CC BY
34
№3
2007
ТЕХНОЛОГИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
МАШИНЫ
621.791.753.042.5
ОЦЕНКА СТОИМОСТИ СВАРНЫХ ШВОВ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ПРОТИВ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРЯЧИХ
ТРЕЩИН
Рпссмот/нчш фнчпческая uorte.ih образовання горячих трещин в процессе к/шсша./.ипанип при сварке. Па основе данной мо<)с.ш праУм.исеиа метоОнка расчета и программное обеспечение Оля оценки стойкости стрных швов кот трукцпн н; аномннневых сплавов против образования горячих трспнш.
The pliyxical modei oj hat ftaws formalion ai weidin# crysialliralion ix examinecl. Он ifie basis oj ihn given model the design proceünre and llie Software Jor an csliinalion ofrcsistance о/ n eldjoinls in consiruclions made oj ahuninnm alloys againsl Jbrmalion о/hol /lau s i\ offered.
Сварка является наиболее прогрессивным технологическим процессом получения неразъемных соединений алюминиевых сплавов. Распространенные дефекты при сварке алюминиевых сплавов — ого поры, оксидные плены, вольфрамовые включения и горячие трещины (ГТ). С точки зрения эксплуатации конструкций самыми опасными считаются дефекты типа ГТ, так как известны случаи, когда именно они были причинами аварийных разрушений. В связи с этим, как следует из большинства нормативных документов. Г Г недопустимы и подлежат обязательному исправлению 11. 2J.
Физическая модель образования ГТ. Современные предс тавления о природе образования ГТ основаны на физической модели согласно теории технологической прочности металлов в процессе кристаллизации при сварке, разработанной проф. H.H. i 1рохоровым [3]. Согласно этой теории, образование ГТ определяется тремя основными факторами (рис. 1): температурным интервалом хрупкости металла шва (ТИХ, °С); минимальной пластичностью в ТИХ (ö , %); характером высокотемпературных деформаций металла шва в ТИХ (ач, %/сС).
Сопротивляемость образованию ГТ (т.е. свойство металла сварного соединения сопротивляться разрушению, соответствующему по характеру разрушению при образовании ГТ) оценивается критическим темпом деформации (uxi).
Данный параметр служит для относительной сравнительной оценки склонности сварных соединений сплавов к образованию ГТ.
Стойкость сварных соединений конструкций против образования ГТ оценивается соотношением величин действующего при их сварке (аг) и критическою (икр) темпов высокотемпературных деформаций. Гели действующий темп меньше критического (а . < (х ), то делается вывод о стойкости сварною соединения конструкции про тив обра-
Асс С '.Л. КОРОЛЕЙ
№3
2007
г ог
•с к
НП ТИХ)
-1—
I
1
г
Рис. I. Графическая иллюстрация теории технологической прочности металлов к процессе
криеталлтацнп при сварке
Методика расчетной оценки стойкости сварных швов конструкций против образования ГТ. Для оценки стойкости реальных сварных соединений против образования ГТ необходимы данные о численных значениях вышеназванных факторов. Алгоритм такой оценки, базирующийся па описанной физической модели и подходах, предложенных в работе [4], приведен на рис. 2.
Исходные данные (блок 1) включают в себя параметры свариваемого материала, параметры изделия и режим сварки. /
Расчет температурного поля (блок 2) и действующего темпа деформации а ( (блок 7) выполняется методом конечных элементов (МКЭ) в объемной постановке с использованием разработанного в МГТУ им. Н.Э. Баумана программного комплекса «Сварка» [5]. Применение МКЭ позволяет учитывать геометрические особенности конструкции, условия закрепления, температурные зависимости теплофизичсских и механических свойств материалов.
Расчет ТИХ (блок 3) металла шва выполняется но методике, предложенной в работе [4], основанной на анализе равновесных диаграмм состояния сплавов с учетом влияния нс-равповеспоети процесса кристаллизации при сварке. Данная методика была использована для нахождения границ и величины ТИХ применительно к наиболее распространенным в промышленности системам легирования А]—Мй , А1—Бк А1—Си и А1—2п.
Расчет минимальной пластичности в ТИХ (блок 5) является одним из самых сложных вопросов. В монографии |6] приведена математическая статистическая линейная модель, позволяющая для условий литья определять величину минимальной пластичности в Т1IX с учетом параметров, описывающих твердо-жидкое состояние металла (линейный размер зерен, относительное количество жидкой фазы, толщина жидкой прослойки). Однако для сварки данная модель мало пригодна, так как не учитывает ее специфические особенности (неравновесность тепловых и металлургических процессов, характер кристаллизации, распределение деформации по ширине шва и т.д.)
На основе обобщения данных работ [4, 6, 7] было принято, что в условиях сварки величина минимальной пластичности зависит от значений следующих факторов, значимость которых приведена в убывающем порядке:
№ 3 2007
- угла схождения осей противоположно рас тущих кристаллитов (срастание кристаллитов боковыми гранями или их вершинами);
- критерия схемы кристаллизации, характеризующего распределение высокотемпературных деформаций по поперечному сечению шва (относительно равномерно или концентрируются в зоне срастания кристалли тов в центре шва);
- размера поперечных сечений кристаллитов (мелко- п круннокристаллнтпые швы);
- количества эвтектической фазы в период завершения крис таллизации (полностью или частично заполняющей межкрпсталлитные пространства);
- типа первичной структуры (дендритного, яченсто-дендри того и ячеистого).
1. Исходные данный:
1. Параметры материала:
1.1. Химический состав
1.2. Способ выплавки
1.3. Исходное состоянии
1.4. Теплофизические свойства.
2. Параметры изделия
2.1. Геометрические характеристики
2.2. Граничные условия
3. Режим сварки
Оценка стойкости против образования I T I--------------1---------------1
Оценка сопротивляемости образованию IT
1
Изменение исходных данных -1-
Рис. 2. Алгоритм расчетной оценки стойкости сварных швов конструкции in алюминиевых сплавов против
образования IT
№ 3
2007
Лаборатория свзриеввмости МГТУ им ь 5 Баумлиэ
Свариваемость алюминиевых сплавов
( горячие трещины )
j •• "р. _
К "
......
Рис. 3. Пример работы I1IIK «Свариваемость алюминиевых сплавов (горячие трещины)«: о — заставка; о ввод исходных данных; « параметры трещинообрнчовання
№ 3 2007
Первые характеристики факторов соответст вуют относительно высоким значениям, а вторьте- -относительно низкими значениями 6mm при прочих равных условиях.
Ti предлагаемой расчетной методике используется модель, учитывающая значимость влияние факторов па минимальную пластичность в линейной зависимости [4]:
б =0 (И-LA"Л'.). (2)
mm mm mm v í /" V— >
где 6 — искомое значение минимальной пластичности металла шва в ТИХ. %: 6 на-
mM1 nun mm
именьшееиз извес тных экспериментальных значений минимальной пластичности в ТИХ для данного типа сплавов, %; X. — нормированное значение величины, описывающей /-и с|)актор, влияющий на минимальную пластичность. [О ... 11; А — весовой коэффициент, характеризующий степень влияния /-го фактора на величину минимальной пластичности в ТИХ.
Инженерный программный комплекс ШТК «Свариваемость алюминиевых сплавов (горячие трещины)». Для удобства использования методика была реализована в виде инженерного программного комплекса ИПК «Свариваемость алюминиевых сплавов (горячие трещины)» [8, 9], пример работы которого в сист еме Windows приведен на рис. 3.
Работа в ИПК начинается с ввода исходных данных при помощи соответствующего диалогового окна (рис. 3, о). Основные результат ы расчета отображаются в диалоговом окне «Параметры трещинообразования» (рис. 3. а). Данное окно выводит информацию о рассчитанных величинах равновесного ликвидуса и солидуса, величине температурного интервала хрупкости, его верхней и нижней границах, минимальной пластичности металла шва в ТИХ, критическом и действующем темпах деформации, запасе по темпу деформации. В правой части окна при помощи графического отображения всех вышеназванных величин приводится геометрическая интерпретация физической модели образования ГТ согласно теории технологической прочност и H.H. 11рохорова для данного ко н кретн о го с л у ч ая.
Выводы
1. В настоящее время, использование физической модели образования ГТ согласно теории H.H. Прохорова, накопленный объем экспериментальных данных, а т акже возможности современной вычислительной техники позволяют разработать методики расчетной оценки сопротивляемости образованию ГТ и расчетной оценки стойкости сварных швов реальных конструкций из алюминиевых сплавов против образования ГТ.
2. Разработанная методика реализована в виде инженерного программного комплекса ИПК «Свариваемость алюминиевых сплавов (горячие трещины)». Использование ИПК позволяет выбирать конструктивно-технологические параметры (KTII), обеспечивающие стойкость сварных конструкций против образования ГТ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. II и к о л а с в Г. А., Ф ридля и а с р И. 11.. А р б у з о в К). 11. Свариваемые алюминиевые сплавы. — М: Металлургия, 1490. — 296 с.
2. Сварка п свариваемые материалы: Справочник. В 3 т. Под общ. ред. H.H. Во.тчсико. М.: Металлургия, 1991. — Т1: Свариваемость материалов / Под ред. ').Л. Макарова. — 528 с.
3. П р о х о р о в П. Н. Технологическая прочность металлов в процессе крпеталли «тип при сваркс И Сварочное производство. — 1962. —К«4. — С. 1—5.
4. Расчетный метод оценки стойкости сварных соединении сплавов против образования горячих трещин / ').Л. Макаров. A.B. Коновалов, Б.Ф. Якушин и др. Сварочное производство. — 1997. — ,\» 11. — С. ! 3— 16.
S Компьютерное проектирование и подготовка производства сварных конструкций: Учеб. Пособие для вузов: Под ред. С Л. Куркнпа. В.М. Ховова. — М.: Изд-во МIТУ им. II.') Баумана, 2002. 464 с.
№ 3 2007
6. II о в и к о в И. И. Горячсломкость цветных металлов и сплавов. — М: Паука, 1966...... 300 с.
7. П р о х о ров II. И. Физические процессы в металлах при сварке в 2-х томах. ■— VI.: Металлургия. 1968. — Г I. — 695 с.
8. М а к а р о в '). Л., К о п о в а л о в Л. В., К о р о л с в С. Л. Инженерный программный комплекс «Свариваемость алюминиевых сплавов (горячие трещины)» II Компьютерные технологии в соединении материалов. 4-я Всероссийская научно-техническая конференция (с международным участием): Сб. тех докл. — Гула: ТулГУ. 2003. — 156 с.
9. К о р о л е в С. А. Оценка склонности сварных швов алюминиевых сплавов к образованию горячих трещин // Образование через науку. Тезисы докладов Международной конференции. Москва. 2005 г. — М.: МГТУ им. 11.Э. Ьаумапа. 2005 . — 674 с.
621.91.01, 542.67
ПОЛУЧЕНИЕ МИКРОСЕТОК И ПРОНИЦАЕМЫХ ЩЕЛЕВЫХ ТРУБ
МЕХА Н И Ч ЕС КО Й О Б РА БОТ КО Й
Ипж. H.H. ЗУБКОВ, студ. А.Д. СЛЕПЦОВ
Предложено использование метода деформирую/него резания для получения металлических сеток и фильтрующих труб со iцелевой структурой поверхности. Выполнен теоретический анализ взаимосвязей параметров обработки и получаемой фильтрующей структуры. Разработана методика управления процессом деформирующего резания при сквозном прорезаиии.
Method of straining shearing is offered under production of wire cloths and filtrating pipes with a slit-like surface structure. Theoretical analysis of correlations between production performance and produced filtrating structure is executed. The technique of control is developed by process of straining shearing at open proshearing. f '
Проблема фильтрации жидкостей и газов актуальна практически для всех отраслей машиностроения, химической и пищевой промышленности. Большая потребность в недорогих фильтрах существует для систем промышленного водоснабжения. Для станций аэрации очистки сточных вод необходимы мелкопузырчатые аэраторы.
Для механического отделения твердых частиц наибольшее распространение получили металлические сетчатые и металлокерамичсские фильтры, а также бумажные и тканевые фильтроэлсмснты. На рынке ограниченно присутствуют фильтры со щелевой структурой фильтрующей поверхности, в то время как именно щелевые структуры имеют повышенную проницаемость, а также возможна их регенерация противотоком фильтрующей среды.
Для изготовления фильтрующих систем используются и полимерные материалы, такие как полиэтилен, полипропилен, ПЭТ. К их преимуществам можно отнести низкую стоимость, небольшой удельный вес, высокую коррозионную стойкость.
Разрабатываемый в МГТУ им. Н.Э. Баумана метод деформирующего резания (ДР)* позволяет образовывать на поверхностях различных материалов щели с шириной от 10 микрометров при глубине до единиц миллиметров. Поэтому метод ДР можно использовать для изготовления фильтров тонкой, средней и грубой очистки, имеющих щелевую структуру фильтрующей поверхности. Реализация получения фильтров со щелевой структурой методом ДР возможна как на листовых, так и на трубных заготовках.
Зубков II.II. Многофункциональная технология увеличения площади поверхности для повышения генлообменнмх и технологических свойств деталей И Полег (авиация, ракетная техника и космонавтика).— № 3. — 2003. — С. 41—46.
