Влияние формы разделки на остаточные напряжения в корпусных конструкциях специальной техники Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.791:539.4

ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ РАЗДЕЛКИ НА ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ В КОРПУСНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

М.А. Шолохов, А.С. Куркин, С.И. Полосков

Эффективным методом повышения производительности и качества сварочных работ при изготовлении корпусных конструкций специальной техники является внедрение двухдуговой сварки по узкому зазору. Для расширения областей ее применения определена зависимость сварочных напряжений в корпусных конструкциях специальной техники от формы разделки и параметров процесса сварки. В результате физико-математического моделирования установлено, что характер распределения остаточных сварочных напряжений при переходе от стандартных на зауженную разделку кромок практически не изменяется.

Ключевые слова: двух дуговая сварка, корпусные конструкции, остаточные сварочные напряжения, специальная техника, физико-математическое моделирование, узкий зазор.

Существенное повышение производительности труда при производстве корпусных конструкций специальной техники может быть достигнуто за счет применения двухдуговой сварки в раздельные или общую сварочную ванну, а также специальных зауженных разделок [1]. Однако существует целый ряд проблем, мешающих внедрению подобных инноваций в производство [3]. Это блуждание дуги в донной части разделки, необходимость выбора оптимальных режимов и сварочных материалов, гарантированно исключающих образование холодных и горячих трещин, отсутствие данных о напряженно-деформированном состоянии соединений, сложность обеспечения устойчивости процесса в начале и при завершении двухдуговой сварки при невозможности установления выходных планок.

Многие из этих проблем с использованием современных методов исследований к настоящему времени успешно решены. Однако данных о напряженно-деформированном состоянии сварных соединений и их механических свойствах, необходимых для подтверждения тактико-технических характеристик специальной техники, по-прежнему недостаточно [3]. В этой связи весьма актуально проведение исследований о напряженно-деформированном состоянии сварных соединений, необходимых для подтверждения тактико-технических характеристик специальной техники.

Для оценки напряженно-деформированного состояния нагруженных металлоконструкций возможно применение методов неразрушающего контроля, однако их применение на стадии разработки технологии сварки затруднено. Наиболее сложна оценка остаточных сварочных напряжений

(ОСН) из-за большого количества разнообразных факторов, влияющих на их значения. Для оценки влияния таких факторов, как форма разделки кромок и тепловложение в сварочную ванну на стадии проектирования технологий сварки, перспективно использование расчётных методов исследований [4], например, с применением программного комплекса «Сварка» [5], разработанного в МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Применение данного комплекса существенно уменьшает объем экспериментальных исследований при определении влияния тепловой мощности дуги при сварке плавящимся электродом и параметров процесса сварки на напряжения в сварных конструкциях. Основным методом определения распределений ОСН является компьютерное моделирование процесса сварки методом конечных элементов. Этот метод позволяет не только получить распределения ОСН по всей моделируемой области, но и выявить причины формирования именно такого поля ОСН, а также рассмотреть возможности и средства его благоприятного перераспределения. Комплекс «Сварка» обеспечивает моделирование процессов, протекающих при сварке, в частности, распространение теплоты от неподвижных и подвижных источников и образование напряжений и деформаций металла под действием нагрузок и неравномерного нагрева.

Комплекс включает в себя средства подготовки и анализа исходных данных, средства построения двух- и трехмерных моделей в интерактивном режиме, блок решающих модулей, а также средства визуализации результатов решения в виде изолиний и диаграмм.

Построение геометрической модели является наиболее сложным и трудоемким этапом подготовки данных. Сварочная специфика сетки конечных элементов состоит в ее сгущении в зонах больших градиентов температуры и концентрации напряжения.

Информация о материалах модели состоит из двух частей.

Во-первых, каждый из имеющихся в модели различных материалов привязан к определенным частям модели. Эти данные вводятся на этапе построения геометрической модели.

Во-вторых, для каждого материала предусмотрен ввод, независимо от остальных, комплекса теплофизических и механический свойств. Все характеристики вводятся в виде функций (главным образом, от температуры), заданных таблично.

Поскольку при сварке в сталях происходит ряд фазовых превращений, для каждого материала предусмотрено хранение комплекса свойств каждой из входящих в его состав фаз. Свойства в элементе на каждом шаге решения рассчитываются по свойствам входящих в этот материал фаз путем интерполяции с учетом их процентного содержания. После ввода всех свойств материалов геометрическая модель превращается в физическую, способную адекватно реагировать на внешние воздействия, задаваемые в

виде граничных условий. Для всех внешних границ вводятся условия 1, 2 или 3-го рода в виде функций от времени. Частным случаем условия 2-го рода при моделировании тепловых процессов является перемещение различных сварочных источников. Вместе с граничными условиями вводится задание на моделирование в виде количества и перечня стадий технологического процесса. В пределах каждой стадии состав граничных условий остается постоянным. Прекращение действия какого-либо условия или появление нового условия происходит при переходе к следующей стадии. Время, от которого зависят граничные условия, отсчитывается от начала стадии. Для каждой стадии задаются условия ее завершения, а также параметры точности моделирования (условия завершения итераций на каждом шаге решения, периодичность вывода результатов и т. д.).

Решение осуществляется за несколько шагов. Период времени, моделируемый за один шаг, рассчитывается из условий устойчивости и сходимости решения. Результаты решения выводятся в файлы и могут служить исходными данными для продолжения решения с любого шага. В случае если решение проводится не с начала, результаты шага, с которого продолжается решение, вводятся из файлов взамен начального состояния модели.

Расчет температурного поля и напряженно-деформированного состояния сварного соединения проводится в связной постановке, что позволяет учесть взаимное влияние тепловых, деформационных процессов и фазовых превращений.

Для определения зависимости сварочных напряжений в корпусных конструкциях специальной техники от формы разделки и параметров процесса сварки проведен анализ полей ОСН после дуговой сварки пластин толщиной 40 мм встык в среде углекислого газа. Расчет включал два этапа: решение тепловой задачи с определением распределения температуры и фазового состава материала и решение деформационной задачи с расчетом временных и остаточных напряжений под действием неравномерного нагрева и охлаждения материала в процессе сварки.

Варианты технологии сварки приведены в табл. 1.

Таблица 1

Варианты реализуемых технологий сварки

Вариант Технология сварки Угол разделки, град Скорость сварки, м/ч Сварочный ток, А Напряжение, В

1 Однодуговая 60 18-20 350 32-34

2 Двухдуговая 60 40 350 32-34

3 Двухдуговая 12 40 350 32-34

Угол разделки в 120 при сварке по узкому зазору, расстояние между дугами и режимы двухдуговой сварки выбирались в соответствии с рекомендациями работы [6].

Решение тепловой задачи. В процессе решения тепловой задачи моделировали последовательную укладку валиков сварного шва с учетом скорости сварки и временных интервалов между проходами. Решение проведено в нелинейной постановке, с учетом зависимости теплофизических свойств основного и присадочного металла от температуры. Основной металл - высокопрочная сталь марки 20ХГСНМ, обработанная на высокую твердость. Сварка производилась низколегированной сварочной проволокой Св-10ГСМТ (ГОСТ 2246-70). Химический состав основного и присадочного металла приведен в табл. 2.

Таблица 2

Химический состав основного и присадочного металла

Марка стали Содержание элементов, % масс.

Документ С Мп Б Р Сг N1 Мо

Основной металл 20ХГСНМ По ТУ 0,20 -0,25 0,35 -0,60 1,25 -1,50 0,03 0,03 1,00 1,50 0,40 -0,80 0,10 -0,30

Фактически 0,23 0,51 1,38 0,016 0,015 1,28 0,63 0,19

Сварочная проволока Св-10ГСМТ По ГОСТ 0,080,13 1,01,3 0,40,7 <0,025 <0,025 <0,3 <0,4 0,050,2

Фактически 0,12 1,10 0,66 0,020 0,012 0,20 0,26 0,09

Теплофизические свойства материалов в виде функций от температуры, а также интервалы фазовых превращений определены по химическому составу с использованием регрессионных моделей [7]. При моделировании также учтена нелинейная зависимость от температуры коэффициента теплоотдачи с поверхности сварного соединения (в том числе, с поверхности сварочной ванны) вследствие излучения и конвективного теплообмена с окружающей средой. Для сокращения вычислительных затрат была применена модель мгновенной укладки валиков шва на всю длину.

На рис. 1 представлены результаты моделирования - распределения температуры в процессе сварки для трех вариантов технологии.

Сопоставление вриантов показывает, что двухдуговая сварка позволяет обеспечить необходимое проплавление при существенном сокращении теплового воздействия на ЗТВ, так как узкая (щелевая) разделка обеспечивает дополнительное уменьшение количества вводимого тепла.

Решение деформационной задачи. Решение проведено по неизотермической теории упругопластического течения в нелинейной постановке, с учетом зависимости механических свойств основного и присадочного металла от температуры (рис. 2).

Рис. 1. Распределение температур в поперечном сечении сварного

соединения в процессе выполнения сварки по технологиям: а - однодуговой сварки в разделку с углом 60°; б - двухдуговой сварки в разделку с углом 60°; в - двухдуговой сварки в разделку с углом 12°

Расчет сварочных напряжений проведен с использованием двумерной конечно-элементной модели по схеме обобщенной плоской деформации. При этом принято, что поперечные сечения остаются плоскими, но возможны их взаимное смещение и поворот.

Наибольший интерес представляют компоненты напряжения в плоскости пластины, поперек и вдоль шва. Опасность поперечных напряжений связана с тем, что они могут вызвать разрушение по шву и являются одной из основных причин возникновения холодных трещин при сварке.

На рис. 3 наглядно видно, что наибольшие растягивающие напряжения возникают в средней части сечения и достигают примерно половины предела текучести металла шва и четверти предела текучести основного металла. В то же время в корне шва и у наружной поверхности преобладает сжатие.

Распределение напряжений при однодуговой и двухдуговой носят схожий характер. Такое распределение напряжений можно считать благоприятным, поскольку опасность холодных трещин обычно максимальна вблизи корня шва. Дефект в глубине сечения по своей опасности эквивалентен поверхностному дефекту вдвое меньшего размера.

Г^едел теку чести, М Па

а

Г>эедел текучести, МПа

Рис. 2. Зависимости предела текучести фазовых компонентов основного (а) и присадочного (б) металлов от температуры

X т

Рис. 3. Распределение поперечных ОСИ по сечению шва: однодуговая сварка в разделку с углом 60°; б - двухдуговая сварка в разделку с углом 60°; в - двухдуговая сварка в разделку с углом 12°

При переходе на более узкую разделку распределение ОСЫ существенно изменяется. Поскольку шахматный порядок раскладки валиков не используется, распределение напряжений становится симметричным.

149

Продольные напряжения (рис. 4) могут вызывать появление менее протяженных трещин, ориентированных поперек шва. Однако значения этой компоненты обычно больше, чем значения других компонент напряжения, они могут превосходить предел текучести материала.

Рис. 4. Распределение продольных ОСН по сечению шва: а - однодуговая сварка в разделку с углом 60°; б - двухдуговая сварка в разделку с углом 60°; в - двухдуговая сварка в разделку с углом 12°

На рис. 4 видно, что максимум продольных напряжений также приходится на середину толщины пластины. Напряжения в шве меньше, чем в основном металле, в связи с более низким пределом текучести металла этой зоны. Ширина зоны растягивающих напряжений составляет около 100 мм, в остальной части пластины продольные напряжения сжимающие. При переходе на двухдуговую сварку принципиальных изменений распределения ОСН не наблюдается, однако уровень растягивающих продольных напряжений у корня шва снижается в два раза (до 200 МПа). При переходе на более узкую разделку распределение ОСН существенно изменяется. Распределение напряжений становится симметричным, а зона растягивающих напряжений сужается и смещается к наружной поверхности шва.

Одновременно был исследован характер поперечных напряжений в виде совмещенных эпюр по координатам х и у через зону максимального значения напряжений. Такое совмещение аналогичных эпюр напряжений на одном графике обеспечивает наиболее наглядное сопоставление вариантов сварочной технологии [8].

Сопоставление показывает, что распределение поперечных ОСН по толщине пластины в наиболее нагруженном сечении для трех рассмотренных вариантов сварочной технологии практически одинаково и может быть оценено как достаточно благоприятное. При этом наибольшие растягивающие напряжения возникают в средней части сечения и достигают примерно половины предела текучести металла шва и четверти предела текучести основного металла; в корне шва и у наружной поверхности преобладает сжатие. Распределение поперечных ОСН по ширине пластины почти не изменяется при переходе с однодуговой на двухдуговую сварку. Уменьшение угла разделки сужает зону ОСН и приводит к смещению максимума напряжений на середину шва. При этом изменяется область наиболее опасного расположения сварочных дефектов. Эту особенность целесообразно учитывать при неразрушающем контроле сварных соединений.

Установлено, что распределение продольных ОСН наиболее благоприятно при двухдуговой сварке в разделку с углом 600. Сварка в такую разделку дает наименьший уровень продольных напряжений в зоне корня шва. Распределение продольных ОСН по ширине пластины заметно изменяется при переходе на более узкую разделку, так как зона растягивающих ОСН при этом резко сужается. Вместе с тем, при переходе двухдуговой сварки к более узким разделкам напряжения несколько повышаются. Однако в любом случае напряжения у корня шва меньше, чем при однодуго-вой сварке в разделку с углом 600. Это обстоятельство является еще одним доводом в преимуществах двухдуговой сварки по сравнению с однодуго-вой.

В целом проведенный анализ показывает, что переход к более прогрессивным и экономичным технологиям сварки броневых сталей не приводит к неблагоприятному перераспределению ОСН и не должен вследствие этого снижать технологическую прочность сварных соединений. В отдельных зонах (главным образом, у корня шва) наблюдаются благоприятные изменения напряженного состояния при переходе на двухдуговую сварку и сужении угла разделки.

Таким образом, компьютерное моделирование показывает, что характер распределения остаточных сварочных напряжений при переходе от стандартных на зауженную разделку кромок практически не изменяется, что позволяет рекомендовать расширение применения подобных разделок при сварке по узкому зазору корпусных конструкций специальной техники.

Результаты расчётов показывают, что максимальный уровень остаточных сварочных напряжений в корпусных конструкциях не только не возрастает по мере роста толщины броне листов, но и несколько снижается (особенно в корневой части) при многопроходной двухдуговой сварке по узкому зазору.

Список литературы

1. Шолохов М.А., Ерофеев В.А., Полосков С.И. Компьютерный анализ особенностей заполнения разделки при двухдуговой сварке плавящимся электродом по узкому зазору // Сварка и диагностика. 2013. № 3. С. 14-19.

2. Рахматуллин Т.А., Шолохов М.А., Бузорина Д.С. Проблемы внедрения зауженных разделок при сварке корпусных конструкций специальной техники // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2012. № 4. С. 64-66.

3. Ballistic-Failure mechanisms in Gas Metal Arc Welds of mil A46100 armor-grade steel: A computational investigation / M. Grujicic, J.S. Snipes, R. Galgalikar [et al.] // Journal of Materials Engineering and Performance. 2014. Vol. 23. No. 9. P. 3108-3125.

4. Судник В. А., Ерофеев В. А. Основы научных исследований и техника эксперимента. Компьютерные методы исследования процессов сварки: учеб. пособие. Тула: ТулПИ, 1988. 94 с.

5. Куркин А.С., Макаров Э.Л. Программный комплекс «Сварка» -инструмент для решения практических задач сварочного производства // Сварка и Диагностика. 2010. № 1. С. 16-24.

6. Инженерный анализ влияния параметров двухдуговой сварки высокопрочных сталей по узкому зазору на свойства сварного соединения / М.А. Шолохов, В. А. Ерофеев, С.Н. Гончаров, С.И. Полосков // Сварка и диагностика. 2013. № 5. С. 12-17.

7. Коновалов А.В., Куркин А.С. Расчетное определение температурных зависимостей теплофизических свойств структурных составляющих низколегированной стали по ее химическому составу // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2013. Т. 79. № 9. С. 41-45.

8. Шолохов М.А., Куркин А.С., Полосков С.И. Оценка влияния формы разделки и режимов сварки на остаточные напряжения в корпусных конструкциях специальной техники // Сварка и диагностика. 2014. № 6. С. 50-55.

Шолохов Михаил Александрович, канд. техн. наук, директор, [email protected], Россия, Екатеринбург, ООО «Шторм»,

Куркин Алексей Сергеевич, д-р техн. наук, проф., ack a hmstu.ru, Россия, Москва, МГТУим. Н.Э. Баумана,

Полосков Сергей Иосифович, д-р техн. наук, проф., si poloskovaimail.ru, Россия, Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана

INFLUENCE OF THE FORM EDGES GAP ON RESIDUAL TENSION IN CASE DESIGNS

OF SPECIAL EQUIPMENT

M.A. Sholokhov, A.S. Kurkin, S.I. Poloskov

Effective method of improving the productivity and quality of welding in the manufacture of hull structures of special equipment is usage of dual-arc welding by a narrow gap. We describe the dependence of welding stresses in the hull constructions from welding process parameters in order to expand its applications. As a result of physical and mathematical modeling it is established that the distribution of residual welding stresses in the transition from standard to constricted bevels is practically unchanged.

Key words: two-arc welding, hull structures, residual welding stresses, special equipment, physical and mathematical modeling, narrow gap

Sholokhov Mikhail Alexandrovich, candidate of technical science, director, [email protected], Russia, Ekaterinburg, OOO «Storm»,

Kurkin Alexey Sergeyevich, doctor of technical science, professor, [email protected], Russia, Moscow, Bauman Moscow State Technical University,

Poloskov Sergey Iosifovich, doctor of technical science, professor, si_poloskov@,mail.ru, Russia, Moscow, BaumanMoscow State Technical University

УДК 621.791:004.942

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОТКЛОНЕНИЙ ПРОЦЕССА СВАРКИ И СОСТАВА ЭЛЕКТРОДНОГО МЕТАЛЛА НА СВОЙСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

М.А. Шолохов

Показано, что вероятность возникновения дефектов формирования швов при сварке по узкому зазору целесообразно оценивать по отношению разности номинального и предельнодопустимого значений проплавления к его отклонению вследствие нестабильности параметров сварки, используя функцию Лапласа. При этом нестабильность механических свойств соединения из-за непостоянства химического состава основного и электродного металла, даже при оптимальном режиме сварки оценивается погрешностью 8-15%.

Ключевые слова: допуск, зона термического влияния, моделирование, параметры сварки, полиморфное превращение, электродная проволока, узкий зазор.

Сварка плавящимся электродом по узкому зазору обеспечивает существенное повышение производительности труда за счет уменьшения объема наплавляемого металла, что особенно важно при сварке узлов и деталей большой толщины [1]. Однако при использовании подобных разделок возникают проблемы обеспечения качественного формирования швов и необходимых служебных свойств сварных соединений.