Диссертация (Разработка расчетно-экспериментального метода оценки склонности сварных соединений к образованию горячих трещин при сварке тонколистовых металлических конструкций), страница 9

На Рис. 2.30, 2.31 и2.32 представлены примеры сравнения реальных и расчетных термическихциклов для различных режимов.Рис. 2.30. Пример сравнения реальных и расчетных термических циклов длярежима сварки 1.2 ( I  140 А , U  12,5 В , v  7,5 мм с ,   2 мм )67Рис.

2.31. Пример сравнения реальных и расчетных термических циклов длярежима сварки 1.3 ( I  210 А , U  15 В , v  10 мм с ,   2 мм )Рис. 2.32. Пример сравнения реальных и расчетных термических циклов длярежима сварки 1.3 ( I  210 А , U  15 В , v  10 мм с ,   2 мм )68На Рис. 2.33 представлены шлифы поперечного сечения шва для режимов2.3 и 2.4.а)б)Рис. 2.33. Шлифы поперечного сечения шва:а - для режима 2.3, б – для режима 2.4Какпоказаличисленныеэксперименты,нанесогласованностьэкспериментальных и расчетных термических циклов в начальной зоне нагрева(до 300ºС-400ºС) оказывает влияние значение параметра аf , поэтому в целяхэкономии времени счета этой неточностью пренебрегали.В Таблице 11 представлены рассчитанные параметры моделируемыхсварочных ванн для исследуемых режимов сварки (Таблица 10).69Таблица 11.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 )3.11,63,02,11,03.21,45,82,21,03.31,87,72,41,1Серия 4 (Сталь 12Х18Н10Т,   1,0 мм )4.12,04,02,11,04.22,04,82,11,04.31,45,82,21,0На Рис.

2.34 и 2.35 представлены контуры расчетных сварочных ванн наповерхности пластин (z=0) для проведенных экспериментов.Рис. 2.34. Контуры расчетных сварочных ванн для экспериментов серии 1 и 2(марка стали 12Х15Г9НД).70Рис. 2.35. Контуры расчетных сварочных ванн для экспериментов серии 3 и 4(марка стали 12Х18Н10Т).2.5. Выводы по главе 21. Предложена и реализована математическая модель нагрева образца дляиспытаний на ГТ сварочной ванной в виде двойного эллипсоида Голдака.2.

Выполнена экспериментальная верификация модели.3. Разработан алгоритм вычисления реальных размеров сварочной ванныпутем решения обратной задачи теплопроводности.71Глава 3. Максимальная кривизна хвостовой части сварочной ванныкак критерий опасности возникновения горячих трещин3.1. Форма сварочной ванны как критерий оценки опасностивозникновения горячих трещинРешающим фактором, определяющим структуру металла и деформациипри сварке плавлением, является характер и направление теплоотвода в зонеформирования шва. Определенным слепком этого теплоотвода можно считатьформу сварочной ванны.

Именно по ее геометрии можно судить о направлениитепловых потоков, а следовательно, и о направлении роста кристаллитов,формировании структуры, образовании напряжений и деформаций.В качестве комплексной характеристики, учитывающей взаимодействиеобозначенных факторов, предлагается рассмотреть форму сварочной ванны.Ваннаопределяетраспределениеградиентовтемпературихарактеркристаллизации (угол и поперечное сечение кристаллитов и т.д.).

Процесскристаллизации оказывает существенное влияние на свойства шва и ЗТВ [66,67]. Согласно исследованиям, выполненным Прохоровым Н.Н., НовиковымИ.И., Макаровым Э.Л., Якушиным Б.Ф. [68, 69], характер кристаллизацииопределяетраспределениедеформаций,минимальнуюпластичностьивеличину ТИХ (Рис. 3.1).Связь формы ванны, сварочного шва с технологической прочностьюотмечалосьвомногихработах[70-75].Глубокоеэкспериментальноеисследование влияния формы ванны на трещинообразование провел M. Wolf вБерлинском институте исследования материалов и технологий [12, 13].Результаты этих исследований указывают на тесную взаимосвязь междуформой хвостовой части ванны и опасностью трещинообразования.

Изприведенных данных в работе следует, что вытягивание хвостовой части ванныприводит к росту вероятности появления ГТ, увеличению длины и смещениюместа их возникновения к оси шва (Рис. 3.2).72Рис. 3.1. Связь формы сварочной ванны и параметров, характеризующихтехнологическую прочность.Славиным Г.А. рассматривался вопрос влияния формы сварочной ваннына вероятность образования трещин при импульсной сварке [76, 77]. В своейработе Славин Г.А.

основывался на исследованиях Прохорова Н.Н., которыепоказали связь технологической прочности со структурой металла шва,определяемой формой фронта кристаллизации или контуром сварочной ванны.Было предложено численно оценивать форму фронта кристаллизации и егокривизнувеличинойрадиусадвухмиллиметровой хорды.окружности,построеннойнабазе73а)б)в)Рис. 3.2. Влияние формы сварочной ванны на образование ГТ: а –распределение места возникновения трещин по контуру сварочной ванны; б –фотографии трещин для различных режимов сварки; в – зависимость длинызафиксированных трещин от формы ванны и координаты места возникновенияДля определения радиуса окружности Славиным Г.А.

была разработанаследующая методика. На первом этапе определялась форма контура варочной74ванны. Для этого было предложено два способа. Согласно первому способуконтур определялся по границе кратера выплеснутой ванны [78]. Для этогобыло разработано оборудование, позволяющее производить выплескиваниежидкого металла ванны с установкой времени срабатывания.

Авторамиуказывается, что погрешность данной методики не превышает 3%. Однакоданныйподходненашелширокоеприменение,ввидусложностииспользуемого оборудования и высоких требований к точности его работы.Также остался отрытым вопрос о точности определения формы ванны даннымметодом.Второй способ заключается в определения контура по чешуйкам наповерхности шва [79].

В работе [80] рассматривались гипотезы возникновенияслоистости шва. Согласно одной из них слоистость поверхности и внутреннейструктуры вызвана периодичностью воздействия тока на жидкий металлсварочной ванны [45]. Согласно другой – слоистость имеет гидродинамическуюпричину(концентрационноеуплотнениепримесейипериодическиетемпературные колебания) [81]. Сам автор придерживается гидродинамическойгипотезы и связывает ее с волновым характером поступления и кристаллизацииметалла в хвостовой части ванны [68, 82, 83]. Однако не при каждом режиме,материале и способе сварки обеспечивается формирование чешуйчатостидостаточной для визуального определения ее формы.На втором этапе осуществляется определение численной характеристикикривизны хвостовой части ванны.

Для этого строится окружность на базедвухмиллиметровой хорды, определяющей точки 1΄ и 1΄΄ (отступая по 1 мм вобе стороны от оси шва) и точки 2, находящейся на пересечении контура ванныс осью шва (Рис. 3.3).Величина R радиуса построенной окружности с центром в точке A служитв качестве численной оценки кривизны контура сварочной ванны ииспользуется для характеристики технологической прочности.75Рис.

3.3. Схема численной оценки формы сварочной ванны, предложеннаяСлавиным Г.А.Анализ данной методики показал, что оценка формы ванны по точкам,находящимся на близком расстоянии друг к другу, приводит к существеннымошибкам. Исследование влияния ошибки при определении положенияреперных точек на погрешность оценки кривизны ванны был выполнен напримере смещения точки 2 на величину ±ε вдоль оси X (Рис. 3.4).Рис.

3.4. Схема исследования влияния ошибки при определении положенияреперных точекСмещение точки 2 в точку 2΄ или 2΄΄ приводит к смещению центраокружности, а точку A΄ или A΄΄ соответственно, что в свою очередь приводит к76изменению величина радиуса окружности на R΄ и R΄΄.По данной схеме была выполнена оценка погрешности определениякривизны хвостовой части ванны для 4 различных режимов (серия 2 изТаблицы 12). На Рис. 3.5 графически показано, что отклонения приопределении положения точки на величину ±0,1 мм приводит к ошибке оценкикритерия до 20-30% и получению противоположного вывода о стойкости кобразованию ГТ.Рис. 3.5.

Влияние погрешности численной оценки формы ванны на базедвухмиллиметровой хорды на оценку опасности возникновения ГТСогласно предлагаемой методике, ванна аппроксимируется с помощьюэллипсоида по точкам, определяемым полушириной ванны b и длиннойхвостовой части ab (Рис. 3.6).Рис. 3.6. Аппроксимация контура сварочной ванны эллипсоидом77Погрешностьаппроксимацииоцениваликакотношениеплощадиразности кривых ограничивающих контуры реальной ванны и эллипсоида кплощади ограниченной кривой контура реальной сварочной ванны (Рис. 3.7):0 апп  S эл )(SS св.вS св.вS св.в2  y  yˆ -a b0.(3.1)2 y-a bРис. 3.7. Схема вычисления погрешности аппроксимацииДля оценки погрешности аппроксимации были рассмотрены фотографиишвов (Рис.

3.8), позволяющие построить границы реальной сварочной ванны почешуйкам шва или контуру кратера. Площадь фигур, ограниченных кривымиконтуров реальной сварочной ванны и аппроксимирующим эллипсоидом,вычислялась путем численного интегрирования методом трапеций.Проведенные исследования показали, что погрешность аппроксимацииреальных сварочных ванн эллипсоидом не превышает 6%, что применимо дляинженерных расчетов и согласуется с данными других авторов.78а)б)в)г)Рис.

3.8. Оценка ошибки ε аппроксимации реальных сварочных ваннэллипсоидом: a – ε=2,15%, б – ε=5,%, в – ε=0,69%, г – ε=5,29%.Для дальнейшего исследования необходимо определить численныйкритерий, характеризующий форму сварочной ванны. Сварочная ваннааппроксимируется эллипсоидом, хвостовая часть которого описываетсяуравнением fb(x):f b x   b 1 x2.ab2(3.2)Кривизна k(x) контура ванны определяется выражением:k x  f  x 1  f b x 322.(3.3)Анализ выражений 3.2 и 3.3 показал, что кривизна плавно увеличиваетсявдоль контура хвостовой части ванны fb(x) и достигает максимального значенияkmax на оси шва (Рис. 3.9):k max abb2.(3.4)79Рис. 3.9. Кривизна k x  хвостовой части сварочной ванны fb x Таким образом, в качестве численного критерия, характеризующегокривизну ванны, предлагается принять максимальную кривизну линии контурахвостовой части сварочной ванны (МКВ).Исследование влияния ошибки при определении положения реперныхточекнапогрешностьвычисленияМКВбылвыполненаналогичноисследованию методики Славина Г.А., на примере смещения точки 1 навеличину ±ε вдоль оси X (Рис.

3.10).Рис. 3.10. Схема исследования влияния ошибки при определении положенияреперных точек80Смещение точки 1 в точку 1΄ или 1΄΄ приводит к изменению величиныМКВa b1b2иab 2b2, соответственно.По данной схеме была выполнена оценка погрешности определения МКВдля 4 режимов (серия 2 из Таблицы 12). На Рис. 3.11 графически показано, чтоотклонения при определении положения точки на величину ±0,1 мм приводит кошибке оценки критерия не более 2%.Рис. 3.11. Влияние погрешности определения МКВ на оценку опасностивозникновения ГТ3.2. Методика определения максимальной кривизны ванныОпределениеМКВдляконкретногообразцаирежимаосуществляется по методике, схематично представленной на Рис. 3.12.сварки81Рис.

3.12. Методика определения МКВРассмотрим этапы методики. На первом этапе сваривается Nэ (не менее 3)контрольных образцов из испытываемого материала, толщиной δ с записьютермических циклов в ОШЗ и параметров сварочного режима (блок 1 схемы).Схема проведения эксперимента описана в параграфе 2.4. Для каждого образца,путем визуально-измерительного контроля, находятся величины полуосейэллипсоида b и с.Навторомэтапепутемчисленногорешенияобратнойзадачитеплопроводности выполняется идентификация величины полуосей эллипсоидаaf и ab передней и хвостовой частей ванны.