CC BY
14ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ УДК 51-74
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ ИЗ РАЗНОРОДНЫХ СТАЛЕЙ*
A.А. НИКУЛИНА, канд. техн. наук, доцент,
B.Ю. СКИБА, канд. техн. наук, доцент,
Е.Е. КОРНИЕНКО, канд. техн. наук, ассистент (НГТУ, г Новосибирск), Е.Н. МИРОНОВ, канд. техн. наук, доцент, (НГПУ, г Новосибирск)
Статья поступила 3 октября 2011 г.
Никулина А. А. - 630092, Новосибирск, пр. К. Маркса, 20 Новосибирский государственный технический университет, e-mail: lita27@mail.ru
Представлены результаты решения трехмерной задачи по определению деформации, типов структур и напряжений, возникающих в процессе стыковой контактной сварки разнородных сталей при получении сварных железнодорожных крестовин. Для расчета сварных конструкций в работе использован метод конечных элементов.
Ключевые слова: разнородные стали, контактная сварка, структура, метод конечных элементов.
Введение
Современная сварочная техника обеспечивает широкие возможности повышения качества сварных конструкций, снижения затрат труда, времени и средств при их производстве. Для рационального использования указанных возможностей при проектировании процесса сварки наряду с качественными показателями необходимы и количественные зависимости, связывающие влияние ряда конструктивных и технологических факторов на основные показатели качества сварных конструкций, таких как работоспособность, прочность, надежность.
Расчетные методы проектирования технологических процессов могут дать наиболее полную оценку особенностей изготовления сварных конструкций. Математическое моделирование свойств металла сварных соединений, остаточных деформаций и напряжений
позволяет определить наиболее рациональный способ и режим сварки. Для выполнения расчетов сварных конструкций используется множество методик, однако наиболее распространенным и оптимальным является метод конечных элементов [1, 2].
Контактная стыковая сварка представляет собой процесс образования неразъемных соединений деталей по всей поверхности соприкосновения при нагреве за счет протекания электрического тока и пластической деформации - осадки. При изготовлении сварных крестовин усилие осадки прикладывается после нагрева (сварка оплавлением) [3]. Первоначально при сближении деталей с очень малым давлением на торцы в отдельных точках возникают электрические контакты, в результате которых микрообъемы материала быстро плавятся и взрывообразно разрушаются. Объем расплавленного металла удерживается
* Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 гг.
силами поверхностного натяжения. В процессе сварки химический состав такого металла может незначительно отличаться от основного за счет окисления. На практике, однако, возможно значительное изменение содержания легирующих элементов в зоне соединения и в примыкающих к ним областях, что связано с перемещением материала с одного торца на другой. Протекание данного процесса возможно только в период существования в зоне соединения жидкой фазы, т. е. при температуре, близкой к температуре плавления сплава. Жидкий металл перемещается в направлении действия электродинамической силы сварочного контура под действием сил электромагнитного поля. При этом часть объема жидкого металла удерживается силами поверхностного натяжения и остается на поверхности оплавления. При уменьшении объема жидкого метал-
ла его перегрев увеличивается, что приводит к взрыву. Таким образом, направленная миграция может значительно влиять на качество сварных соединений [4]. После оплавления на требуемую величину нагретые концы деталей быстро осаживают, формируя соединение. При этом загрязнения выдавливаются из зоны соединения. Сварной шов после осадки имеет усиление и грат из окисленного и перегоревшего металла [3, 5].
Разнообразие образующихся структур затрудняет экспериментальные исследования кон -тактной сварки разнородных сталей. Современные методы математического моделирования позволяют наиболее полно описать структуру, возникающую при сварке разнородных сталей, а также уменьшить число дорогостоящих физических экспериментов.
Таблица 1
Параметры Стык между хромоникелевой и углеродистой сталями
Номинальное напряжение питающей сети, В 380
Номинальная частота, Гц 50
Максимальная площадь поперечного сечения свариваемых изделий, мм2 12500
Номинальное расстояние между губками, мм 240
Соотношение вылетов свариваемых изделий 1:4
Давление в гидросистеме, МПа 16
Усилие осадки, кН 770
Усилие зажатия, кН 2170
Линейное оплавление, мм: предварительное форсированное 20 4
Линейная осадка, мм 16
Скорость предварительного оплавления, мм/с 0,1 - 0,3
Скорость форсированного оплавления, мм/с: начальная конечная 0,6 1,2
Начальная скорость осадки, мм/с 25 -30
Количество ступеней предварительного оплавления 6
Пределы регулирования вторичного напряжения предварительного оплавления, В 8,0 - 3,2
Вторичное напряжение предварительного оплавления, В 8,0
Продолжительность осадки, с: общая под током 3 0,5
Таблица 2
Сталь Химический состав, %
С Mn Si Cr Ni Ti P S
М76 0,72 0,78 0,14 - - - 0,020 0,012
12Х18Н10Т 0,11 0,58 0,53 14,1 8,7 0,38 0,021 0,012
Материалы и методы исследования
С использованием конечно-элементного программного комплекса SYSWELD было проведено моделирование структурно-фазовых превращений и напряженно-деформированного состояния материала при действии теплового поля в условиях контактной сварки. Для уточнения величины и характера распределения остаточных деформаций и напряжений при действии осевой технологической нагрузки было произведено конвертирование предварительных результатов расчета из комплекса SYSWELD в среду ANSYS. Расчет был проведен для сварного шва между высокоуглеродистой и хромо-никелевой сталями. По имеющимся данным химического состава сталей (табл. 2), используемых для производства сварных крестовин, и С-образных кривых сталей 12Х18Н10Т и Э76 были выбраны материалы для моделирования. При моделировании учитывались параметры режимов сварки стыков (табл. 1). Для проведения структурных исследований использовали световой микроскоп производства Carl Zeiss Axio Observer Alm.
Результаты и обсуждение
На основе созданной трехмерной модели сварной крестовины в программном комплексе ANSYS была сформирована конечно-элементная модель сварного соединения (рис. 1). Проведенные ранее исследования [6, 7] показали, что значительные изменения структурных составляющих наблюдаются в пределах 350...500 мкм от границы сварного шва. Поэтому для обработки данных было выбрано центральное сечение, перпендикулярное сварному шву, как показано на рис. 2.
Рис. 1. Конечно-элементная модель сварной крестовины
Первоначально для сварного соединения были рассчитаны температурные поля (рис. 3), представляющие собой распределение температур в изделии в определенный момент времени. Весь процесс распространения теплоты в изделии разделяется на три стадии:
1 - теплонасыщение (рост температуры от источника нагрева);
Рис. 2. Схема сечения для обработки данных
Рис. 3. Температурные поля в процессе контактной сварки в центральном сечении
контакта заготовок. Как видно из графиков, в переходной зоне также происходит повышение температуры за счет отвода тепла от зоны расплавления. Изменение температуры по мере удаления от зоны соприкосновения составляет от 1100 до 160 °С.
Моделирование процесса структурообра-зования (рис. 5) показало, что в зоне сварного шва возможно образование мартенситной, аустенитной и бейнитной структур. Присутствие мартенсита и аустенита по результатам моделирования согласуется с результатами проведенных структурных исследований (рис. 6).
Механическое перемешивание и диффузионные процессы на границе рельсовой и хромоникелевой сталей приводят к образованию областей, богатых углеродом и легирующими элементами. При скоростях охлаждения, характерных для контактной сварки, в этих областях образуются участки мартенсита и бейнита, что приводит к формированию неравновесного структурного состояния в переходной зоне сварного шва. Анализ результатов, полученных с использованием математического моделирования, показал, что при данных условиях сварки вдоль осей у и 2 возникают как растягивающие, так и сжимающие напряжения. Вдоль
2 - предельное состояние (установившееся температурное поле);
3 - выравнивание температуры после окончания сварки [8].
Расчет охлаждения проводили согласно экспоненциальному закону, в соответствии с которым поддерживается естественный градиент температур в процессе охлаждения. На основе расчетов температурных полей были построены кривые нагрева и охлаждения различных участков сварного соединения между разнородными сталями Э76 и 12Х18Н10Т (рис. 4). Анализ полученных данных показал, что наибольшая температура достигается через 2,5 с процесса сварки и составляет 2800 °С. Жидкая фаза присутствует в интервале 2,17.. .2,83 с в зоне непосредственного
т,°с
2500
2000
1500
1000
500
_|_1_1_1_1_1_1_1
Н , 1
I /
/ /
/
Ас1 1 гА /
/ X/ / г__ N
/; V / г—* Г-" •/-Г
2,5
3,5
12
Рис. 4. Зависимость температуры различных участков сварного соединения разнородных сталей Э76 и 12Х18Н10Т от времени: 1 - зона непосредственного контакта заготовок; 2 - переходная зона; 3 - основной металл
1
1 1
1 1
а
0.0123304
0.0846625
0.128979
0.1 69306
0.2 11512
0.253959
0.296205
о.зэави
0.390939
0.423264
0.465591
0.507917
0.550244
0.59257
0.634897
0.677223
0.71955
0.761076
0.а 04202
0.046529
Рис. 5. Распределение бейнита (а) и мартенсита (б) в сварном шве
оси х зафиксированы только растягивающие напряжения.
Картина распределения напряжений в зоне сварного соединения, полученного методом стыковой контактной сварки, представлена на рис. 7. В поперечном направлении (рис. 7, а) максимальные растягивающие напряжения составляют 156 МПа, при этом уровень сжимающих напряжений достигает 364 МПа.
По оси г (рис. 7, б) максимальные сжимающие напряжения, составляющие 404 МПа, характерны для мартенситной области, а растягивающие напряжения до 455 МПа наблюдаются в зоне перехода от мартенсит-ной структуры к аустенитной стали на том ее участке, где она подвергается нагреву, сопровождающемуся выделением карбидов. На достаточном удалении от сварного шва для хромоникелевой стали характерны уже сжимающие напряжения.
Результирующие напряжения представлены на рис. 7, г. Видно, что во всем объеме сварного шва возникают растягивающие напряжения, максимальный уровень которых достигает 293 МПа. Поскольку уровень услов-
Объемная доля фазы
ного предела текучести для стали 12Х18Н10Т в закаленном состоянии составляет 196 МПа, на данном участке сварного шва возможно развитие микротрещин, что может значительно понизить тре-щиностойкость сварного соединения. При этом уровень остаточной деформации составляет 20 %, однако такая деформация наблюдается лишь в небольшом объеме.
Результаты математического моделирования, проведенного с использованием программного комплекса SYSWELD, а также учет давления в процессе сварки позволили с помощью программного комплекса ANSYS полу-
б
Рис. 6. Мартенситно-аустенитные структуры в переходной зоне сварного шва между углеродистой и хромоникелевой сталями
а
Рис. 7. Напряжения в сварном соединении по оси у (а), по оси г (б), по оси х (в) и результирующие напряжения (г), МПа
Рис. 8. Остаточные напряжения (МПа) по сечению сварного шва
чить распределение остаточных напряжений по сечению (рис. 8). Неоднородный характер распределения остаточных напряжений при достигнутом уровне градиента (9... 41 МПа/ мм) может являться причиной возникновения микротрещин. Полученные данные согласуются с результатами структурных исследований, которые показали, что наибольшее число трещин в области сварного шва между рельсовой и хромоникелевой сталями формируется в подошве и шейке рельса.
Многообразие структур переходной зоны сварных соединений между разнородными сталями, выполненных стыковой контактной сваркой, значительно осложняет исследования. Неоднородность структуры наблюдается даже в различных сечениях одного шва. Моделирование позволило наиболее полно оценить всю картину формирующихся структур и выявить области, наиболее склонные к образованию трещин.
Моделирование процесса структурообра-зования позволило установить, что в зоне сварного шва могут возникать объемы мартенсита, аустенита и бейнита, что было подтверждено результатами структурных исследований.
Список литературы
1. Биленко Г. Моделирование процессов сварки при помощи продуктов ESI Group (SYSWELD, PAM-ASSEMBLY) / Г. Биленко // САПР и графика. -№ 7. - 2010. - С. 58 - 60.
2. Скиба В.Ю. Обеспечение требуемого характера распределения остаточных напряжений при упрочнении высокоэнергетическим нагревом токами высокой частоты / В.Ю. Скиба // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). -Новосибирск, 2007. - № 2 (35). - С. 25-27
3. Кочергин К.А. Контактная сварка / К.А. Кочер-гин. - Л. : Машиностроение, 1987. - 240 с.
4. Никитин А. С. Формирование структуры зоны соединения при контактной стыковой сварке оплавлением / А. С. Никитин, С.И. Кучук-Яценко // Автоматическая сварка. - 1996. - № 2. - С. 3 - 6.
5. Чередничек В.Т. Контактная стыковая электросварка / В.Т. Чередничек. - Киев: Техника, 1976. - 243 с.
6. Bataev A.A. The investigation of fracture processes of heterogeneous steels joined by the method of contact welding / A.A. Bataev, V.A. Bataev, A.A. Niku-lina // The Third International Forum on Strategic Technologies Novosibirsk-Tomsk, Russia June 23-29. -2008. - P. 75-76.
7. Структурные исследования сварных швов, полученных методом стыковой контактной сварки заготовок из разнородных сталей / А.А. Никулина, А.А. Батаев, А.И. Смирнов, В.Г. Буров // Обработка металлов. Технология. Оборудование. Инструменты. - 2010. - № 2 (47). - С. 24 - 28.
8. Сварка и свариваемые материалы: справочник в 3 т. Т. 1. Свариваемость материалов / под ред. Э.Л. Макарова. - М. : Металлургия, 1991. - 528 с.
Simulation of structure formation during welding of heterogeneous steels
A.A. Nikulina, V.Yu. Skeeba, E.E. Kornienko, E.N. Mironov
The results of solution of contact welding of heterogeneous steels joints in three-dimensional statement are presented in the article. The welded joints of railway elements were studied. The rail steel, chrome-nickel stainless steel and Hadfield steel are used for producing these constructions. To simulate welded joints the finite element method is applied.
Key words: welding, heterogeneous steels, structure, finite element method.
