автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Снижение остаточных деформаций в тонколистовых металлоконструкциях путем принудительного теплоотвода

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ «КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

ЖИДКОВ АНДРІЙ БОРИСОВИЧ

УДК 621.791.75.052

ЗНИЖЕННЯ ЗАЛИШКОВИХ ДЕФОРМАЦІЙ В ТОНКОЛИСТОВИХ МЕТАЛОКОНСТРУКЦІЯХ ШЛЯХОМ ПРИМУСОВОГО ТЕПЛОВЩВОДУ

Спеціальність 05.03.06 - зварювання та споріднені технології

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ, 2000 р.

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Східноукраїнському державному університеті (СУДУ), Міністерство освіти науки України, м. Луганськ.

Науковий керівник - доктор технічних наук,

Гедрович Анатолій Іванович,

професор кафедры Зварювання та Лиття СУДУ

Офіційні оппоненты: - доктор технічних наук

Фомичов Сергій Константинович, професор кафедри Зварювального виробництва Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут»

- кандидат технічних наук,

Пащін Микола Олександрович, науковий співробітник

Інститута електрозварювання їм. Є. О. Патона НАН України

Провідна установа: - Приазовський державний технічний університет.

Міністерство освіти і науки України, м. Маріуполь.

Захист відбудеться « //» 12- 2000 р. о 15.00 годині на засіданні спеціалізованої раду

Д26.002.15 НТУУ «КГИ» за адресою: 252056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, корпус 19, ауди торія 417.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут» за адресою: м. Київ, проспект Перемоги, 37.

Автореферат разіслзно « 4 » // 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради д.т.н., проф

Головко Л. Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ Актуальність теми: Зварювання є одним з основних технологічних процесів у промисловості і будівництві при виготовленні металоконструкцій. При виготовленні зварних конструкцій важливою проблемою є виникнення зварювальних деформацій і напружень, що знижують експлуатаційні характеристики конструкцій, служать причиною їхньої передчасної руйнації, погіршують зовнішній вигляд і т.ін. Найбільш схильними до деформації є тонколистові зварні конструкції, бо вони мають меншу жорсткість у напрямку товщини. У деяких випадках операції пов'язані з післязварною обробкою для зниження залишкових напруженьпо вартості перевищують вартість механічної обробки всіх заготовок, що входять у вироб. В умовах економічної й енергетичної кризи на Україні, проблема одержання якісних виробів із мінімальними витратами є дуже актуальною. У зв'язку з цим, найбільш перспективними є ресурсосберігаючі методи зварювання з малими деформаціями і напруженнями. Ресурсозберігаючим напрямком є тепловідвід у процесі зварювання. Відомо декілька десятків засобів і пристроїв для охолодження в процесі зварювання, але відсутня, будь-яка класифікація й порівняльна оцінка їхньої ефективності. Технологічні особливості зварювання з охолодженням, зокрема з використанням пористих матеріалів просочених водою, вивчені недостатньо, відсутні загальні вимоги до охолоджуючих пристроїв і математична модель, для визначення температурного поля при зварюванні з охолодженням, що описує вплив різноманітних охолоджувачів на температурне поле при зварюванні. Це стримує поширення зварювання з охолодженням як метода зниження залишкових зварювальних деформацій і напружень у промисловості.

Мета роботи - дослідження впливу примусового тепловідводу на залишкові зварювальні деформації в тонколистових конструкціях і розробка ресурсосберігаючої технологи зварювання із штучним охолодженням.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

1. Аналіз існуючих засобів зварювання з тепловідводом, їхня класифікація, перевірка ефективності і технологічності цих засобів.

2. Розробка математичної моделі для розрахунку температурних полів на основі фізичної моделі тепловідводу від зварного з'єднання з використанням різноманітних охолоджувачів.

3. Проведення експериментальних досліджень температурних полів при зварюванні і коригування моделі.

4. Дослідження залишкових деформацій і напружень у зварних з'єднаннях зварених із штучним тепловідводом.

5. Визначення зв'язку термічних циклів і температурних полів із механізмом зниження залишкових деформацій і напружень при зварюванні з охолодженням.

6. Підвищення ефективності і технологічності існуючих засобів зварювання з тепловідводом. Визначення основних вимог до охолодних пристроїв і оптимальних параметрів охолодження з метою підвищення ефективності зниження зварювальних деформацій і напруг.

Наукова новизна роботи складається в тому що:

Створено математичну модель визначення температурного поля у зварному з'єднанні

при зварюванні з охолодженням різноманітними охолоджувачами, що дозволяє прогнозувати вплив охолоджувачів на температурне поле й активну зону при зварюванні.

Експериментально визначений коефіцієнт, що дозволяє моделювати вплив пористих охолоджувачів, просочених водою на температурне поле при зварюванні з охолодженням, як вплив непроточної води в умовах інтенсивного кипіння.

Чисельно визначені можливі типи температурних полів при зварюванні з різноманітними варіантами охолодження і для цих типів проаналізовані механізми зниження залишкових деформацій і напружень.

Визначено оптимальні режими охолодження при використанні пористих матеріалів, просочених водою, які дозволяють оптимізувати теплову обстановку в виробі що зварюється з метою зниження залишкових зварювальних деформацій і напружень.

Розроблено методику побудови радіальної смуги текучості на основі температурного поля, що дозволяє прогнозувати напружено-деформований стан зварного з'єднання при нагріванні розрахунковим шляхом.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана робота виконувалася відповідно до планів СУДУ і є логічним продовженням досліджень проведених відділом ІЕЗ НАН України ім. Е.О. Патона під керівництвом академіка Л.М. Лобанова.

Положення що захищаються:

1. Зварювання з примусовим тепловідводом є ресурсозберігаючим методом регулювання залишкових зварювальних деформацій і напружень у тонколистових конструкціях. .

2. Степінь зниження залишкових деформацій і напружень залежить від ефективності тепловідводу, що визначається фізичними властивостями охолоджувача (ступінь контакту з виробом, використання теплоти фазового переходу й ін.) і технологічними параметрами охолодження.

3. Форма ізотермічних ліній дозволяє визначити траєкторію розвитку радіальної смуги текучості і напружено-деформований стан металу при зварювальному нагріванні у відсутності попередніх напруг.

4. Вплив вологих пористих матеріалів на температурні поля при зварюванні з охолодженням може моделюватися як вплив обмеженого обсягу непроточної води з коефіцієнтом 0,868 -

0,875.

5. Для зниження зварювальних деформацій і напружень рекомендуються до застосування охолоджувачі, дія яких базується на використанні теплоти фазового переходу, які мають щільний контакт із поверхнею, що охолоджується, а отже, мають у своєму складі рідку фазу, або плавляться в процесі зварювання.

6. Охолоджувачі, що мають тільки газоподібний теплоносій або тверду фазу, не можуть бути використані для зниження залишкових деформацій і напружень через низку ефективність. Практична цінність: Результати дослідження дозволили розробити ресурсозберігаючі технології зварювання із штучним охолодженням, що були впроваджені на ХК «Луганськтепловоз» при виготовленні бічної стінки вагона дизель-поїзда. Математична модель і установка для визначення температури на базі ПЕОМ

використовуються в навчальному процесі.

Особистий внесок здобувана. Основна частина ідей, теоретичних і практичних розробок належить здобувачу. У дослідженнях використовувався метод смуг текучості, розроблений д.т.н. Гедровичем А.І. У розробці окремих частин установки для визначення температури при зварюванні практичну поміч надали Дзюба С.І. і Холод К.І. Для визначення напружено-деформованого стану автор використовував залежності виведені д.т.н., проф. Гедровичем А.І. Уся інша робота зроблена під керівництвом д.т.н., проф. Гедровича А.І. самостійно. Апробація роботи: Основні положення, розділи і результати роботи доповідалися на конференціях, симпозіумах і семінарах: «Наука Луганщіни в контексті розвитку регіону», м. Луганськ, 1999 p., V-ій міжнародній науково-практичній конференції «Університет і регіон», м. Луганськ, 1999 p., Науково-технічному семінарі «Зварювання і споріднені технології», присвяченому 30-річчю кафедри Зварювання СУДУ, науково-технічних конференціях профессорсько-викладацького складу Східноукраїнського державного університету (м. Луганськ, 1995 - 1999). Розширеному засіданні кафедри Зварювання і Лиття Східноукраїнського державного університету, м. Луганськ, Семінарі кафедри Зварювального виробництва Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут», м. Київ.

Публікації: Основний зміст роботи викладено в 4 статтях (одного особисто автора) і 2 брошурах. Оформлені 2 заявки на винахід.

Обсяг і структура роботи: Дисертація викладена на 165 листах машинописного тексту. Відповідно до поставленої мети і розв'язуваних задач робота складається з вступу, п'ятьох розділів, загальних висновків, списку використаної літератури, що включає 81 найменування, 83 рис. і 9 табл.

ОСНОВИЙ ЗМІСТ РОБОТИ Розділ 1. Застосування штучного охолодження для зниження залишкових деформацій і напружень.

Однієї з основних причин деформування тонколистових конструкцій є втрата стійкості зварними з'єднаннями під дією стискуючих напруг. Стискуючі напруги при зварюванні звичайно утворюються поза активною зоною (реактивні напруження), як компенсація активних напружень. Для зниження реактивних напружень, і отже, зниження деформацій втрати стійкості, необхідно знизити величину активних напружень або розміри активної зони.

Відомо, що розміри активної зони залежать від температурного поля при зварюванні, жорсткості зварного з'єднання та інше. Існують різноманітні методи визначення розмірів активної зони і розподілу напруг, метод Г.А. Ніколаєва, О.Н.Окерблома, В.М.Прохоренко і так далі, проте усі вони дають різноманітні результати і мають певні обмеження в застосуванні. Незважаючи на розманітість методів, усі вони враховують зв'язок розмірів активної зони з температурним полем при зварюванні.

Регулювання залишкових деформацій і напружень можливе при підготовці

виробництва, під час зварювання і після зварювання. Найкращими є засоби, які знижують напруги під час зварювання, тому, що при цьому економляться трудові ресурси. Існуючі засоби зниження залишкових зварювальних деформацій і напружень у процесі зварювання зводяться до зміни температурного поля або напруженого стану у зварному з'єднанні. Це досягається підігрівом, примусовим тепловідводом, зварюванням концентрованими джерелами нагрівання, силовим впливом, накладенням вібрацій і т.інш. З усього різноманіття засобів впливу на зварне з'єднання тепловідвід є ресурсозберігаючим напрямком. Найбільш доцільно використовувати охолоджувачі, які містять воду, тому що технічна вода дешева і доступна.

Під зварюванням із тепловідводом розуміється зварювання з спеціальним примусовим відводом із зони зварювання тепла, введенного у зварне з'єднання джерелом нагрівання з використанням спеціальних охолодних пристроїв і охолоджувачів (рис.1.)

1 - зварне з'єднання, 2 - охолодні пристрої, д - потужність джерела нагрівання, де -потужність повітрянногс конвективного потока, - потужність відведена охолодними пристроями (штучний тепловідвід), дв - потужність тепла, що поширюється у виріб,

Проте, для ефективного використання зварювання з примусовим тепловідводом, як засобу зниження залишкових деформацій і напружень, необхідно визначити параметри охолодження, механізм зниження залишкових деформацій і напружень і таке інше. Відомо багато засобів зварювання з примусовим охолодженням: зварювання на мідних підкладках, із мідними водоохолоджуваними притискувачами, охолодженням проточною водою, охолодженням пористими матеріалами, просоченими водою, охолодженням теплопоглинальними пастами і кристалічними теплопоглиначами, струменями води і газу, струменями рідкого азоту, сухим льодом і таке інше. Але дослідження велися по кожному засобу охолодження розрізнено і, дотепер була відсутня класифікація, порівняльний аналіз ефективності та технологічності різних засобів охолодження. Немає загальних вимог до охолодних пристроїв і параметрів охолодження. Відсутні аналітичні методи для визначення впливу охолоджувачів на температурне поле при зварюванні і залишкові напруження і деформації у зварному з'єднанні.

різноманітних засобів зварювання з примусовим тепловідводом, для визначення найбільше

2

,2

Рис. 1. Схема зварювання з примусовим тепловідводом.

Все вищесказане дозволяє зробити висновок про необхідність порівняння

ефективного і технологічного засобу та визначення оптимальних параметрів охолодження для даного засобу зварювання з тепловідводом.

Розділ 2. Методика проведення досліджень.

Для визначення впливу різноманітних засобів примусового тепловідводу в процесі зварювання на залишкові напруження і деформації в тонколистових конструкціях розроблена комплексна методика досліджень, що включає в себе аналітичні дослідження з використанням математичної моделі, і експериментальні дослідження температурних полів, зварювальних напружень і деформацій і т.д.

Охолодні пристрої і параметри охолодження різноманітні, тому, для їх повного аналізу була розроблена математична модель для визначення температурного поля при зварюванні з охолодженням різноманітними охолоджувачами. Аналіз особливостей визначення температурних полів при зварюванні з охолодженням показує, що визначити вплив охолоджувачів на температурне поле при зварюванні у виді простих залежностей неможливо. Тому задача вирішувалася з використанням чисельних методів, а саме - методу кінцевих різниць.

Для визначення температурного поля у зварному з’єднанні при зварюванні з охолодженням вирішували рівняння теплового балансу для елементів з'єднання.

Плоска задача вирішувалася простим явним методом, у якості початкових умов приймалися умови першого роду (відомо початковий розподіл температури у зварному з'єднанні), а в якості граничних умов - умови другого роду (відомий тепловий потік через поверхню кожного елемента пластини).

Крок просторового розбиття вибрано рівним 1 мм, а крок за часом, виходячи з умов стійкості системи рівнянь - 0,03 с.

Такий підхід дозволив визначити розподіл температури у зварному з'єднанні з високою точністю, крім того, теплофізичні параметри матеріалу приймалися залежними від температури, і розраховувалися з використанням залежностей, отриманих з літературних даних.

Основною позитивною якістью даної моделі є можливість моделювання стоку тепла з довільно розподіленою потужністю. При створенні моделі основна увага була приділена моделюванню впливу на температурне поле при зварюванні різноманітних охолоджувачів у виді: компактного струменя води, розбризканого дрібнокрапельного струменя води, проточної води без кипіння, малого обсягу непроточної води при інтенсивному кипінні, мідної водооходжуваної підкладки. ,

При моделюванні використовували залежності потужності, відведеної від охолоджуваного з'єднання від температури, взяті з літературних джерел або виведені з теплофізичних залежностей. •

При моделюванні впливу твердотільних охолоджувачів уперше проаналізовано вплив термічного опору межі поділу між охолоджувачем і поверхнею що охолоджується.

Вперше змодельовано вплив на температурне поле компактних і розбризканих струменів води.

Отримана модель вперше дозволила визначити розподіл температури у зварному з'єднанні при зварюванні з охолодженням різноманітними охолоджувачами.

Для перевірки адекватності моделі і проведення експериментальних досліджень створена установка для дослідження температурних полів при зварюванні з охолодженням. Установка складається з: пристосування для зварювання в затиснутому стані,

зварювального устаткування, охолоджуючих пристроїв різноманітної конструкції, термопар, апаратури для перетворення сигналів від датчиків, персональної ЕОМ. Використовували устаткування для закріплення зразків із робочою частиною у виді двох плит і приводом у виді гвинтових притискувачів. Створена установка дозволяє вимірювати температуру в 8 точках зварного з'єднання в діапазоні 0 - 1000 °С із частотою до 3300 вимірів за секунду зі роздільної здатністю 2 °С, помилка виміру не перевищує 2,75 % і в основному визначається щільністю контакту термопари з виробом. Результатом виміру є файл, що містить значення температури в досліджуваних точках, отримані в заданому часовому інтервалі. Надалі цей файл використовується як вхідний для подальшого опрацювання в стандартному математичному пакеті MathCAD 7.0 Pro з метою визначення термічних циклів.

Для визначення напружено-деформованого стану на стадії нагрівання використовували метод смуг текучості. Для цього нижня поверхня зразка шліфувалася, а потім зразок відпалювався в печі при температурі 300 - 330°С у присутності атмосферного повітря. В результаті подібної обробки шліфована поверхня покривалася тонкою плівкою окислів. Після зварювання з використанням дрібної шкурки виявлялися смуги текучості, які характеризують напружено-деформований стан металу при зварюванні.

Дпя визначення ширини активної зони при нагріванні (2ВЙ) використовували радіальні

0

смуги текучості, а для визначення ширини активної зони при охолодженні (2Вп) - поперечні смуги текучості.

В випадку перевірки ефективності різноманітних засобів охолодження охолоджували тільки одну сторону зразка, або локально визначену зону. У результаті одержували ширину активної зони різну для охолоджених і неохолоджених ділянок (рис. 2, 3). У цьому випадку

• • •• • ■ •• с

вимірювали напівширину активної зони при нагріванні для охолодженої Ьп, або

. мох.

неохолодженої сторони Ьп.

Рис. 2. Визначення напівширини активної Рис. 3. Визначення напівширини активної зони при охоподженні по всієї довжині зони при локальному охолодженні зварного зварного шва. шва.

Для визначення інтенсивності пластичної деформації підраховували кількість смуг

текучості на одиницю довжини зварного шва на відстані Ьп/4, Ьп/2 і Ьп від осі зварного шва.

Залишкові деформації оцінювали по подовжньому прогину, як типу деформацій що найбільш легко виявляється. Для цього використовували спеціальне обладнання. Зразок установлювали на дві призми (база 350 мм) і за допомогою резистивного датчика і перевірного омметра Е6-4 визначали прогин зразка. Помилка виміру складала 0,01 мм.

Зразки виготовляли з ВСтЗпс ГОСТ 11474-76, товщиною 2 мм, розміри зразків 200x400 мм. Залишкові напруги в зразках вимірювали за стандартною методикою за допомогою вимірювача залишкових напружень ИОН-4М. Для визначення впливу охолодження на геометричні параметри зварного шва зразок зварений з охолодженням розрізали поперек і виготовляли шліфи, які травили до виявлення зварного шва, а потім за допомогою епідіаскопа ЭПД-1 проектували зображення зварного шва на міліметровий папір і визначали глибину проплавлення, ширину і форму валика.

Для визначення наявності гартівних структур провадилося дослідження розподілу мікротвердості в поперечному перерізі зварного шва.

Розділ 3. Вплив охолодження на термодеформаційні цикли при зварюванні.

Автором на основі літературних джерел виділено декілька десятків засобів зварювання з тепловідводом. При розгляді всіх засобів тепловідводу пропонується класифікувати їх за такими ознакми:

- за агрегатним станом охолоджувача до зварювання: тепловідвід у твердий охолоджувач; тепловідвід у рідкий охолоджувач; тепловідвід у газоподібний охолоджувач;

- за суміщенням функцій: винятково тепловідвід; формування кореня шва і тепловідвід; притискувач і тепловідвід;

- за температурою охолоджувача: охолоджувач із кімнатною температурою; низькотемпературні охолоджувачі;

- за ступенем рухливості пристроїв: тепловідвід рухливими пристроями; тепловідвід стаціонарними пристроями;

- за використовуваними фізичними ефектами: тепловідвід за рахунок теплоємності; тепловідвід із використанням схованої теплоти фазового переходу (плавлення або кипіння); комбінований тепловідвід (теплоємність і плавлення, теплоємність і кипіння, теплоємність, плавлення і кипіння).

При аналізі всіх знайдених автором засобів, не приймаючи в увагу технічне виконання конкретних пристроїв, виділені декілька засобів тепловідводу, це охолодження: обдувом повітрям (газом); мідною водоохолодженою підкладкою; теплопоглинальною пастою; струменем води; кристалічними теплопоглинальними стрижнями; непроточною водою; за допомогою пористих матеріалів, просочених водою; проточною водою; розбризканими струменями.

Для виявлення найбільше ефективного і технологічного засобу проведено їх порівняльний аналіз. Встановлено, що найбільше ефективними, з огляду на зниження розмірів активної зони, є охолодження струменями води (компактними і розбризканими), при цьому розміри активної зони знижувалися на 65-70 %. Найбільш технологічним є

застосування пористих матеріалів у виді скло- або мінераловати, просочених водою, зниження ширини активної зони при цьому досягає 50-55 %. Застосування мідної водоохолодженої підкладки та обдува струменем повітря неефективні, бо знижують розміри активної зони на 5 % і менше. Застосування проточної води менш ефективно, ніж непроточної, тому що в цьому випадку тепловідвід відбувається у відсутності кипіння і, коефіцієнт тепловіддачі істотно зменьшується. Найбільш перспективним напрямком можна вважати застосування пористих матеріалів, просочених водою тому що ці матеріали дешеві і можуть багаторазово використовуватися.

Для доказу зв'язку температурного поля при зварюванні з полем деформацій і напруг, а також для визначення напружено-деформованого стану металу при нагріванні розроблена методика побудови радіальної смуги текучості.

Смуги текучості (лінїі ковзання, лінії Чернова-Людерса) широко використовують у теорії пластичної деформації для визначення напружено-деформованого стану.

При зварюванні з охолодженням регулювання деформацій відбувається переважно на стадГі нагрівання, тому моделювали виникнення радіальних смуг.

Відомо, що поширення радіальної смуги відбувається в напрямку градієнту температури і закінчується на деякій відстані від осі шва. Ця відстань співпадає з напівшириною активної зони при нагріванні (для наплавлення на лист із низьковуглецевої сталі це ізотерма 200°С). У кожний момент часу градієнт температури в точці можна представити як перпендикуляр до ізотерми. При зварюванні з постійною швидкістю спостерігається переміщення изотерм і, відповідно зміна направлення градієнту температури. При малому кроку за часом находження градієнту зводиться до побудови перпендикуляру до изотерии, існуючей в момент часу І до пересічення перпендикуляру з изотермой, існуючей е момент часу НА. Цю операцію повторюють, доки не буде досягнуто межі активної зони. При ЛІ наближающимся до нуля градієнт буде являти собою изотерму, повернутую на 90°.

Тому пропонується такий спосіб побудови смуг текучості:

1. Визначали максимальну ширину ізотерми е.

2.Визначапи відповідну ізотерму до досягнення по осі х розміру е.

3. Повертали ізотерму на 90° і одержували радіальну смугу текучості (рис.4).

20(ГС

X

З

Рис. 4. Визначення радіальної смуги текучості.

Всі ці дії можуть виконуватися автоматично за допомогою відповідної програми. Така програма реалізована автором на мові Quick Basic 4.5.

Даний метод дозволяє більш повно проявити зв'язок температурного поля з напружено-деформованим станом зварюваного металу на стадії нагрівання. Він дозволяє підтвердити висновок: для зниження розмірів активної зони на стадії нагрівання необхідно впливати на головну частину ізотерми, тому що радіальна смуга текучості розвивається в головній частині ізотерми. А це можливо тільки при інтенсивному тепловідводі від навколошовної зони з боків від джерела нагрівання.

Запропонований метод побудови смуг текучості може бути використаний з метою одержання смуг текучості для матеріалів, у якіх ці смуги виявляються слабко (аустенітні сталі). У багатьох випадках застосування цього методу дозволяє відмовитися від експериментальних методів дослідження напружено-деформованого стану при нагріванні, яке пов’язано з складностями тому що, формування поля напружень і деформацій відбувається в зоні, нагрітій до високих температур.

Смуги текучості, можуть використовуватися для визначення поля напружень і деформацій на стадії нагрівання за відомими формулами, запропонованими А.І.Гедровичем.

Моделювання температурних полів при зварюванні зі штучним охолодженням на ПЕОМ показало, що можна виділити декілька типів температурних полів, що відрізняються за формою і розмірами ізотерм від полів при зварюванні в звичайних умовах (рис.5).

Усв

Рис. 5. Типи ізотермічних ліній відповідаючі температурним попям. а - тип один, б - тип три, в - тип чотири, г - тип п’ять, д - тип два.

Автором позначено температурне поле при зварюванні без охолодження як тип один, при

зварюванні з охолодженням навколоиювной зони - тип два, при зварюванні з охолодженням металу шва за зварювальною ванною - тил три, тип чотири і тип п'ять. Утворення будь якого з перерахованих вище типів температурних полів пов'язано з визначеними жорстко обмеженими умовами охолодження.

Ізотермічні лініі відповідаючі температурному полю типу три, утворяться при охолодженні металу шва за джерелом зварювального нагрівання потужним концентрованим стоком теплоти, що рухається, (розміри стоку теплоти порівняні з розмірами зварювальної ванної). У ролі подібного стоку тепла можуть бути використаний одиночний струмінь води, розбризкані струмені, струмені рідкого азоту і т.д. У цьому випадку в задній частині ізотєрмьі утвориться холодна область у зоні зварного шва, що оточується нагрітими областями в навколошовної зони.

Окремим випадком полів типу три є поля типу чотири, вони спостерігаються рідко, тільки при деяких співвідношеннях потужностей джерела нагрівання, стоку теплоти і відстані між ними. У задній частині ізотерми утвориться острів, охолоджений до більш низьких температур у порівнянні з навколишніми ділянками. Змикання нагрітих ділянок за охолодженою зоною відбувається через підігрів більш холодних центральних ділянок нафтою навколоиювной зоною. Температурні поля типу чотири є нестійкимі і легко переходить у тип три або п’ять.

Температурні поля типу три і чотири утворяться тільки при зварюванні матеріалів із малою теплопровідністю (леговані сталі) або високої ефективності тепловідводу (як правило низькотемпературні охолоджувачі - струмені рідкого азоту і т.д.).

Температурні поля типу п’ять утворяться при високій теплопровідності матеріалу (мідь, алюмінієві сплави) і розподіленої потужності стоку.

Існують два принципово можливих механізми зниження зварювальних напружены деформацій при зварюванні з охолодженням: звуженням активної зони при нагріванні (температурні поля типу два) або розтягу стиснутого холодного шва нагрітими ділянками навколошовной зони (температурні поля типу три).

Механізм зниження залишкових пластичних деформацій при охолодженні навколошовной зони, неодноразово описаний у літературі, і полягає в тому, що крива температурних деформацій наближається до координатних осей і за рахунок цього зменшується площа епюри залишкових напружень (рис. .6).

При охолодженні зварного шва (температурні поля типу три) зниження залишкових деформацій відбувається в результаті розтягу стиснутого холодного шва нагрітими ділянками навколошовной зони.

У цьому випадку деформації стиску, сформиовані у зварному шві й навколошовной зоні, компенсуються розтягуючими зусиллями, які виникають в нагрітих ділянках ОШЗ (рис. 7). У результаті знижується рівень залишкових активних напруг, а отже і реактивні напруги стають нижче. Степінь зниження напружень залежить від градієнту температури в перерізах, де спостерігається компенсація напружень і від співвідношення площі нагрітих і холодних ділянок. Температурні поля, які характеризуються ізотермічними лініями типу чотири і п'ять неповно реалізують обидва механізми зниження залишкових деформацій і, отже умови і засоби охолодження, при яких вони утворюються, є небажаними.

Рис. 6. Зниження залишкових напружень при охолодженні навколошовної зони

(температурні поля типу два), а - епюра залишкових напружень при зварюванні без охолодження, б - теж при зварюванні з охолодженням навколошовної зони.

Рис. 7. Зниження деформацій за рахунок розтягуючих зусиль при охолодженні зварного шва

(температурні поля типу три).

Розділ 4. Дослідження технологічних особливостей застосування охолодження

Найбільшу ефективність охолодження забезпечують засоби охолодження, при яких відбувається інтенсивне паротворення, тому, визначені оптимальні витрати води при охолодженні, що забезпечує повний її випар (рис.8).

Реально витрата води буде більшою через недосконалість охолодних пристроїв, проте значне підвищення витрати води (більш 25% від тієї що рекомендується), призводить до зниження ефективності охолодження, а отже підвищення залишкових деформацій і напруг.

Для ефективного використання охолоджувачів на основі волокнистих або пористих матеріалів, просочених водою, визначили оптимальні параметри охолодження: відстань на який установлюється охолоджувач оптимальну щільність волокнистого матеріалу, степінь насичення його водою, розміри нєохолоджених ділянок при використанні охолоджувачів із теплоізолюючими включеннями і т.інш.

Рис. 8. Рекомендована втрата води.

Встановлено, що при охолодженні навколошовної зони геометрія наплавленого валика не змінюється. При охолодженні зони під валиком форма валика і його розміри починають змінюватися, що неприпустимо с точки зору якості зварного шва. Отже, конструкція охолодних пристроїв повинна забезпечувати таке розташування охолоджувачів, при якому зварний шов не охолоджується. Отримано криві залежності ширини зварного шва, глибини проплавлення і площі наплавлення від відстані між охолоджуваною поверхнею і вісью зварного шва (рис 9).

Встановлено, що щільність пористих матеріалів порядку 0.159 - 0.318 г/см3 є оптимальними з точки зору ефективності і технологічності охолодження, степінь насичення водою за об’ємом -45 - 50 %. Наявність неохолоджєних ділянок шириною менш 10 мм при ширині охолоджуваних ділянок більш 35 мм на ефективність тепловідводу не впливає.

Встановлено, що за рахунок різниці температур на поверхні й у глибині пористого матеріалу, просоченого водою, виникає різниця тисків (ефект Кнудсена) і відбувається втягування парів води всередину пористого матеріалу, що забезпечує захист зварювальної вани від шкідливого впливу водяних парів.

Рис. 9. Залежність глибини проплавлення (1), ширини валика (2) і площі наплавлення (3) від відстані між охолоджувачем і віссю зварного шва.

Розташування охолоджуючих приладів що забезпечує найбільшу ефективність охолодження залежить від використуємого охолоджувача. При використанні води в умовах кипіння в зонах, нагрітих вище 300 °С спостерігається зниження ефективності охолодження за рахунок переходу паротворення у режим плівкового кипіння. Уникнути подібного явища можна застосовуючи ізольовані малі об’ємі води - дрібні крапли або воду яка міститься в порах пористого охолоджувача.

В результаті дослідження залишкових деформацій і напружень при зварюванні з охолодженням встановлено, що охолодження дозволило зменшити значення залишкових деформацій і знизити реактивні напруги на 50-70%, у залежності від охолоджувача і параметрів охолодження. Рівень напружень в активній зоні істотно не змінюється. Встановлено, що при охолодженні охолоджувачами, що мають в своєму складі воду, у сталях звичайної якості гартівні структури не утворюються.

Автором розроблено номограми для визначення Рус в залежності вуї степені зниження розмірів активної зони, придатні для практичного використання (рис. 10)

Рис. 10. Номограми для визначення Р,с. 13

Розділ 5. Практичне застосування зварювання з охолодженням.

Запропоновано ряд принципових схем охолодних пристроїв, які забезпечують високу ефективність зниження залишкових деформацій і напружень у тонколистових конструкціях. На прикладі бічної стінки вагона дизель-поїзда і контейнера, що випускаються на ХК «Луганскьтепловоз» м. Луганськ і Стахановському вагон-заводі, м. Стаханов, описане

застосування ресурсозберігаючих технологій заснованих на використанні пористих матеріалів, просочених водою і компактних струменів води для зниження залишкових деформацій.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Зварювання з тепловідводом є ресурсозберігаючим методом зниження залишкових

зварювальних деформацій у тонколистових конструкціях. З метою зниження

залишкових деформацій у якості охолодних пристроїв рекомендуються пристрої, що використовують теплоту фазового переходу. Гази в якості охолоджувачей негожі через малу теплоємність і теплопровідність.

2. При використанні . твердих охолоджувачів основною задачею є зниження

температурного опору межі поділу охолоджувача і поверхні що охолоджується. У

зв'язку з цим охолоджувачі повинні містити рідку фазу або плавитися в процесі

зварювання. :

3. При зварюванні з охолодженням можлива реалізація двох механізмів зниження залишкових деформацій і напруг: звуження епюри пластичних деформацій на стадії нагрівання і розтяг стиснутого металу зварного шва нагрітими ділянками навколошовной зони на стадії охолодження.

4. Температурні поля характерізуємі формою ізотермічних ліній визначають траєкторію розвитку радіальної смуги текучості. Ізотерми, отримані розрахунковим шляхом, можуть бути використані для визначення напружено-деформованого стану металу на стадії нагрівання.

5. Для найбільш ефективного зниження залишкових зварювальних деформацій і

напружень при використанні вологих пористих матеріалів які охолоджувачів повинні дотримуватися такі параметри охолодження: щільність пористого наполовнювача в сухому стані - 0,159 - 0,318 г/см3, степінь насичення водою за об'ємом - 45 - 50 %, ширина охолодного пристрою ЗО - 50 мм, місце установки - по лінії сплавки у верхній частині шва (на відстані напівширини зварного валика від осі шва)

6. Вплив вологих пористих матеріалів на температурні поля при зварюванні з

охолодженням може моделюватися як вплив обмеженого обсягу непроточної води з

поправочним коефіцієнтом 0,868 - 0,875.

7. Результати досліджень впроваджені у виробництво і дозволяють підвищити якість зварних тонколистових метапоконструкцій, і знизити витрати на їх виготовлення.

Перелік робіт у яких опублікований основний зміст дисертації.

1. А.Б.Жидков. Математичне моделювання температурного поля при зварюванні з

примусовим охолодженням. // Вісник Східноукраїнського державного університете № 1(16) 1999. с. 69-75.

2. Жидков А.Б., Холод К.И. Вимір температурного поля при зварюванні з використанням персональної ЕОМ. Обробка матеріалів. // Тематичний збірник наукових праць, Луганськ: Видавництво Східноукраїнського державного університету, 1999. с. 30-33.

3. Гедрович А.И., Жидков А.Б. Застосування тепловідводячих пристроїв для зниження зварювальних деформацій і напруг. // Автоматичне зварювання № 2 , 2000. с. 45 - 49

4. Гедрович А.И., Жидков А.Б. Вплив різноманітних засобів тепловідводу на активну зону при зварюванні. II Автоматичне зварювання № 3 ,2000. с. 38 - 41

5. Гедрович А.И., Жидков А.Б., «Зварювання тонколистових метапоконструкцій із примусовим охолодженням». - Луганськ: Видавництво Східноукраїнського державного університету, 1999. - 24 с.

6. Гедрович А.И., Жидков А.Б. «Особливості деформування тонколистових конструкцій при зварюванні з охолодженням». - Луганськ: Видавництво СУДУ, 2000 р. -16 с.

7. Спосіб зниження зварних напружень та деформацій / Гедрович А.І., Жидков А.Б. Заявка на винахід клас В23К 9/035, В23К 9/038. Дата подання 12.07.99. р Реєстряційний номер 99073946. Реєстряційний номер 99073946.

8. Охолоджуючий пристрій для зниження зварювальних деформацій та напружень/ Гедрович А.І., Жидков А.Б., Кузьменко B.C. Заявка на винахід клас В23К 9/035, В23К 9/038.

. р Дата подання 05.01.2000. Дата подання 05.01.2000. Реєстряційний номер 2000010070.

АНОТАЦІЯ

Жидков А. Б. Зниження залишкових деформацій в тонколистових металоконструкціях шляхом примусового тепловідводу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю

05.03.06 - зварювання та споріднені технологіїї,- Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут» Міністерства освіти і наукі України, Київ, 2000 р.

Дисертація присвячена питанню зниження залишкових зварювальних деформацій та напружень у тонколистовіх конструкціях шляхом примусового тепловідводу. В роботі проаналізовані і класифіковані існуючі засоби зварювання з тепловідводом, зроблена порівняльна перевірка їхньої ефективності. Розроблена математична модель для визначення температурного поля при зварюванні з охолодженням різноманітними охолоджувачами. Розроблена установка для визначення температури при зварюванні з охолодженням на базі ПЕОМ. Проаналізовані і систематизовані типи температурних полів за формою ізотермічних ліній, що виникають при зварюванні з примусовим охолодженням і механізми зниження залишкових деформацій і напружень в тонких листах. Досліджено вплив різноманітних засобів тепловідводу на активну зону при зварюванні, залишкові деформації і напруги. Розроблена методика визначення траєкторії розвитку радіальної

смуги текучості, що дозволяє аналітично визначити напружено-деформований стан на стадії нагріву. Визначені оптимальні параметри охолодження при використанні пористих охолоджувачів просочених водою. Розроблена і впроваджена в виробництво ресурсозберігаюча технологія зварювання з примусовим охолодженням.

Ключові слова: зварювання, залишкові напруги і деформації, примусове охолодження, охолоджуючі прилади, ресурсозберігаюча технологія.

ABSTRACT

Zhidkov А.В. Reducing of residual distortions in thin sheet structures by artificial cooling. -Manuscript.

Thesis for academic degree of Candidate of Technical Sciences in speciality 05.03.06 -Welding and related technologies. - National Technical University of Ukraine “The Kiev Polytechnical Institute”. - Ministry of Education and Sciences of Ukraine, Kyiv, 2000

The dissertation deals with the problem of reducing of residual distortions in thin sheet structures by artificial cooling. In the course of this work the existing ways of welding with cooling are analyzed and classified, the comparative check of their efficiency is made. The mathematical model for definition of a temperature field under welding with cooling by various cooling devices is developed. The installation for measurement of thermal cycles under welding with cooling on basis personal computer is worked out. The types of temperature fields and isothermal lines formed under welding with artificial cooling and the mechanism of residual distortions and stress reduction in thin sheets are analyzed and systematized. The influence of various cooling ways on an active zone, residual distortions and stress under welding is investigated. The technique of definition of a radial fluidity strip development trajectory allowing analytically to determine the deformations and stress at a stage of heating is developed. The optimum parameters of cooling using the porous cooling device water impregnated are determined. The resources saving welding technology whith artificial cooling is developed and is aplicated in manufacturing.

Key words: welding, residual stress and distortions, artificial cooling, cooling devices, resources saving technology.

АННОТАЦИЯ

Жидков А. Б. Снижение остаточных деформаций в тонколистовых металлоконструкциях путем принудительного теплоотвода. - Рукопись

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности

05.03.06 - сварка и родственные технологии. - Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт” Министерства образования и науки Украины, Киев, 2000

Диссертация посвящена вопросу снижения остаточных сварочных деформаций и напряжений в тонколистовых конструкциях путем принудительного теплоотвода. Наиболее деформативными являются тонколистовые сварные конструкции т.к. они имеют меньшую жесткость в направлении толщины. Одним из методов снижения остаточных напряжений и. деформаций является сварка с принудительным теплоотводом. В работе на основе литературных данных показана связь размеров активной зоны с температурным полем и возможность регулировки ширины активной зоны, а значит и остаточных деформаций и напряжений путем принудительного теплоотвода. Проанализированы и классифицированы существующие способы сварки с теплоотводом, произведена сравнительная проверка их эффективности экспериментальным путем. Разработана математическая модель для определения температурного поля при сварке с охпаздением различными теплопоглотителями, на основе метода конечных разностей. Для реализации модели написана компьютерная программа. Разработана и создана установка для измерения термических циклов при сварке с охлаждением на базе АЦП и ПЭВМ, позволяющая определять температуру при сварке с охлаждением с высокой точностью. Проанализированы и систематизированы типы температурных полей и изотермических линий, образующихся при сварке с принудительным охлаждением. Установлены механизмы снижения остаточных деформаций и напряжений в тонколистовых металлоконструкциях, характерные для каждого из типов температурных полей. Исследовано влияние различных способов теплоотвода на активную зону при сварке, остаточные деформации и напряжения. Установлено, что наиболее эффективным, сточки зрения снижения остаточных деформаций и напряжений, является охлаждение с использованием в качестве теплопоглотителей водных струй (компактных или разбрызганных), а наиболее технологичным - применение пористых материалов, пропитанных водой. Применение охлаждения при сварке позволяет снизить ширину активной зоны при использовании струй воды на 65-70%, а при использовании пористых материалов пропитаных водой - на 50 - 55 %. Разработана методика построения траектории развития радиальной полосы текучести позволяющая аналитически определить напряженно-деформированное состояние на стадии нагрева, что позволяет спрогнозировать остаточные деформации и напряжения. Установлено, что оптимальными параметрами охлаждения при использовании влажных пористых теплопоглотителей является плотность 0,159 - 0,318 г/см3, степень насыщения водой по объему - 45 - 50 %, ширина охлаждающего устройства 30 - 50 мм, место установки - по линии сплавления в верхней части шва (на расстоянии полуширины сварного валика от оси шва) При наличии во влажных теплопоглотителях неохлаждаемых участков шириной не более 10 мм, находящихся на расстоянии не менее 35 мм снижения эффективности теплоотвода не происходит. Для моделирования воздействия влажного теплопоглотителя на температурное поле можно пользоватья выражением для непроточной воды с поправочным коэффициентом 0,872. Установлено, что применение принудительного охлаждения при сварке конструкционных низкоуглеродистых сталей не приводит к

образованию в них закалочных структур. Разработаны общие требования к охлаждающим устройствам и параметрам охлаждения с целью минимизации уровня остаточных деформаций и напряжений в сварных конструкциях с малыми затратами. Разработана и внедрена на холдинговой компании “Лугансктепловоз" ресурсосберегающая технология сварки с принудительным охлаждением при изготовлении боковой стенки дизель-поезда.

Ключевые слова: сварка, остаточные напряжения и деформации, принудительное охлаждение, охлаждающие устройства, ресурсосберегающая технология.

Підписано до друку 15.06.2000 р. Формат 60x84 1/16 1 д. л. Тираж 100 . Замовлення № 515 Видавництво СУДУ, відділення оперативної поліграфії. 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а.