Автореферат (Разработка расчетно-экспериментального метода оценки склонности сварных соединений к образованию горячих трещин при сварке тонколистовых металлических конструкций)

На правах рукописиУДК 621.791Труханов Константин ЮрьевичРАЗРАБОТКА РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО МЕТОДАОЦЕНКИ СКЛОННОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙК ОБРАЗОВАНИЮ ГОРЯЧИХ ТРЕЩИН ПРИ СВАРКЕТОНКОЛИСТОВЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙСпециальность 05.02.10 - Сварка, родственные процессы и технологииАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2017Работа выполнена кафедре технологий сварки Калужского филиалаМосковского государственного технического университета имени Н.Э. БауманаНаучный руководитель:доктор технических наук, профессорЦАРЬКОВ Андрей ВасильевичМГТУ им.

Н.Э. Баумана, профессорОфициальные оппоненты:доктор технических наук (05.02.10)ПОЛЕТАЕВ Юрий ВениаминовичДГТУ, профессор кафедры машини автоматизации сварочного производствакандидат технических наук (05.02.10)ТЕРЕНТЬЕВ Егор ВалерьевичНИУ «МЭИ», доцент кафедры технологийметалловВедущая организация:РГУ нефти и газа (НИУ)имени И.М.Губкина, (Москва)Защита диссертации состоится «28» сентября 2017 года в 16:00 часов назаседании диссертационного совета Д 212.141.01 при Московскомгосударственном техническом университете имени Н.Э. Баумана по адресу:105005, г.

Москва, 2-я Бауманская, ул., д. 5, стр. 1.Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатьюорганизации, просим направлять на имя ученого секретаря диссертационногосовета по указанному адресу.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московскогогосударственного технического университета имени Н.Э. Баумана и на сайтеhttp://www.bmstu.ru.Телефон для справок: (499) 267-09-63Автореферат разослан «__» _________ 2017 г.Ученый секретарьдиссертационного советадоктор технических наук, доцентА.В. Коновалов1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы. Горячие трещины (ГТ) являются характернымдефектом при сварке высоколегированных сталей, никелевых и алюминиевыхсплавов. В настоящее время разработано большое число методик испытаний пооценке технологической прочности, носящих, как правило, качественныйхарактер.

Согласно ГОСТ 26389, основными критериями оценки являютсявеличины критической скорости растяжения захватов испытательной машиныи критический темп растяжения при «машинных» испытаниях в процессесварки. При технологических пробах оценкой служит критическая скоростьсварки. Температурный интервал хрупкости (ТИХ) является наиболеефизически обоснованным количественным критерием оценки опасностивозникновения ГТ. Экспериментальное определение ТИХ является трудоемкойпроцедурой и требует сложных экспериментальных исследований наспециализированном уникальном оборудовании. Также величина ТИХхарактеризует только свойства свариваемого материала шва или основногометалла, но не характеризует деформационные процессы, которые такжеоказывают существенное влияние на процесс образования ГТ.При исследовании технологической прочности необходимо учитывать рядвзаимодействующих факторов, таких как воздействие сварочного источника ивызванные им термодеформационные процессы, реакцию изделия, вызваннуюжесткостью конструкции и его физико-химические свойства.Развитие вычислительной техники дало возможность выполнятьисследование термодеформационных процессов в высокотемпературнойобласти возникновения ГТ путем численного моделирования.

Однакосложность математического описания процессов происходящих привзаимодействии дуги и расплавленного металла сварочной ванны приводит кнеобходимости совместного использования численных и экспериментальныхметодик.Цель работы: разработка инженерной методики количественной оценкигорячихтрещинсучетомреальныхопасностивозникновениявысокотемпературных термодеформационных процессов, путем сочетаниячисленного моделирования и экспериментальных измерений.Для достижения поставленной цели необходимо решить следующиезадачи:1. Произвести анализ существующих методик оценки количественныхкритериев сопротивляемости горячим трещинам при сварке плавлением.2.

Исследовать влияние реальной геометрии сварной ванны натермодеформационные процессы и опасность возникновения горячих трещинпри сварке тонколистовых конструкций.3. Разработать и провести верификацию математического и программногообеспечения решения обратной задачи теплопроводности и анализа1термодеформационной задачи при сварке тонколистовых конструкций извысоколегированной стали.4.

Получить математические характеристики влияния основныхтехнологических параметров на опасность возникновения горячих трещин.5. Провести экспериментальную апробацию предложенной методикиоценки опасности возникновения горячих трещин при сварке тонколистовыхконструкций.6. Разработать рекомендации по выбору параметров режима сваркикорпуса автомобильного каталитического конвертера, обеспечивающихстойкость против образования горячих трещин.Научная новизна:1.

В качестве количественного критерия оценки опасности возникновениягорячих трещин при сварке тонколистовых металлических конструкцийпредложена величина максимальной кривизны контура хвостовой частисварочной ванны (МКВ).2. Путем численного моделирования показан нелинейный характеризменения темпа деформаций в ТИХ при испытаниях на сопротивляемостьобразования горячих трещин. При испытании образца тип 1 (ГОСТ 26389),толщиной 2,5 мм, из стали 12Х15Г9НД темп деформации изменяется наинтервале 100 градусов вниз от температуры солидус от 4·10-3 до 1·10-3 %/°C.3.

Установлено наличие корреляционной связи между величинамимаксимальной кривизны хвостовой части сварочной ванны (МКВ) истойкостью к образованию горячих трещин. Установлена экспоненциальнаязависимость средней длины зафиксированных горячих трещин от МКВ.4. Показано, что для каждого материала и толщины существуеткритическое значение максимальной кривизны хвостовой части сварочнойванны, при превышении которого стойкость против образования ГТ необеспечивается.

Установлено, что для стали 12Х15Г9НД, толщиной 2,0 и 2,5мм, критическое значение МКВ составляет соответственно 1,44 и 1,40 мм-1, длястали 12Х18Н10Т, толщиной 1,0 мм - 1,20 мм-1.5. Путем численного моделирования показана корреляция действующеготемпа деформации и величины максимальной кривизны хвостовой частисварочнойванны.Расчетно-экспериментальнымметодомполученыкритические значения действующего темпа деформации. Для стали12Х15Г9НД, толщиной 2,0 и 2,5 мм критическое значение действующего темпадеформации составляет соответственно 16,5·10-4 и 14,6·10-4 %/°C, для стали12Х18Н10Т, толщиной 1,0 мм – 8,1·10-4 %/°CПрактическая ценность. Разработана методика по определениюкритического значения МКВ.

Получены математические модели связипараметров режима сварки, толщины, химического состава материала ичисленных показателей технологической прочности (МКВ и действующийтемп деформации).2Разработанная методика оценки опасности возникновения горячих трещиниспользована при оптимизации режима сварки каталитического нейтрализаторавыхлопной системы автомобиля Volkswagen Polo.Методыисследования.Математическоемоделированиевысокотемпературных и термодеформационных процессов. Программнаяреализация разработанных моделей и алгоритмов на языке Fortran 90, Delphi 7.Конечно-элементное моделирование в пакете SYSWELD. Обработка расчетныхи экспериментальных данных с применением математических пакетов Matlab7.0, Maple 10. Экспериментальное исследование технологической прочностипри сварке тонколистовых конструкций из высоколегированных сталей12Х18Н10Т, 12Х15Г9НД и 08Х12Т1 толщиной до 3,0 мм.

Запись термическихциклов на АЦП LTR (ЗАО «Л-КАРД», г. Москва). Применялись установкаавтоматической сварки прямолинейных швов с управляемой скоростью исварочный источник TransPuls Synergic 2700 TIG (Fronius). Контроль дефектовсварных швов осуществлялся на оптическом инвертированном микроскопе GX51 (Olympus). Изготовление макрошлифов на шлифовальном станке StruersLabopol-25. Спектральный анализ осуществлялся на эмиссионном спектрометреАРГОН-5СФ.На защиту выносятся следующие положения:1. Методика численно-экспериментального определения максимальногозначения кривизны хвостовой части сварочной ванны.2. Установленные в результате применения разработанной методикифакторы, оказывающие существенное влияние на геометрию сварочной ванны.3. Результаты экспериментальных и расчетных исследований влиянияразличных технологических факторов на склонность к образованию горячихтрещин в области хвостовой части сварочной ванны.Апробация работы. Основные результаты диссертационной работыдокладывались на научных семинарах кафедры технологий сварки идиагностики МГТУ им.

Н.Э.Баумана (Москва, 2012, 2013, 2017), на научныхсеминарах кафедры технологий сварки Калужского филиала МГТУ им.Н.Э.Баумана (Калуга, 2011, 2012, 2013), на Международной научнотехнической конференции «Сварка и контроль-2013» (Пермь, 2013).Публикации. Материалы диссертации отражены в 4 научных работах, изних 3 в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАКРФ, а также в тезисах докладов на конференциях.Объем работы. Диссертационная работа изложена на 156 страницахмашинописного текста, иллюстрируется 127 рисунками, содержит 42 таблицы,состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы (106наименований).32. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВ первой главе проведен анализ современного состояния методик оценкиопасности возникновения горячих трещин.Горячимитрещинами(ГТ)присваркеназываютхрупкиемежкристаллитные разрушения металла шва и околошовной зоны, характерныедля высоколегированных сталей, никелевых и алюминиевых сплавов.Современное представление о ГТ основано на теории технологическойпрочности, разработанной в МГТУ Прохоровым Н.Н.