Диссертация (Разработка расчетно-экспериментального метода оценки склонности сварных соединений к образованию горячих трещин при сварке тонколистовых металлических конструкций), страница 11

Ошибкапри измерении положении реперных точек окружности на величину ±0,1 ммприводит к ошибке численной оценки кривизны до 20-30%.Погрешностьописания формы контура сварочной ванны с помощью двойного эллипсоида непревышает 5-6%. Для численной оценки кривизны контура предложеноиспользовать величину максимальной кривизны задней части эллипсоида,определяемой его полуосями. При этом ошибка при определении значенийполуосей на величину ±0,1 мм приводит к погрешности определения МКВ неболее 2%.3. Установлено наличие прямой корреляционной связи МКВ и опасностивозникновения горячих трещин.4.Предложенчисленныйкритерийоценкиэкспериментально-расчетная методика его определения.трещиностойкостии92Глава 4.

Исследование максимальной кривизны хвостовой частиварочной ванны как объективного критерия опасности возникновениягорячих трещинВ предыдущей главе было проведено исследование связи формысварочной ванны и трещиностойкости. Форма ванны оказывает влияние навысокотемпературные деформационные процессы и характеристики материалав ТИХ.

Вытягивание хвостовой части сварочной ванны приводит кобразованию ГТ. Для описания формы ванны предложено использовать ееаппроксимацию двойным эллипсоидом Голдака, а для численной оценки –критерий МКВ.Экспериментальное исследование термодеформационных процессов взоне образования ГТ весьма затруднительно. Поэтому часто прибегают кпомощи численного моделирования с помощью метода конечных элементов[87-90].Для исследования деформационных процессов в высокотемпературнойобласти и влияния на них МКВ было выполнено конечно-элементноемоделирование процесса сварки в пакете SYSWELD. Применение численныхметодов обеспечивает возможность исследования деформаций в металле шва вобласти ТИХ.

Для выявления связи МКВ и темпа деформаций было выполненомоделированиедляпроведенныхсерийэкспериментов,описанныхвпредыдущих главах.4.1.ТермодеформационныесопротивляемостьобразованиюпроцессыгорячихпритрещиниспытанияхнапринудительнымдеформированиемОсновными критериями оценки опасности возникновения ГТ согласноГОСТ26389-84являютсякритическаяскоростьрастяжениязахватов93испытательной машины ( A , м c ) и критический темп растяжения ( B , м С ),вычисляемый по формулеBAWТИХ,(4.1)где WТИХ - скорость охлаждения в зоне образования трещины, C c .Согласно теории технологической прочности Прохорова Н.Н. припревышениекритическогозначениятемпадеформацииисчерпываютсяпластические свойства материала и образуется трещина.

Для достижениякритическихзначенийобразецподвергаетсямашиннойнагрузке.Дляопределения критерия фиксируется скорость перемещения машинных захватов.Принципиальнымвопросомдопустимостииспользованиявышеприведенных характеристик является вопрос о характере изменениядеформаций и температур металла в ТИХ. Только в случае линейнойзависимости деформации и температуры от времени правомочно использоватьусредненные по временному интервалу величины. Величина WТИХ определяетсякак средняя скорость охлаждения в интервале 100 °С, прилегающем снизу ктемпературе солидус.Экспериментальное измерение деформации в металле сварного шва впроцессе кристаллизации и остывания является сложно реализуемой задачей.Поэтому для исследования динамики температурных и деформационныхпроцессов было проведено конечно-элементное моделирование процессаиспытания на технологическую прочность образца типа 1б (ГОСТ 26389-84).Образец представляет собой пластину, толщиной 2,5 мм, шириной 100 мм идлиной 100 мм.

Свойства материала представлены в Таблицах 15, 16 и 17 и наРис. 4.1-4.2.Таблица 15.Химический состав стали 07Х18Н10CSiMn≤ 0,07 ≤ 1,00 ≤ 2,00PSCrNi≤ 0,045 ≤0,03 17,0-19,5 8,0-10,594Таблица 16.Теплофизические свойства сталиT , C020040060080010001200135016002500c, Дж м 3  C 511542575605630655670685730, КДж  м  с  C 0,01600,02050,03240,0324, кг м 379127840775276567560745673527140Таблица 17.Механические свойства сталиT , C2010020030040050060070080090010001100120013001350Т , МПа240206178160143135125110100856030155-E, ГПа200,0190,1174,7150,072,232,075,010,010,0, 10 6 C0,003,066,7710,6514,6718,8423,1825,4226,5495а)б)в)г)д)е)Рис. 4.1.

Свойства исследуемого материала: а – теплоемкость; б –теплопроводность; в – плотность; г – модуль упругости; д – предел текучести;е – коэффициент теплового расширения96Рис. 4.2. Диаграмма деформация-напряжениеИсточник описывается двойным эллипсоидом Голдака. Параметрыисследуемых режимов представлены в Таблице 18.Таблица 18.Параметры моделируемых режимов№Режим ТрещинаI, А U, Вv, мм сa f , ммa b , ммb, мм c, мм12.2нет24016,010,05,68,52,92,922.3есть26016,012,55,811,02,83,0Перемещение захватов испытательной машины при растяжении образцазадавалось как перемещение боковых граней пластины с заданной скоростьюдеформации vд . Согласно стандарту деформирование начинается послепрохождения оси электрода 20 мм от задней кромки пластины за время t 20 .Деформирование выполняется в течение времени t д  1 с .

За это время боковаякромка смещается на величину x max  v д 2  t д . Схема испытания и еепараметры представлены на Рис. 4.3 и 4.4.97Рис. 4.3. Схема испытанияРис. 4.4. Диаграмма перемещения боковой кромки при растяженииРассмотрим результаты моделирования для режима 2.2 и различныхскоростей деформирования 0,04 мм/с, 0,08 мм/с и 0,16 мм/с. Собственнаядеформация определялась на базе 2 мм (Рис. 4.3) [91].

Машинная деформация м определялась на базе всей ширины образца. Проведенные численные иэкспериментальные исследования показали, что в высокотемпературной зонеизменения температур и деформаций имеют нелинейную зависимость отвремени (Рис. 4.5). Так скорость охлаждения WОХЛ меняется от 276 °С/с вобласти близкой к температуре солидус до 175 °С/с, при охлаждении дотемператур на 160 °С ниже температуры солидус. Аналогичная картинанаблюдаетсяисдеформациями.Наиболееинтенсивнособственныедеформации  с растут в высокотемпературной области, уменьшаясь на порядокпри охлаждении на 100-160 °С ниже температуры солидус.98Рис. 4.5.

Термический цикл и собственные деформации для различныхскоростей растяжения: 1 – 0,04 мм/с; 2 – 0,08 мм/с; 3 – 0,16 мм/сДействующий темп деформации при остывании от температуры солидусна 100 °C изменяется с величины порядка 4,0·10-3 до 1,0·10-3 %/°C (Рис. 4.6).Рис. 4.6. Действующий темп деформации для различных скоростей растяжения:1 – 0,04 мм/с; 2 – 0,08 мм/с; 3 – 0,16 мм/с99Качественныйанализрезультатовпоказывает,чторавномерноеперемещение боковых частей пластины, закрепленных в захватах машины,приводит к неравномерным деформациям по ширине пластины.

Этообъясняется,впервуюочередь,зависимостьюмеханическихитеплофизических свойств металла от температуры, которая, к тому же, носитнелинейныйхарактер.Исследованияпроводилисьдляподсолидусныхтемператур, так как только в этой области можно говорить о достоверностизадаваемых свойств материала и получаемых результатов. При более высокихтемпературах и наличие жидкой фазы задача исследования напряженнодеформированного состояния становится нетривиальной, и не имеет методикирешения с необходимой точностью. Таким образом, предлагаемые в ГОСТевеличины оценки технологической прочности некорректно рассматривать вкачествеколичественныххарактеристиктрещиностойкости.Второйпринципиальный вопрос - это знание самой величина ТИХ, как наиболеефизическиобоснованнойколичественнойхарактеристикойопасностивозникновения ГТ.4.2.

Связь максимальной кривизны хвостовой части варочнойванны, действующего темпа деформации и опасности возникновениягорячих трещинДля исследования связи МКВ и трещиностойкости выполнялосьмоделирование для образца, рассмотренного в 2.4.3 и используемого дляопределения критического значения МКВ при оценке опасности возникновенияГТ. Образец представляет собой пластину без закрепления. Химический состави свойства материала представлены в Таблицах 16, 17, 18 и на Рис. 4.1 и 4.2.Путем подбора параметров двойного эллипсоида Голдака и мощностиисточника добивались получения контуров сварочных ванн, соответствующихданным, полученным экспериментально-расчетным методом. Обозначениеполуосей эллипсоида представлено на Рис.

4.7, значения параметровэллипсоидов для исследуемых режимов – в Таблице 19.100Рис. 4.7. Геометрические параметры сварочной ванныТаблица 19.Геометрические параметры моделируемых сварочных ваннc, ммb, ммРежим a f , мм a b , ммСерия 1 (Сталь 12Х15Г9НД,   2,0 мм )1.12,311,03,02,71.21,86,22,22,01.33,213,03,02,1Серия 2 (Сталь 12Х15Г9НД,   2,5 мм )2.13,68,43,22,82.25,68,52,92,92.35,811,02,83,02.46,013,02,63,0Серия 3 (Сталь 12Х18Н10Т,   1,0 мм )3.11,63,02,11,03.21,45,82,21,03.31,87,72,41,1Распределение мощности источника задается двойным эллипсоидом:x2 y 2 z 2 2  2 2Af B C, x  0Q f eQ  x , y , z   ,x2 y 2 z 2 2 2 2Q e Ab B C , x   0 bгде(4.2)A f , Ab , B, C - полуоси эллипсоида;Q f , Q b – параметры, определяющие мощность передней и хвостовойчасти эллипсоида, соответственно;101x  – координата оси, направленной по траектории движения источника исвязанная с его центром.Исследование деформационных процессов выполнялось для времени,соответствующего моменту прохождения электродом (центром двойногоэллипсоида) через точку, находящуюся на расстоянии lв=10 мм от переднейторцевой поверхности образца (Рис.

4.8).Рис. 4.8. Схема исследования деформационных процессовОбщая картина распределения продольных и поперечных напряжений вЗТВ для одного из исследуемых режимов представлена на Рис. 4.9 и 4.10.Рис. 4.9. Общая картина продольных напряжений102Рис. 4.10. Общая картина поперечных напряженийДля исследования деформационных процессов при охлаждении винтервале температур снижения деформационной способности металла T отTsol до Tsol-150, использовалась схема, предложенная в работе [9], согласнокоторой фиксировалась величина перемещения кромок шва за времянахождения оси шва в данном интервале температур.