары труб наблюдается полное совпадение между распределениями температур обоими методами, хотя толщина стенки трубы соизмерима с ее радиусом.

Модель для расчета тепловых процессов в пластинах при сварке подвижными концентрированными источниками тепла, неравномерно распределенными по толщине применялась нами и другими авторами. В качестве примера рассчитано температурное поле при электроннолучевой сварке (ЭЛС) со сквозным проплавлением пластины толщиной 20мм из низкоуглеродистой стали 52С (0.20%С, 1,50%Мп) при следующих условиях: q = 5400 Вт, V = 8 мм/с. В расчетах принимали а-10 мм2/с, ^=0.05 Вт/(мм К), 7о=0°С, кпд-1.0. Вводимая энергия описывалась в этом случае кусочно-

линейной функцией. Результаты показывают, что учет неравномерности ввода теплоты по толщине приводит к удовлетворительному совпадению расчетного макрошлифа с экспериментальным. Ширина шва по расчету и эксперименту на верхней поверхности соответственно равна 3.6мм и 4.4mm, на нижней поверхности - 0.4 мм и 0.4 мм, ширина ЗТВ {W=900-1500 °С) на верхней поверхности равна 1.0 мм и 1.0 мм. Температурное попе характеризуется большой неравномерностью во всех направлениях.

В Институте сварочной техники в Брауншвайге предложена X. Вольфартом и его сотрудниками модель минимизации пор при сварке алюминиевых отливок, полученных в условиях литья под высоким давлением, путем оптимизации параметров режима сварки. В основе этой модели заложена модель расчета тепловых процессов комбинированным источником тепла. Перед принятием этой модели авторами проведена проверка ее достоверности замером термических циклов при сварке пластин размерами 256 мм х 150 мм х 6 мм из сплава GD- AISilOMg NiCr-Ni термопарами, зачеканенными на расстоянии 10 и 14 мм от оси шва. Плазменная сварка вольфрамовым электродом производилась на режиме: I =125-130 A, U = 28 В, скорость сварки 3 мм/с и 5 мм/с. Тепловая задача решалась при комбинированном (90% точечный плюс 10% линейный) источнике тепла. Результаты расчета и эксперимента показали полное их совпадение на ветви нагрева и расхождение на ветви охлаждения. Для образования пор определяющим является область высоких температур. Разработанная модель порообразования оказалась тоже работоспособной и применяется регулярно для оптимизации режима сварки.

Во многих практических случаях, где требуется высокая точность решения, невозможно обойтись без применения численных методов исследования. Это подкрепляется и тем фактом, что в настоящий момент существуют более 20 программных систем для расчета МКЭ. Употребление этих систем облегчается и тем фактом, что с развитием возможностей компьютерного дизайна проектируемые конструкции уже, в той или иной мере, находятся в дискретизированом состоянии в компьютере, так как прочностные расчеты на основе МКЭ являются уже стандартными при производстве самолетов, автомобилей, железнодорожных вагонов и др. Нужно отметить однако, что вышеупомянутые программные системы, за исключением одной, не являются специально разработанными для сварки и поэтому не учитывают ее особенности, но предоставляют возможность подключения модулей потребителя.

В известном смысле мы уже проверили работу разработанного алгоритма и комплекса программ на примере сварки трением, решая двумерную осесимметрическую задачу распространения тепла и сравнивая полученные результаты с результатами аналитической модели. Интересной в смысле комплексности поставленной задачи и сложности ее решения является проверка в случае

трехмерного процесса распространения тепла, хотя большинство сварочных проблем можно свести к решению двумерной задачи.

Рассмотрено тело простой геометрической формы, для которого существует аналитическое решение. Нагретый до 400 °С изотропный куб из Ст. 3 размерами 10x10x10 мм охлаждается на воздухе, температура которого 20 °С. Коэффициенты X = 41.9 Вт/(м. °С), су = 4.19 кДж/(кг °С) и аг =41.9 Вт/(м2 °С). Область дискретизирована на 768 элементов и 189 узлов, а начальный шаг по времени - 0.1 с. Наблюдается очень хорошее совпадение между вычисленными результатами по обоим методам. Максимальная относительная ошибка не превышает 4.36 %.

Из практики известно, что в зависимости от комбинации параметров режима электроннолучевой сварки швы могут иметь разную конфигурацию в поперечном сечении. Таким многообразием объясняется применение нескольких схем моделирования ввода тепла: это точечный источник, используемый при сварке тонкостенных деталей; линейный при наличии сквозного проплавления; точечный плюс линейный, который является самым распространенным при сварке толстостенных деталей с неполным проплавлением. Подобным распределением можно описать, например, случаи лазерной сварки. Однако в некоторых случаях зона проплавления имеет вид, близкий к треугольному, т. е. распределение энергии линейно убывает по глубине шва. Для проверки расчетов с применением всех четырех вариантов распределения мощности сравнивались расчетные конфигурации швов с экспериментальными. Сварка производилась на режимах, приводящих к указанным формам зоны проплавления. Показано, что принятые расчетные схемы позволяют более полно охватить возможные случаи ЭЛС. Они апробированы также и при сварке алюминиевых сплавов и нержавеющих сталей при погонных энергиях до 150 кДж/см.

Схемы распределения источника по толщине проверены3 и при сварке СОг - лазером стали St 52 -3 толщиной Змм. Мощность источника 5 кВт и скорость сварки 0.14 см/с. Расчет проводили МКЭ с использованием коммерческой программы ANSYS, в которой в специальной подпрограмме запрограммировали уже рассмотренные схемы ввода тепла. Зависимость теплофизических свойств учитывалась вплоть до температуры 3000 °С. Термические циклы снимались приваренными никель-хромникель термопарами диаметром 0.1 мм при помощи персонального компьютера. Совпадение между расчетными и экспериментальными результатами хорошее.

Для проверки разработанного алгоритма численного решения задачи распространения тепла в условиях многослойной сварки рассматривали угловое соединение размерами 120 х 40 и 200 х 9 мм, изготовленное из стали 10Г2САФ. Сварка осуществлялась покрытым электродом EV 63 диаметром 2.5 мм при погонной энергии 800 кДж/м в два слоя. Термические циклы сварки записывались при

3 Совместно с О. Фоссом

помощи 0.5 мм хромель-алюмеливых термопар. Рассматриваемое сечение разбивалось на 308 элементов и 180 узлов. Усилением второго слоя при этом пренебрегали. Свойства основного и наплавленного металла принимались равными и постоянными в рассматриваемом температурном интервале - X = 30 Вт/(м °С) и а = 8.10 s м2/с. Сравнение расчетных результатов с замеренными термопарами показывает, что несмотря на принятые допущения численное решение хорошо коррелирует с экспериментом. Сравнение расчетного с реальным макрошлифом для проверки решения в области высоких температур показывает удовлетворительное совпадение между ними.

Программный комплекс использован для исследования тепловых процессов в многослойном огнеупоре при контакте с жидкой сталью. Он применялся успешно для выбора подходящей геометрии формы с целью повышения стойкости против образования горячих трещин в процессе литья технологической пробы одного алюминиевого сплава и при конструировании автоматизированной машины непрерывного литья стальных шаров для горизонтальных мельниц различных типов.

Для проверки разработанного алгоритма для расчета процессов структурообразования в шве и околошовной зоне была разработана подпрограмма, учитывающая диаграмму анизотермического распада аустенита в зависимости от максимальной температуры нагрева. При помощи диаграммы и программы ANSYS было рассчитано4 распределение структурных составляющих и твердости в шве и ЗТВ в сечениях, перпендикупярных к оси шва, выполненного лазерной сваркой. Результаты расчета и эксперимента показывают, что размеры отдельных структурных переходов приблизительно совпадают. Последующий анализ распределения твердости показывает однако известное расхождение в оценках в сторону завышения значения твердости расчетом, но рассчитанные и замеренные величины попадают в пределы разброса.

Применение экспериментальных методов исследования формирования ЗТВ и шва при стыковой сварке автомобильных колес показывают, что в основном металле некоторых определенных, плохо свариваемых ободах наблюдаются включения типа полосок, которые направлены вдоль прокатки. При помощи микрозонда установлен и вид неметаллических включений - сульфид марганца (MnS) и окисел кремния (ЭЮг). В процессе сварки в результате перемещения материала вследствие сдавливания включения полосчатого типа, попавшие в обпасть с большим размером зерна, изгибаются в сторону поверхности и выходят на нее в виде трещин, которые при последующем пластическом деформировании для придания форм колеса раскрываются и могут привести к его разрушению.

4 Совместно с О. Фоссом 16

Термоэлектрические исследования при непрерывном охлаждении проводились на образцах из сталей ХЗСгМ 19 11, Х2Сг№Ы 18 10, Х2Сг№Мо 18 14 3 и Х2Сг№МоМ 17 13 3. Снималась температурная зависимость параметра, отражающего отношение изменения разности потенциала между платиновыми концами термопар к изменению температуры. Обобщая критические точки,, установлены температурные области возможных структурных перемен в виде диаграмм, использование которых в сочетании с разработанными моделями расчета температурных полей представляет основу для прогнозирования стойкости сварных соединений против межкристаллитной коррозии (МКК).

4 . Разработка, развитие и применение теоретических и экспериментальных методов исследования перераспределения газов при сварке [1, 6-11, 13,17, 25, 30,31,34, 36, 37, 39, 40-42]

Газы, находящиеся в металлах или поступающие в сварочную ванну посредством расплавленного электродного металла или непосредственным взаимодействием с атмосферой дугового пространства, играют при сварке исключительно большую роль. В процессе сварки под влиянием термического цикла происходит перераспределение газов, что ведет к неоднородности механических свойств и изменению сопротивляемости к порообразованию и холодным трещинам.

Вопросами диффузии водорода в сварных соединениях занимались В.В. Фролов, В.Ф. Демченко, Г.Л. Петров, И.К. Походня, H.H. Прохоров, Э.Л. Макаров и В.А. Кархин в СНГ, Н. Юриока, X. Сузуки и Е. Такахаши в Японии, Б. Андерссон в Швеции и Ж. Леблон во Франции. Перераспределение водорода при сварке можно представит следующей схемой (рис.2).

SSLa- и-----г_ _____ ;; ■ — -

»»^айвЕ?^! м

т-----g|

-Э2?-г~:ггг1 - Щ

4..'. Лшчгацйша

я

—ЩЩъкц^г .■"•; .j-

Рис.2. Схема перераспределения водорода при сварке.

Формально можно отличить четыре фазы в схеме перераспределения водорода: источники водорода; ввод водорода в сварное соединение; транспортирование водорода в пределах сварного соединения и выделение водорода через поверхность раздела. Источниками водорода являются в основном сварочные добавочные материалы и воздух окружающей среды. Исходное содержание водорода в сварочной ванне определяется сложным физико-химическими процессами взаимодействия между окружающей средой, добавочными материалами и расплавленным металлом в дуговом пространстве. Описать эти взаимодействия единой моделью на сегодняшнем этапе развития очень сложно, поэтому ограничимся начальным распределением водорода в шве и в основном металле. Попадая в сварное соединение, транспортирование водорода осуществляется в сварочной ванне конвекцией и диффузией, а в твердом состоянии диффузией и перемещением дислокаций при пластическом деформировании металла. Аналогично температуре перенос водорода за счет конвекции можно учесть, принимая завышенные коэффициенты диффузии в расплавленном состоянии. По переносу водорода при пластическом деформировании в литературе отсутствуют данные, необходимые для разработки такой макромодели. Диффузия водорода осуществляется в свою очередь под влиянием электромагнитного поля, поля температур, наличия разных материалов, изменения их структурного состояния в результате полиморфных превращений, под влиянием напряженного и деформированного состояния и наличия ловушек. Возможными являются два подхода учета этих влияний. Первый из них заключается в учете изменения коэффициента растворимости к и коэффициента диффузии О в зависимости не только от температуры, но и от структурного состояния, от напряженно-деформированного состояния и т.д.. Второй подход заключается в введении стоков или источников водорода. Возможен и смешанный подход, который является самым распространенным. В сварочной литературе отсутствуют данные о влиянии электромагнитного поля. По влиянию напряженно-деформированного состояния можно найти только некоторые публикации. Существуют в основном данные по влиянию температуры, но для чистого железа. Как уже было упомянуто, роль температуры сводится не только к изменению свойств, но и к появлению термодиффузии. Аналогично действуют и различия в свойствах, вызванные остальными факторами. Роль ловушек при сварке недостаточно изучена. Их влиянием объясняют ненормальное поведение О при температурах ниже 250 °С. Исследования, проведенные Дж. Фастом при помощи методов внутреннего трения, выдвигают на передний план роль поверхности при этой аномалии.

Существующие модели диффузии водорода отличаются по полноте учета физических особенностей сварки, математической постановке задачи и методам ее решения. Для повышения надежности расчета необходима такая модель, которая с одной стороны учитывает возможно полно

физику процесса, но с другой стороны является легкой для реализации. Наиболее удобную модель можно построить с использованием уравнения диффузии, сформулированного относительно потенциальной функции П:

^ = V (Wm)-QH ИЛИ ^ = V-[kDV(CJk)]-QH, (1)

dt ot

где к - коэффициент растворимости, D - коэффициент диффузии и Он - мощность стоков (источников) водорода, обусловленная наличием ловушек. Потенциальная функция связана с концентрацией С9 водорода В решетке по закону Сивертса

Cs=/tfP/Psti,/2=/сП, П=СЛ (2)

в котором Р - парциальное давление водорода в газовой атмосфере (в коллекторе) и Psi - давление водорода, при котором определен коэффициент растворимости.

Соотношение (2) выполняется по существу на любой границе раздела металл - окружающая среда. Ввиду развитости поверхности ловушек по сравнению с объемом и принимая ее ювенильно чистой, т.е. активированной, при нарушении равновесия (2) его восстановление идет мгновенно. Отметим, что возможные отклонения от закона Сивертса можно учесть подбором к. Начальное условие записывается в виде

Щх0 , У о >Zo > °) = По (Ха > У о ^о)'=Со{Хо'Уо^о)1 К (Хо (3)

где По, Со и «о- начальное распределение П, С и к при t=0. Возможные граничные условия:

U(x0,y0,z0,t) | =(P/Ps,yn«dn(x0,y0,z0,t)/dn\ =0, (4)

1 2

если отсутствует обмен вещества на границе Эг (л-нормаль к Бг).

Модель (1)...(4) реализована при помощи МКЭ и транслятора Фортрана в виде модуля программного комплекса для расчета термодиффузионных и термомеханических процессов при сварке,

который работает под управлением ДОС 6.22.

Как уже было отмечено, очень важной проблемой является поведение водорода при температурах ниже 250 °С. Известным является факт, что количество ловушек должно определяться степенью пластической деформации. Для оценки этого влияния на коэффициенты растворимости к и диффузии D использовали пятикратные гагаринские образцы, которые растягивались до различной степени пластической деформации. Затем образцы подвергались электролитическому наводораживанию в течение 4-х часов. Сразу после окончания насыщения они помещались в установку ЛПИ для определения количества диффузионного водорода. Результаты эксперимента показывают, что предварительная пластическая деформация до 3 % практически не впияет на коэффициенты к и D. Для более детального исследования поведения водорода в сталях, подвергнутых пластическому деформированию, исследовали масс-спектрометром поток водорода через стальные мембраны толщиной 0.5 -1.5 мм из стали StE 890. Меняя режим термомеханической обработки, создавались различные состояния ловушек водорода в исследуемых мембранах. Определяющими являются результаты по изменению проницаемости и коэффициенту диффузии, которые показывают, что в выбранных пределах варьирования режима термомеханической обработки оно не существенно.

Для прослеживания поведения водорода в условиях непрерывного нагрева проводили эксперименты по его выделению из образцов размерами 3x10x30 мм из стали StE 8S0, которые предварительно наводораживались электролитически. Регистрировались изменения температуры и поток водорода. Исследованию подвергались образцы, изготовленные из стали на двух режимов обработки - серия А после двухчасовой выдержки при 1100 °С и двухчасовой выдержке при 700 °С с последующим охлаждением в печи и серия В, претерпевшая 5.1 % холодную пластическую деформацию. В каждой серии исследовались образцы с и без палладиевого покрытия. Режим нагрева для всех проб одинаковый и регулировался программируемым терморегулятором. Во всех исследованных случаях наблюдаются два максимума в десорбционном потоке, причем второй максимум не так ярко выраженный. Первый пик наблюдается при температурах около 200°С, что по-видимому обусловлено выделением диффузионного водорода. Влияние палладия на обеих сериях сводится к повышению первого максимума, не смещая его, т.е. покрытие палладия благоприятствует выделению диффузионного водорода. Палладиевое покрытие приводит однако к смещению второго максимума, который можно связать с остаточным водородом, уменьшая его значительно по величине, что по-видимому обусловпено изменением состояния поверхности.

Сравнение поведения образцов без палладиевого покрытия, но с и без пластической деформации показывает, что она приводит к увеличению доли диффузионного водорода по

сравнению с остаточным (общее количество выделившегося водорода осталось в обеих случаях неизменным). Максимум остаточного водорода остается однако почти несмещенным при температуре около 750 °С. Явно происходит перераспределение водорода, часть которого в зависимости от количества дефектов решетки и состояния поверхности выделяется позже, причем при какой температуре происходит это нам установить точно не удалось.

Для комплексной проверки разработанной модели диффузии водорода проводили эксперимент по выделению водорода из пластины (сталь 15Х2НМФА) с наплавленным валиком (электродом РТ 45А)5. Образец длиной 100 мм и толщиной 10 мм после охлаждения до комнатной температуры помещали в установку для определения водорода по ГОСТ 23338-78. Одновременно производили расчет кинетики выделения водорода. Результаты расчета и эксперимента хорошо коррелируют между собой.

Расчетным путем исследовано перераспределение водорода при многослойной сварке (16 и 120 проходов) пластин из стали 10 СгМо 9-10 толщиной 55 и 120 мм. Сравнение рассчитанного с экспериментально замеренным распределением показало хорошее и удовлетворительное совпадение между ними. Расположение слоев и их геометрия оказывают решающее влияние на распределение водорода.

Проведенные исследования по перераспределению водорода при ЭЛС титанового сплава Т'|А16\/4 наглядно выявили феномен термодиффузии. Ее результатом является повышение концентрации водорода в ЗТВ приблизительно в 1.6 раз по сравнению с исходной. Принятые свойства в высокотемпературной области оказывают решающее влияние на перераспределение водорода. Возникающие разности между потенциальной возможностью растворения водорода и действительным его содержанием в определенном объеме, появившиеся в результате изменения температуры этого объема, выравниваются только тогда, когда водород из остальных зон, лежащих в ближайшей окрестности, будет являться достаточно подвижным. С уменьшением скорости сварки смещается максимум концентрационного пика в сторону удаления от оси шва и понижается его относительная величина.

В поиске снижения металлоемкости развитие техники связано с применением материалов повышенной прочности. Один из путей - это повышение прочности уже известных марок высоколегированных сталей легированием азотом. Такой подход позволяет сохранить старые основные качества этих материалов, повышая только их прочность за счет легирования. В сварочной литературе однако отсутствуют систематические экспериментальные и теоретические исследования по перераспределению азота в сварных швах, по его влиянию на свойства сварного соединения.

! Совместно с А М. Левченко

Экспериментом оценена склонность сварных соединений из нержавеющих сталей к локальной коррозии. Результаты испытаний основного металла показали, что у всех образцов наблюдалась только общая коррозия, связанная с потерей массы. Стали, легированные молибденом, более стойкие против общей коррозии по сравнению с сталями без молибдена. Испытания образцов, обработанных аргоно-дуговой сваркой неплавящимся электродом, показали, что они склонны к локальной коррозии, причем стали легированные азотом, более стойкие по сравнению со сталями без азота.

По сравнению с водородом азот является менее изученным. В литературе можно найти некоторые данные для коэффициентов растворимости и диффузии определенных систем легирования, но отсутствуют таковые для конкретных сталей. Экспериментальным путем определены температурные зависимости коэффициентов растворимости и диффузии азота для сталей ХЗ CrNi 19 11 и Х2 CrNiMo 18 14 3в интервале температур 1273-1673 К. Для этих же сталей и для сталей Х2 CrNiN 18 10 и Х2 CrNiMoN 17 13 3 определены температурные зависимости коэффициентов растворимости азота в интервале температур 1873 - 2023 К.

С помощью разработанной модели и модуля программного комппекса для расчета перераспределения газов исследовано поведение азота при аргоно-дуговой сварке неплавящимся электродом легированных азотом сталей. Теоретически и экспериментально показано, что имеет места деазотация шва во время сварки, ведущая к изменению механических и коррозионных свойств сварного соединения.

5. Расчетное прогнозирование и экспериментальная проверка оценки образования

холодных трещин при сварке [14,15,18-20,38,41]

Значительный вклад в выяснение причин образования холодных трещин внесли И. Гривняк, В.Н.Земзин, Б.С.Касаткин, Р.А.Козлов, Э.Л.Макаров, Н.Н.Прохоров, Х.Сузуки, X. Гранжон, К. Белков, Ст. Христов и др. Несмотря на это, вопрос обеспечения стойкости против образования холодных трещин при сварке реальных конструкций остается открытым.

В этой главе предложен расчетно-экспериментапьный метод прогнозирования склонности к образованию холодных трещин при сварке, учитывающий основные факторы трещинообразования. Показаны возможности расчета напряженно-деформированного состояния МКЭ и распредепения водорода в пробе СЭВ-19-ХТ. Выбран и уточнен критерий образования холодных трещин. Проведена экспериментальная проверка расчетного метода прогнозирования.

При расчете напряженно-деформированного состояния, возникающего в сварной конструкции, использовали алгоритм, разработанный K.M. Гатовским и В.А.Кархиным, и коммерческую программу ANSYS. Модуль для расчета напряженно-деформированного состояния является частью уже

представленного программного комплекса для расчета температурных полей, структурообразования и диффузии газов и базируется на теории неизотермического пластического течения. В качестве критерия, характеризующего переход металла из упругого состояния в пластическое, пользовались условием равенства интенсивности напряжений пределу текучести (условием текучести Мизеса). Принимали следующие допущения: материал идеальный упругопластический; ползучесть отсутствует; справедлива гипотеза плоской деформации. Последнее допущение позволяет свести трехмерную задачу к плоской. В соответствии с этим перемещения вдоль шва игнорировались.

Как известно, механические характеристики сталей сильно зависят от изменения температуры. В сварочных условиях этим и определяется строгость решения задачи. Учитывая это, в расчет принимали зависимость предела текучести и модуля упругости от температуры до 1500 К. При температурах 1500 К и выше считали, что механические свойства стали остаются постоянными.

Для оценки точности решения термомеханической задачи нами был проведен эксперимент по замеру перемещений длинного элемента пробы во время сварки и после ее окончания. Сравнение расчета с экспериментом показывает, что численное решение термомеханической задачи довольно полно отражает действительное состояние деформационных процессов, вызванных сваркой. Расчеты показывают, что после интенсивного роста напряжений при превращении аустенита в мартенсит происходит частичная упругая разгрузка о.ш.з.. Последующее остывание приводит к росту растягивающих напряжений, в результате наблюдается пластические деформации удлинения. С увеличением длины элемента растягивающая составляющая напряжений падает, а изгибная изменяется относительно слабо. В опасной зоне значение растягивающих напряжений максимально и в условиях жесткого закрепления, что имеет место в пробе, может превышать предел текучести. Некоторые повышение уровня растягивающих напряжений с увеличением температуры подогрева связано с уменьшением доли мартенсита. При выполнении аустенитного шва имеет место уменьшение максимальных напряжений, что, по-видимому, связано с более высокой пластичностью аустенитного шва. Так например, применение аустенитного шва привело к 16% снижению уровня поперечных растягивающих напряжений в опасной зоне.

При расчете больших и сложных сварных конструкций удобнее пользоваться для их расчета коммерческими программами, которых однако нужно „приучить сваривать". Во второй главе было уже показано, как можно при помощи написания собственных подпрограмм успешно прогнозировать распределение структурных составляющих и твердости в сварном соединении. Следующим шагом6 являлся учет влияния превращений на формирование сварочных напряжений. Для проверки результатов расчета сравнивались расчетные остаточные напряжения с экспериментально

* Совместно с О. Фоссом

замеренными рентгеновским методом в среднем сечении 5 мм пластины из стали 52-3 после лазерной сварки. Наблюдается хорошая корреляция между ними.

При оценке склонности сварного соединения к образованию холодных трещин важна информация о влиянии температуры подогрева, толщины соединения и марки сварочных материалов на перераспределение водорода. Подогрев снижает как максимальную концентрацию (в шве), так и концентрацию водорода в о.ш.з. При сварке пробы толщиной 10 мм максимальная концентрация первоначально выше, чем при сварке 20 мм пробы, что по-видимому связано с термодиффузией за счет большего перегрева. Впоследствии это приводит к более интенсивному выделению водорода через поверхность. В результате при температурах ниже 523 К максимальная концентрация и концентрация водорода в о.ш.з оказываются на более низком уровне у пробы толщиной 10 мм. В сварочной практике часто, особенно в монтажных условиях, для предотвращения возникновения холодных трещин используют аустенитные сварочные материалы. Аустенитный шов обладает большой растворимостью, поэтому он задерживает почти все копичество растворенного в нем водорода. При условии ненасыщенности шва возможен процесс диффузии из о.ш.з. в шов. Тогда о.ш.з. будет разгружаться за счет диффузии водорода в шов и десорбции через поверхность.

Испытаниями на замедленное разрушение термически обработанных и предварительно наводороженных и кадмированных образцов из стали 15Х2НМФА получено условие образования холодных трещин при комнатной температуре в усповиях сложного напряженного состояния.

При расчете кинетики перераспределения водорода и напряженно-деформированного состояния пробы выявили две опасные зоны по сечению сварного соединения, в которых наиболее вероятно образование холодных трещин. Такими являются центр шва, где концентрация водорода максимальная, и околошовная зона у непровара, где поперечные растягивающие напряжения максимальны. Экспериментальные исследования по сварке проб СЭВ -19 - ХТ показали, что трещина зарождается в околошовной зоне у самого непровара и потом поворачивает в шов. Таким образом, достаточно оценить возможность образования холодных трещин в околошовной зоне у непровара. Параплельно с расчетами проводились эксперименты по сварке пробы (10 и 20 мм) при разных температурах подогрева и использовании различных сварочных материалов. Для более точного контролирования параметров режима использовали сварочный трактор АДФ 1000, приспособленный для сварки штучными электродами. Подогрев осуществляли газовыми горелками. Температуру контролировали двумя термопарами, приваренными к элементам пробы и плите. Наличие трещин определяли по СТ СЭВ 4786-84.

Сравнение результатов расчетной оценки процесса образования холодных трещин с результатами эксперимента показывают, что разработанная методика расчетно-экспериментального

прогнозирования в большинстве рассматриваемых случаях, за исключением сварки короткого и среднего элементов пробы толщиной 20 мм при Т = 423 К, дала правильную оценку (в 16 случаях из 18). В последнем случае расчет показал более консервативную оценку, что говорит о необходимости уточнения температурной зависимости констант, входящих в критерий трещинообразования.

Общие выводы и основные результаты работы

1. Разработаны аналитические модели для расчета тепловых процессов при сварке равномерно и неравномерно распределенными плоскими подвижными источниками тепла с изменяющейся во времени мощностью и модель для расчета тепловых процессов в пластинах при сварке подвижными концентрированными источниками тепла, неравномерно распределенными по толщине.

На основе созданных аналитических моделей разработана программа для расчета температурных полей при сварке давлением и плавлением. Программа реализована с помощью транслятора С*' и работает под управлением ДОС 6.22. Работоспособность моделей и программы проверены на примерах:

• Первая модель применена при сварке труб из стали Ст 2пс диаметром 33.5 мм дугой, вращающейся в магнитном попе с изменением энергетических характеристик режима во времени. Расчетные результаты совпадают хорошо с экспериментальными данными. Модель применена для управления процессом сварки изменением составляющих магнитного поля в зависимости от нагрева свариваемых кромок.

• С помощью второй модели проведен расчет температур при сварке труб трением. Параллельно рассчитывалось тепловое состояние свариваемых кромок и МКЭ при тех же условиях. Результаты по обоим методам совпадают очень хорошо. Исследовано влияние зависимости свойств от

" температуры, распределения источника тепла по сечению свариваемых труб и его поступательного перемещения вдоль оси симметрии свариваемых элементов на температурное поле.

• Адекватность третьей модели проверена при обработке стали различными способами сварки и при плазменной сварке алюминия вольфрамовым электродом. Доказано, что она описывает хорошо реальное тепловое состояние свариваемых деталей. Модель используется'для выбора режима сварки с целью минимизации склонности к порообразованию при сварке алюминиевых отливок. Показано и ее применение для общего анализа температурных полей.

2. Разработан алгоритм для решения задачи теплопроводности МКЭ. Он реализован при помощи транслятора Фортрана в виде модуля программного комплекса для расчета термодиффузионных и

термомеханических процессов при сварке, который работает под управлением ДОС 6.22. Работоспособность алгоритма и программы расчета тепловых процессов МКЭ проверена в случае трехмерного распространения тепла при помощи известного аналитического решения. Максимальное относительное расхождение между ними составляло 4.36 %. Расчет тепловых процессов при электроннолучевой сварке с применением четырех схем ввода тепла позволил более полно охватить возможные случаи комбинации параметров режима сварки. Сравнение расчетных результатов с экспериментальными показывает хорошую корреляцию между ними. Программный комплекс для расчета МКЭ успешно применен и для решения некоторых других проблем в области технологии металлов.

3. Разработан алгоритм для расчета структурообразующих процессов в шве и ЗТВ с учетом максимальных температур нагрева. Сравнение расчетных термических циклов с экспериментально определенными при лазерной сварке 3 мм пластин из стали Б! 52-3 выявили глубокие возможности программного объединения коммерческих программ и собственных разработок.

Установлены причины трещинообразования при стыковой сварке сопротивлением автомобильных колес. Полосчатые неметаллические включения в основном металле, попадая в область пластического деформирования во время сварки, выходят на поверхность и при последующем формировании колеса раскрываются в виде трещин.

4. Разработан термоэлектрический подход для исследования структурных изменений в условиях непрерывного охлаждения (нагревания). Исследованиями поведения образцов из нержавеющих сталей в условиях непрерывного охлаждения определены диаграммы возможных структурных изменений, связанных с выделением фаз типа карбидов или нитридов. При помощи этих диаграмм и разработанных программ для расчета температурных попей возможно прогнозирование склонности сварных соединений к межкристаллитной коррозии.

5. Разработана математическая модель перераспределения водорода и азота при сварке, учитывающая такие основные особенности процесса, как наличие нестационарного и неоднородного температурного поля, возможность термодиффузии под влиянием градиентов температуры и диффузии под влиянием градиентов свойств, вызванных в свою очередь различием в структурном, химическом и напряженном состоянии отдельных зон сварного соединения.

Реализация модели осуществлена при помощи метода конечных элементов и транслятором Фортране подключена к программному комплексу в виде диффузионного модуля. Работа программы проверена путем сравнения рассчитанной кинетики выделения водорода из наплавленного образца с экспериментально замеренной (ГОСТ 23338-78). Они удовлетворительно

совпадают друг с другом. Сравнение расчетных результатов с результатами, полученными другими авторами с помощью метода конечных разностей, показало хорошую корреляцию между ними.

6. Проведенные эксперименты по выяснению влияния пластического деформирования на поведение водорода при его проникновении через металлические мембраны из стали StE 890 показали, что холодная пластическая деформация до 16.83 % практически не сказывается на проницаемости и коэффициенте диффузии водорода в интервале температур 413К - 708 К. В этом же интервале определены температурные зависимости коэффициента диффузии водорода.

Результаты исследования десорбции водорода в условиях непрерывного нагрева однозначно показывают, что состояние поверхности оказывает решающее влияние на характер выделения водорода, существенно сдвигая температуру и величину второго максимума на кривой выделения, который считается определяющим для оценки остаточного водорода (в ловушках), хотя состояние внутренних дефектов оставалось при этом неизменным. Сравнение десорбции водорода при использовании покрытых палладием, пластически деформированных и недеформированных образцов показывает, что происходит увеличение доли диффузионного водорода у деформированных образцов по сравнению с недеформированными.

7. Расчетным путем исследовано перераспределение водорода при многослойной сварке (16 и 120 проходов) пластин из стали 10 СгМо 9-10 толщиной 55 и 120 мм. Сравнение рассчитанного с экспериментально замеренным распределением показало удовлетворительное совпадение между ними. Расчеты показали, что и расположение слоев, и их геометрия оказывают решающее влияние на распределение водорода. Проведенные исследования перераспределения водорода при электроннолучевой сварке титанового сплава TiAI6V4 наглядно выявили феномен термодиффузии. Ее результатом является повышение концентрации водорода в ЗТВ приблизительно в 1.6 раз по сравнению с исходной. С уменьшением скорости сварки смещается максимум концентрационного пика в сторону удаления от оси шва и понижается его относительная величина.

8. Экспериментально оценена склонность сварных соединений из нержавеющих сталей к локальной коррозии. Результаты испытаний основного металла показали, что у всех образцов наблюдалась только общая коррозия, связанная с потерей массы. Стали, легированные молибденом, более стойки против общей коррозии по сравнению со сталями без молибдена. Образцы, обработанные аргоно-дуговой сваркой, склонны к локальной коррозии, причем стали, легированные азотом, более стойки по сравнению со сталями без азота.

Определены температурные зависимости коэффициентов растворимости и диффузии

азота для сталей ХЗ Сг№ 19 11 и Х2 СгММо 18 14 3 в интервале температур 1273-1673 К. Для этих же сталей и для сталей Х2 СгШ 18 10 и Х2 СгММоМ 17 13 3 определены температурные зависимости коэффициентов растворимости азота в интервале температур 1873 - 2023 К.

9. С помощью разработанной модели и программы для расчета перераспределения газов исследовано поведение азота при аргонодуговой сварке легированных азотом сталей. Теоретически и экспериментально показано, что имеет места деазотация шва во время сварки, ведущая к изменению механических и коррозионных свойств сварного соединения.

10. На основе известного алгоритма разработан модуль программного комплекса для расчета термомеханических процессов при сварке. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования по перемещению кромок технологической пробы СЭВ - 19 - ХТ показали работоспособность разработанной программы. Сравнение расчета напряженно-деформированного состояния с учетом и без учета фазовых превращений показало, что их неучет ведет к качественным отличиям в полученном поле напряжений.

11. Испытаниями на замедленное разрушение термически обработанных и предварительно наводороженных и кадмированных образцов из стали 15 Х2НМФА получено условие образования холодных трещин при комнатной температуре в условиях сложного напряженного состояния.

12. На основе разработанных моделей и алгоритмов для расчета тепловых, термодиффузионных и термомеханических процессов в условиях сварки с применением программного комплекса для их расчета и условия образования холодных трещин разработан подход для прогнозирования склонности сварных соединений к образованию холодных трещин при сварке. Подход подтвержден испытаниями при сварке технологической пробы СЭВ - 19 - ХТ из стали 15Х2НМФА толщиной 10..20 мм на разных режимах и с использованием различных сварочных материалов.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Георгиев Й„ Печеняков Ил., Михайлов В.Г. и др. Дифузия на азот в хром-никелови стомани (1.4306 и 1.4435)//Х1 национална конференция с международно участие .Дефектоскопия - 96", Созопол 1996, с. 89-93

2. Добрев Р., Михайлов В.Г. и др. Термоелектричен контрол на заварени съединениея от аустенитна стомана легирана с азот//Х1 национална конференция с международно участие .Дефектоскопия -96", Созопол 1996, с. 150-152

3. Калез Л.Ц., Михайлов В. Г., Вълчев Г.П. Расчет температурных полей при сварке магнитно-

управляемой дугой с изменяющейся во времени мощностью//Сварочное производство, №10, 1986, с. 30-31

4. Калев Л.Ц., Михайлов В. Г., Ушев В.И. Излолзване на метода на крайните елементи са пресмятане на температурни полета при многослойно заваряване(наваряване) на стомани/Дехническа мисъл, XXIII, 1986, с. 107-112

5. Калев Л Ц. Михайлов В.Г. и др. Аналитичен модел за пресмятане на температурни полета при заэаряване с магнитно-въртяща се дъга//В сб. Математика и механика и тяхното приложение в науката и практиката, София, 1985, с. 58-68

6. Калев Л.Ц., Ушев В.И., Михайлов В. Г. и Илиев 3. Анизотропия в механичните показателей на стомана тип САФ//Материалоазнание и технология 16,1990. с. 71-81.

7. Кархин В.А. Михайлов В.Г. Исследование влияния подогрева на перераспределение водорода в сварном соединении с многопроходным швом//ЗП Сер. Электросварка, 1983, вып. 3(78), с. 2-3

8. Кархин В.А, Михайлов В.Г., Петров Г.Л. Расчетная оценка кинетики водорода в соединениях из конструкционных сталей при многопроходной сварке//В кн. Тезисы докладов III всесоюзного семинара. Водород в металлах. Донецк, 1982, с. 231.

9. Кархин В А, Михайлов В. Г. Расчетная оценка диффузии водорода при многопроходной сварке стали/Яруды ЛПИ №395,1S83, с. 7-13

10. Кархин В.А, Михайлов В.Г. Распределение водорода при однопроходной сварке стали//Автоматическая сварка, №6(387) 1985, с. 39-42

11. Кархин В.А., Райчук Д.Ю. и Михайлов В. Г. Кинетика распределения сварочных напряжений и водорода при сварке труб//В сб. Опыт научных коллективов в области сварки за 1984 год, Л, 1985, с. 78-80

12. Конакчиев С, Михайлов В.Г. и Цанева В. Математочно моделиране на температурното поле при леене на конструкционни стомани/А/- национална конференция „Металознание и материали получени в условията на леене с противоналягане, Варна 1988, с. 19-20

13. Ласков Б.И, Михайлов В.Г. и Чалев Л.И. Механични свойства на стоманите 10Г2САФ, 17Г2САФ и 23Г2САФ след студено обемно щамповане с изтичане//Научна сесия на ВМЕИ1983,3/10,5 с.

14. Михайлов В.Г. Теоретични основи на връзката между структурните и механичните характеристики на стоманите//Научна сесия на ВМЕИ 1983,2/10,5 с.

15. Михайлов В.Г. Кинетика перераспределения водорода в сварочной технологической пробе 8МЭИ-МВТУ//В сб. Математика и вычислительная техника, Москва 1983, с. 1027-1031

16. Михайлов В. Г. Топлинни процеси при заваряване с плосък неподвижен источник на топлина с изменящасе вьв времето мощност//Техническа мисъл, XXIV, 2, 1987, с. 111-114

17. Михайлов В. Г. Моделиране на термодифузионното преразпределение на водорода и азота в заварените съединения/Лехническа мисъл, XXVI,1 1989, с. 109-114

18. Михайлов В.Г., Кархин В.А. Напряженно-деформированное состояние сварочной технологической пробы ВМЭИ-МВТУ//В сб. Математика и вычислительная техника, Москва 1983, с. 1032-1038

19. Михайлов В.Г., Кархин В.А. Оценка склонности легированных сталей к образованию холодных трещин при сварке//Достижения ленинградских научных коллективов в области сварки за 1983 год. Л., 1984, с. 62-66.

20. Михайлов В.Г., Кархин В.А. Теоретически-экспериментальная модель образования холодных трещин при сварке легированных сталей/Ярещины в сварных соединениях, Братислава 1985, с. 78-84

21. Михайлов В., Кархин В. Пресмятане на температурни полета при заваряване с линеен източник на топлина произволно распределен по дебелината на плоския слои//„Заваряване'89", 3-6 октомври 1989, ВС-Елените, 5 с.

22. Михайлов В.Г. и др. Вычислительная оценю кинетики температурного поля, напряженного и деформированного состояния в процессе литья стальных шаров// FOCOMP' 90, София 1990, с. 31

23. Михайлов В. Г., Стаевски П.М. Числено решение на тримерна нестационарна задача по метода на крайните елементи//Материалознание и технология 15,1987, с, 88-96

24. Михайлов В. Г. и Петров П.И. Расчет тепловых процессов при электронно-лучевой сварке металлов//Автоматическая сварка, №5(422), 1988, с. 13-15

25. Михайлов В. Г., Вольфарт Г. О перераспределении водорода при сварке//Международная научно-техническая конференция, 1-3 июня 1993, Санкт-Петербург, с.161-164

26. Михайлов В.Г., Цанева В. и Кръстев Г. Изследване на топлинното поле при заваряване с магнитно-въртяща се дъга//„3аваряване'89", 3-6 октомври 1989, ВС-Елените, 5 с.

27. Першин В.А. и Михайлов В.Г. Расчет температурных полей огнеупора с плазменным покрытием при его контакте с жидким металлом/Югнеупоры, 1990, №4, с. 42-44

28. Петров П., Младенов Г. и Михайлов В. Расчет температурных полей при электронно-лучевой сварке методом конечных элементов//ЭЛТ - Варна 1985, с. 183-189

29. Стаевски П.М., Георгиев М.Н., Панчовска Б.И., Михайлов В.Г. Влияние температурного поля на появление горячих трещин в отливках//Литейное производство, №5,1988, с. 10-11

30. Georgiev, J., Petcjenyakow, I., Michailov V., Thomas, К., Wohlfahrt, H. Nitrogen Solubility in 1.4306 and 1.4435 Austenitic Steels//Journal of Materials Science and Technology, №4(1996), 4, pp. 28-32

31. Kalev L.Tz., Michailov V.G., Krustev A. Influence of the Welding Technology and the Stress-relieving Heat Treatment on the Corrosion Cracking Resistance of Welded Nitrogen-alioyed Stainless Steel// IIW

Conference, 6-7 July 1987, Sofia, Bulgaria, pp. 239-245

32. Karkhin, V. A., Michailov, V. G. Modelling the Thermal Behaviour of Metals During Pulsed Power Welding//Joumal of Materials Science and Technology 4(1996), 3, pp. 28-42

33. Karkhin, V. A., Michailov, V. G., Akatsevich, V. D. Modelling the Thermal Behaviour of Weld and Heat-Affected Zone During Pulsed Power Welding//,Mathematical Modelling of Weld Phenomena 4" 1997,16 pp., to be published.

34. Michailov, V. G„ Rüge, J., Thomas, K. Berechnung der Wasserstoffverteilung beim Schweißen/ZZeitschrift „Schweißen und Schneiden", 43(1991), H.11, S. 655-658

35. Michailov, V. G., Rüge, J„ Thomas, K. Berechnung von Temperaturfeldem beim Reib-schweißen von Rohren//2 nd GTE/DVS Joint Con. 15-18 th, June, 1992, Budapest, pp. 449-561

36. Michailov, V. G., Thomas, K., Wohlfahrt, H. Ermittlung der Wasserstoffverleilung in Schweißverbindungen mit der Finite-Elemente-Methode//DVS Berichte-156, DVS-Verlag Düsseldorf, 1993, S. 167-171

37. Michailov, V. G„ Thomas K., Wohlfahrt H. Berechnung der Wasserstoffverteilung beim Elektronenstrahlschweißen der Titanlegierung TiAI6V4//Zeitschrift „Schweißen und Schneiden" 46(1994), H.3, S. 105-108

38. Michailov, V. G. Bewertung der Kaltrißneigung//Braunschweig - Kolloquium 3.4. November, 1994, DVS-Bezirksverband Braunschweig, Salzgitter-Wolfsburg, S. 69-84

39. Michailov, V. G„ Thomas, K„ Wohlfahrt, H. Berechnung der Wasserstoffverteilung in mehrlagigen Schweißverbindungen//XXIV Assistentenseminar 2.-4. November 1995, Monschau/Eifel, S. 59-62

40. Michailov, V. G., Thomas, K„ Wohlfahrt, H. Numerische Simulation der Wasserstoffver-teilung in mehrlagigen Schweißverbindungen//Zeitschrift „Schweißen und Schneiden", 48(1996), H1, S. 47-54

41. Michailov, V. G., Thomas, K., Wohlfahrt, H. Der Wasserstoff als maßgebliche Einfluß-größe für die Kaltrißneigung von Stählen beim Schweißen//DVS Berichte-176, DVS-Verlag, Düsseldorf, 1996, S. 3034.

42. Michailov, V.G., Wohlfahrt, H. Modelling and Computation the Nitrogen Distribution during Welding of Nitrogen Steels//lntemational Congress „Mechanical Engineering Technologies' 97", Welding 3, Sofia 1997, pp. 1-6

43. Michailov, V.G., Karkhin, V.A. Calculation of Temperature Fields and Cycles in Welding// International Congress „Mechanical Engineering Technologies' 97", Welding 3, Sofia 1997, pp. 13-18

44. Wohlfahrt, H., Thomas, K., Michailov, V.G. u. Ehrmantraut, M. Untersuchungen zur Eig-nung von unlegiertem Baustahl Rst37-2 zum Preßstumpfschweißen//Zeitschrift „Schweißen und Schneiden", 49(1997), H.1, S. 9-14