CC BY
15
ACTIVE BUCKET FOR DEVELOPMENT OF FROZEN SOILS ON THE BASIS OF HYDRAULIC EXCAVATOR S.N. Orlovskiy, A.I. Karnaukhov, S.A. Voinash, A.A. Ivanov, V.A. Sokolova
The article describes the design of an active action bucket for the development of frozen soils based on a hydraulic excavator of size group IV, namely, EO 4121 or its modern analogues. Provides information about the testing of this bucket in real operation.
Key words: bucket, striker, hammers, anvils, hydraulic system, teeth.
Orlovskiy Sergey Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, orlovskiysergey@mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Krasnoyarsk State Agrarian University,
Karnaukhov Andrey Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, karnaukhov.ai@mail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian State Aerospace University of Science and Technology. Academician N.F. Resh-etnev,
Voinash Sergey Alexandrovich, leading engineer of the research laboratory, sergey_voi@mail.ru, Russia, Kazan, Kazan Federal University,
Ivanov Alexander Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, aivanov@tvgsha.ru, Russia, Tver, Tver State Agricultural Academy,
Sokolova Victoria Aleksandrovna, candidate of technical sciences, docent, sokolova_vika@inbox.ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State University of Industrial Technologies and Design
УДК 621.791:004.942
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-705-711
ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛА ШВА ПРИ МНОГОПРОХОДНОЙ СВАРКЕ И НАПЛАВКЕ
В.А. Ерофеев, А.В. Анцев, О.И. Зайцев
Известна методика расчёта структуры и механических свойств конструкционных сталей, учитывающая скорость охлаждения и химический состав стали. Но она не учитывает многократного термического воздействия на сталь при сварке многопроходных швов. Так как скорость изменения структуры определяется диффузией, значение которой сильно изменяется при полиморфном превращении железа, то сталь при температурах выше температуры этого превращения полностью меняет структуру. При более низких температурах изменение структуры много медленнее. Это позволяет оценивать влияние повторного нагревания последовательным суммированием длительностей охлаждения металла с 850 до 500 °С при компьютерном моделировании формирования валиков по мере их выполнения. Для анализа влияния тепловых условий на прочностные свойства металла выполнили численное моделирование формирования сварного соединения при двухпроходной сварке. В ходе моделирования формирования валиков при сварке проходов определялся термический цикл в точках поперечного сечения, определялись зоны, в которых температура превышала 850 °С, а также зоны, в которых максимальное значение лежало в пределах 850...500 °С и в которых подсчитывалось суммарное время пребывания при температурах указанного диапазона. Расчёты показали очень неравномерное распределение структуры и механических свойств металла в поперечном сечении шва и зоны термического влияния, что необходимо учитывать при расчётах прочности сварных конструкций и оценке вероятности возникновения холодных трещин.
Ключевые слова: многопроходная дуговая сварка, конструкционные стали, структура и механические свойства шва, компьютерное моделирование.
При сварке листов значительной толщины слой наплавляемого металла формируется последовательным наложением валиков. При сварке и наплавке сталей при охлаждении металла формируются закалочные структуры, которые характеризуются большими значениями твёрдости и пределов прочности, но недостаточной ударной вязкостью и пластичностью. В большинстве случаев формирование таких структур нежелательно, так как они являются причиной возникновения холодных трещин. Разработаны расчётные методики [1-4], позволяющие оценивать формирование структуры конструкционных сталей при дуговой сварке, позволяющие по длительности охлаждения металла с 850 °С до 500 °С и химическому составу сталей оценивать содержание структурных составляющих: мартенсита, перлита, бейнита и феррита, а также механические свойства металла. Основой этих методик являются эмпирические модели, полученные при обработке большого количества данных о результатах сварки сталей различного химического состава на различных режимах, от которого зависит длительность пребывания металла в диапазоне температур распада аустенита, т.е. время ^5 охлаждения с температуры 850 °С до
500 °С. На рис. 1 показано влияние длительности ¿85 охлаждения зоны термического влияния стали 10ХСНД и сварного шва при использовании электродной проволоки Св-08Г2С на структуру и механические свойства металла.
Ч м - ---1 --
Я >
/ ЗТВ 10 хснд
Л, 41
<
yufj
700 600 500 400 ЗТВ 1 охснд
_ шов <
ЗТВ 1 охснд
ШОВ *
—-9
>86.=
а б
Рис. 1. Влияние длительности охлаждения с 850 °С до 500 °С на содержание мартенсита М, бейнита Б (а), на твёрдость Ну и предел текучести С>т (б) для зоны термического влияния в стали 10ХСНД и шве при сварке проволокой Св-08Г2С
Однако использовать эти методики для оценки прочностных свойств металла многопроходного шва при сварке затруднительно. Первой проблемой является неопределённость химического состава металла шва, который зависит не только от химического состава плавящегося электрода, присадочной проволоки и плавящихся кромок, но и от потери некоторых легирующих элементов вследствие их испарения и химических реакций, протекающих в расплаве сварочной ванны. Но наибольшая трудность связана с тем, что при многопроходной сварке металл шва и зоны термического влияния испытывает многократное термическое воздействие от сварки последующих проходов. Оценить влияние повторного нагрева традиционными методами, основанными на допущении о равновесном термодинамическом состоянии металла при определении режимов отпуска и отжига, невозможно ввиду краткости повторных термических воздействий при сварке.
Примером влияния повторного нагрева на прочностные свойства металла [4] является двух-проходная сварка листов из стали 30ХГСА толщиной 8 мм с двухсторонней разделкой кромок. Сварка выполнена проволокой Св-08Г2С при токе дуги 170 А и скорости 25 см/мин. На рис. 2 показаны результаты измерения твёрдости в поперечном сечении шва.
Результат измерения показал, что твёрдость распределена неравномерно по сечению шва. Середина шва имеет невысокое значение, что объясняется там, что разделка кромок заполняется преимущественно электродной проволокой. Наибольшая твёрдость соответствует зоне термического влияния, прилегающей к переплавленному металлу шва при выполнении второго прохода. Однако твёрдость металла в зоне термического влияния первого прохода значительно меньше (рис. 2, Y = 6, 390 МПа), чем второго (рис. 2, Y = 2, 620 Мпа). Так как оба прохода сваривали на одинаковом режиме и одинаковых условиях, то это различие можно объяснить только воздействием повторного нагревания металла в зоне термического влияния первого прохода.
0.00 1,00 2,D0 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00
Рис. 2. Результаты измерения твёрдости Н, МПа в поперечном сечении шва, сваренного
в два прохода
В работе [5] исследован процесс перекристаллизации сталей с ферритно-перлитной и мартен-ситной структурой при сварочном нагреве. Все способы сварки характеризуются резким локальным повышением температуры и столь же резким охлаждением за счет теплоотвода в окружающий холодный металл. При дуговой сварке в защитных газах время нагрева до температуры, превышающей 1000 °С, составляет 2-5 с, скорость нагрева составляет 100-500 К/с. Значительно меньшее время пребывания металла при температуре выше Ас3 (рис. 3) и более высокие скорости нагрева и охлаждения при сварке не обеспечивают ни равновесной величины аустенитных зерен, ни степени гомогенизации у -твердого раствора, которая достигается при термической обработке сталей.
О 10 20 30 Ft3C, Ж
Рис. 3. Стальной угол диаграммы состояния сплава железо-цементит: А - аустенит; П- перлит;
Ц - цементит; Ф - феррит
Исследование [6-8] сталей, часто применяемые в сварных конструкциях - сталей 20, 19Г1С, 20ГЛ, 40Г, 20ХГСНМ, которые имеют исходную ферритно-перлитную структуру, показало, что в зоне термического влияния происходят различные изменения, связанные с нагревом металла в процессе сварки до температур ниже Ac1 (рис. 3, участок отпуска), межкритического интервала Ac1- Ac3 (участок неполной перекристаллизации), выше Ac3 (участок полной перекристаллизации) и выше 1200 °С (участок перегрева и зона сплавления).
Установлено, что процесс перекристаллизации при нагреве в процессе дуговой сварки происходит в два этапа: на первом этапе - упорядоченное, ориентированное образование аустенита, на втором развитие рекристаллизации в межкритическом интервале, что полностью исключает проявление структурной наследственности.
Для анализа влияния тепловых условий на прочностные свойства металла выполнили численное моделирование формирования сварного соединения при двухпроходной сварке. Использовали математическую модель [9, 10], виртуально воспроизводящую плавление электрода, нагревание заданного профиля разделки кромок дугой и каплями электродного металла, плавление кромок и последовательное формирование сварочных ванн и валиков каждого из проходов (рис. 4).
На рис. 5 показан термический цикл нагрева и охлаждения металла в нескольких точках поперечного сечения второго прохода данного шва.
Результаты моделирования термического воздействия сварки последующего валика на металл валиков, сваренных ранее (см. рис. 5), показывает, что можно выделить зоны, различающиеся по условиям формирования. В зоне 1 литой металл шва был кратковременно (на 4 секунды) нагрет до температуры выше 850 °С. В зоне термического влияния 2 предшествующего валика максимальная температура также превысила это значение, но на меньшее время (0...4 секунды). В зонах 3 и 4 литого металла и зоны термического влияния температура повторного нагрева превышала значение 500 °С в течение времени от 0 до 5 с.
Q Прокод№ 1 ПронодМ? 2 850°
-щрр тиШ Ш
а б 850° в г
Рис. 4. Результат моделирования формирования двухпроходного двухстороннего шва: разделка кромок (а), поперечные сечения стыка после сварки первого (б) и второго (в) проходов, характерные зоны термического воздействия сварки второго прохода (г): нагрев выше 850 °Сметалла шва (1) и зоны термического влияния (2), выше 500 °Сметалла шва (3) и зоны термического
влияния (4) 707
2 400 2 200 2 ООО О 1 800 с 1 600 ^ 1 400 |1 200 =_ 1 ООО 800 600 400 200
-1 01234567
Время, с
Рис. 5. Термический цикл сварки и определение длительности ¿85 пребывания металла в интервале
температур 850...500 °С в различных точках (1...4) поперечного сечения шва, 5 - усреднённый термический цикл для литого металла
Малое время термического воздействия не приводит к обычным изменениям размеров кристаллических зёрен, наблюдаемых при медленном нагревании. Скорость изменения строения металла определяется диффузионным процессом, в первую очередь коэффициентом самодиффузии железа. Зависимость коэффициента диффузии О от температуры Т в твердых телах выражается законом Аррениуса О = Од еХр(—Q / кТ), где к = 8,314 Дж/(моль-К) - универсальная газовая постоянная. Значения коэффициента диффузии Од , м2/с и энергии активации для диффузии Q, Дж/моль для а — у — железа приведены в табл. 1.
Таблица 1
Значения коэффициента диффузии Од, м2/с и энергии активации для диффузии Q, Дж/моль для а — у — железа
Металл Температурный интервал, °К О0 , см2/с Q, кДж/моль
а ^е 1200.1500 3,6 298
у^е 1350.1600 1,1 284
у^е 1700.1800 6,8 259
При температуре Ас3 (для конструкционных сталей около 850 °С (см. рис. 3) при у^-а превращении коэффициент диффузии уменьшается на порядок. Это позволяет допустить, что повторный нагрев металла полностью преобразует его структуру и влияние повторного нагрева определяется длительностью пребывания металла ниже температуры 850 °С и коэффициентом диффузии, т.е. величиной
£ = | о(т ( )), где г - время пребывания металла при температуре свыше 500 °С (см. рис. 3), Т (/) -
0
термический цикл повторного нагревания металла (см. рис. 5). Если пренебречь зависимостью коэффициента диффузии от температуры в диапазоне 850.. .500 °С, то значение £ будет пропорционально длительности ¿85 пребывания металла в этом интервале температур. Это позволяет учитывать влияние повторного нагревания металла по известной методике [1-3] следующим образом. При выполнении текущего прохода при нагревании свыше 850 °С значение ¿85 определяется по термическому циклу (точки
1.3, рис. 5). При сварке последующих проходов к этому времени добавляется длительность пребывания металла при температурах свыше 500 °С при условии, если металл в данной точке не нагрелся свыше 850 °С (точка 4, рис. 5), т. е. при температурах выше 850 °С накопленная сумма ¿85 обнуляется.
Этот метод определения распределений структурных составляющих и механических свойств в поперечном сечении шва и зоны термического влияния был опробован в компьютерной модели дуговой сварки [9, 10] при виртуальном воспроизведении формирования многопроходного шва С17, соединяющего листы из стали 09Г2С толщиной 12 мм. Параметры процесса сварки приведены в табл. 2, в которой У - смещение электрода от плоскости симметрии стыка, А - амплитуда колебаний электрода поперёк стыка, ¿к - период колебаний, - скорость перемещения электрода вдоль стыка, - скорость подачи электрода диаметром 1,2 мм, I - ток дуги.
На рис. 6, а приведён расчётный макрошлиф шва. В ходе моделирования формирования валиков при сварке проходов определялся термический цикл в точках поперечного сечения, определялись зоны, в которых температура превышала 850 °С, а также зоны, в которых максимальное значение лежало в пределах 850.500 °С и в которых подсчитывалось суммарное время пребывания при температурах указанного диапазона. Результат этого подсчёта приведён на рис. 6, б.
Таблица 2
Параметры процесса дуговой сварки многопроходного шва С17 листов толщиной 12 мм
из стали 09Г2С
№ прохода У, мм А, мм (к , с у^ , мм/с у^, мм/с I, А
1 0 0 0 9,4 133 258
2 0 2,5 0,6 7 133 258
3 -1,8 2,2 1,3 3,3 162 316
4 +1,8 2,2 1,3 3,3 162 316
5 0 4,5 1,5 2,5 663 154
зтв
Длительность охлаждения 850-500°С, с
Проходы 12 4 5
■
;
£0 45 40 35 30 25 20 15 10 5
Рис. 6. Расчётный макрошлиф сварного шва С17 листов из стали 09Г2С толщиной 12 мм (а) и распределение рассчитанного значения суммарной длительности пребывания металла
в диапазоне температур 850...500 °С (б)
По длительности пребывания и химическому составу стали было рассчитано [1-3] распределение структурных составляющих по поперечному сечению шва и зоны термического влияния, показанное на рис. 7.
По распределению структурных составляющих с учётом химического состава стали были рассчитаны значения механических характеристик металла шва и зоны термического влияния, показанное на рис. 8.
Содержание, % Мартенсит Бейнит
шшж
Перлит Феррит
нИн
:
■
■
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
Рис. 7. Распределение структурных составляющих в поперечном сечении шва и зоны термического влияния после сварки 5-ти проходов
Твёрдость Ну, МПа
Относительное удлинение?, %
Ш^Ж
Предел прочности, МПа Относительное сужение £, %
1 СЯ ■ Л
Предел текучести, МПа Ударная вязкость кси, МДж/м^
■
кси ж у 0.2 ■ 5 0.4 Щ Ю 0.6 Я 15 0.8 Ш 20 1.0 Ш 25 1.2И 30 1.4 35 40 45 50 55
Ну 50 100 150 200 250
10 300
12 350 14 400 16 450
13 500
20 550 600
650
700
26 750 28 800
Рис. 8. Распределение механических свойств металла шва и зоны термического влияния
после сварки 5-ти проходов
Полученные результаты показывают, что при многопроходной сварке структура и механические свойства металла распределены в поперечном сечении шва и зоны термического влияния очень неравномерно. Это обусловлено разными значениями длительности охлаждения из-за различных значений тока дуги и скорости сварки разных проходов, а также влиянием повторного нагрева металла.
Описанная методика расчёта распределения механических свойств и структуры позволит повысит точность анализа распределения напряжений в сварном шве и оценки вероятности возникновения наиболее опасного дефекта сварки стальных конструкций - холодных трещин.
Заключение:
1. При дуговой сварке многопроходных швов последующие проходы оказывают термическое воздействие на металл, наплавленный на предыдущих проходах, и на металл зоны термического влияния. Это влияет на структуру и механические свойства конструкционных сталей.
2. Для оценки влияния повторного нагревания металла предложено использовать известные эмпирические модели формирования структуры и механических свойств, определяемых по химическому составу металла и длительности охлаждения металла с 850 до 500 °С, в которых эти длительности охлаждения суммируются для разных точек поперечного сечения шва и околошовной зоны по мере выполнения проходов, а при превышении 850 °С эта сумма обнуляется.
3. Реализация предложенной методики в программе компьютерного моделирования формирования многопроходного шва показала очень неравномерное распределение структуры и механических свойств металла в поперечном сечении шва и зоны термического влияния.
Список литературы
1. Зайффарт П., Касаткин О.Г. Расчетные модели для оценки вязкости разрушения низко- и средне легированного металла шва в зависимости от его состава и структуры // Сварочное производство. 1995. № 6. С. 10-12.
2. Касаткин О.Г., Зайффарт П. Интерполяционные модели для оценки фазового состава зоны термического влияния при дуговой сварке низколегированных сталей // Автоматическая сварка. 1984. № 1. С.7-11.
3. Касаткин О.Г., Зайффарт П. Влияние химического и фазового состава зоны термического влияния на ее механические свойства при дуговой сварке низколегированных сталей // Автоматическая сварка. 1984. № 2. С. 5-10.
4. Чинахов Д.А., Григорьева Е.Г. Способы влияния на свойства и геометрию сварного шва при сварке в защитных газах // Инновационные технологии в машиностроении: сборник трудов XI Международной научно-практической конференции, 21-23 мая 2020 г., Юрга. Томск: Изд-во ТПУ, 2020. С. 67-71.
5. Счастливцев В.М., Табачников Т.И., Яковлева И.Л. Перекристаллизация сталей при сварочном нагреве // Сварка и диагностика. 2011. № 3. С. 8-13.
6. Садовский В.Д. Структурная наследственность в стали. М.: Металлургия, 1973. 205 с.
7. Счастливцев В.М., Бармина И.Л., Карзунов С.Е. Роль остаточного аустенита в явлении структурной наследственности. Быстрый нагрев // ФМм. 1984. Т. 57. Вып. 6. С. 1138-1146.
8. Bojarski Z., Bold T. Structure and properties of carbide-free-bainite // Acta Metallurgika. 1974. Vol. 22. № 10. P. 1223-1234.
9. Полосков С.С., Ерофеев В.А., Шолохов М.А. Моделирование формирования ванны расплава и шва при наплавке плавящимся электродом с дополнительной присадочной проволокой // Заготовительные производства в машиностроении. 2020. Т. 18. № 6. С. 247-255.
10. Полосков С.С., Ерофеев В.А., Шолохов М.А. Физико-математическая модель дугового взаимодействия при наплавке плавящимся электродом с дополнительной присадочной проволокой // Сварка и диагностика. 2019. № 6. С. 27-31.
Ерофеев Владимир Александрович, канд. техн. наук, профессор, va_erofeev@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Анцев Александр Витальевич, д-р техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, a. antsev@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Зайцев Олег Игоревич, канд. техн. наук, доцент, zayzoi@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
FORMATION OF THE STRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF WELD METAL DURING
MULTI-PASS WELDING AND SURFACING
V.A. Erofeev, A.V. Antsev, O.I. Zaitsev
A method for calculating the structure and mechanical properties of structural steels, taking into account the cooling rate and the chemical composition of the steel, is well known. However, it does not take into account the repeated thermal impact on steel when welding multi-pass welds. Since the rate of change in the structure is determined by diffusion, the value of which changes greatly during the polymorphic transformation of iron, steel completely changes its structure at temperatures above the temperature of this transformation. At lower temperatures, the change in structure is much slower. This makes it possible to evaluate the effect of reheating by successive summation of the duration of metal cooling from 850 to 500 °C in computer simulation of the formation of beads as they are performed. To analyze the effect of thermal conditions on the strength properties of the metal, we performed numerical simulation of the formation of a welded joint during two-pass welding.
In the course of modeling the formation of beads during welding ofpassages, the thermal cycle was determined at the points of the cross section, the zones were determined in which the temperature exceeded 850 ° C, as well as the zones in which the maximum value was within 850...500 °C and in which the total residence time was calculated at temperatures in the specified range. The calculations showed a very uneven distribution of the structure and mechanical properties of the metal in the cross section of the weld and the heat-affected zone, which must be taken into account when calculating the strength of welded structures and assessing the likelihood of cold cracks.
Key words: multi-pass arc welding, structural steels, weld structure and mechanical properties, computer simulation.
Erofeev Vladimir Aleksandrovich, candidate of technical sciences, professor, va_erofeev@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Antsev Alexander Vitalyievich, doctor of technical science, docent, head of the department, a.antsev@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Zaitsev Oleg Igorevich, candidate of technical science, docent, zayzoi@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 001.894: 347.77.012.39
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-711-714
РАЗРАБОТКА НОВЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПИЩЕВОГО ОБОРУДОВАНИЯ С ПОМОЩЬЮ МАТРИЦЫ ПЕРЕКРЕСТНОЙ СОГЛАСОВАННОСТИ (GMA)
Т.И. Китанина
В работе рассмотрены вопросы синтеза новых высокоэффективных конструкций пищевого оборудования с помощью метода общего морфологического анализа матрицы перекрестной согласованности на примере шнекового макаронного пресса.
Ключевые слова: общий морфологический анализ, матрица перекрестной согласованности, новые технические решения, шнековые прессы.
Общий морфологический анализ (GMA) - это метод идентификации и исследования всего набора возможных взаимосвязей или «конфигураций», содержащихся в данном проблемном (техническом) комплексе [1-8]. Простого примера морфологического анализа может быть достаточно, чтобы проиллюстрировать принципы метода. Это взято из работы, проведенной Шведским агентством исследований национальной обороны (FOI) в отношении будущего шведской программы бомбоубежищ [3]. В период холодной войны Швеция ежегодно вкладывала большие суммы денег в планирование, строительство и обслуживание этих убежищ. С окончанием «холодной войны» программа убежища - ее форма, полезность и стоимость - стала предметом более пристального внимания. Эта проблема, имеющая аспекты как политического анализа, так и изучения будущего, в высшей степени подходила для морфологического анализа.
На основе представленного зарубежного опыта был разработан теоретический подход для разработки и оптимизации создания новых высокоэффективных технических решений на примере шнеково-го макаронного пресса с использованием имеющихся эмпирических данных и наработок [4,6-8].
Первая задача метода заключалась в том, чтобы идентифицировать и должным образом определить масштабы проблемы, то есть соответствующие затронутые вопросы. К ним относятся, например, технические, технологические, энергетические и вопросы общей эффективности. Одним из преимуществ GMA является отсутствие формальных ограничений на смешивание и сравнение таких разных типов вопросов.
Во-вторых, для каждой проблемы (параметра) должен быть определен спектр «ценностей». Эти значения представляют возможные релевантные состояния или условия, которые может принимать каждый параметр. Сегмент одного из пространств общей политики формирования новой конструкции устройства (шнекового пресса), который был разработан для этого исследования, представлен на рисунке 1 в соответствии с работами [3, 4]. Он был сокращен с первоначальных десяти параметров до шести и используется здесь только в инженерных целях.
В этом поле содержится 4096 возможных конфигурации, одна из которых показана на рисунке 1. (Количество возможных конфигураций равно произведению количества условий по каждому параметру: 4х4х4х4х4х4=46). Довольно легко - вручную - определить и выделить несколько десятков реалистичных конфигураций конструкции. Однако изучение всех возможных конфигураций (конструкций) потребует гораздо больше времени и усилий. Кроме того, исходная матрица макаронного пресса (жирно, подчеркнуто), плюс оставшиеся четыре параметра, содержала более 106 возможных конфигураций, а это слишком много, чтобы с ними можно было справиться вручную [4, 7, 8].
