Диссертация (Совершенствование технологии автоматической аргонодуговой сварки неплавящимся электродом стыковых соединений из тонколистовых коррозионно-стойких сталей с учетом термодеформационных процессов в изделии)

Уфимский государственный Авиационный Технический Университет_____________________________________________________________________На правах рукописиНИКИФОРОВ РОМАН ВАЛЕНТИНОВИЧУДК 621.791СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ АВТОМАТИЧЕСКОЙАРГОНОДУГОВОЙ СВАРКИ НЕПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМСТЫКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ ТОНКОЛИСТОВЫХ КОРРОЗИОННОСТОЙКИХ СТАЛЕЙ С УЧЕТОМ ТЕРМОДЕФОРМАЦИОННЫХПРОЦЕССОВ В ИЗДЕЛИИСпециальность 05.02.10 – Сварка, родственные процессы и технологииДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель доктор технических наук,профессор Атрощенко В.В.Москва – 20142ОГЛАВЛЕНИЕСтр.ВВЕДЕНИЕ6Глава 1.

АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ВОПРОСОВ, СВЯЗАННЫХС ПОЛУЧЕНИЕМ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИАВТОМАТИЧЕСКОЙ АРГОНОДУГОВОЙ СВАРКЕНЕПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ1.1.Экспериментальные данные и рекомендации по выборуосновных параметров режима автоматической сварки1.2.1010Математические модели, построенные на основеэкспериментальных данных о размерах сварного шва141.2.1.Нейросетевое моделирование аргонодуговой сварки171.2.2.Модели аналитического расчета температурных полей,основанные на теории тепловых полей Н.Н. Рыкалина1.2.3.24Моделирование геометрии сварного шва с помощьючисленных методов301.2.3.1.Полуэллипсоидальная модель Голдака301.2.3.2.Модель двойного эллипсоида Голдака321.2.3.3.Модель конического источника нагрева331.2.3.4.Моделирование геометрии сварного шва при сварке сосквозным проплавлением методами конечных элементов(МКЭ) и конечных разностей (МКР)1.3.Компьютерные технологии прогнозирования формированияшва при дуговой сварке1.4.1.5.3440Основные методы расчета остаточных деформацийконструкций после сварки47Цель и задачи работы583Стр.Глава 2.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИАПАЗОНОВРЕЖИМОВ АРГОНОДУГОВОЙ СВАРКИ СТЫКОВЫХСОЕДИНЕНИЙ НА ПОДКЛАДКЕ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХФОРМИРОВАНИЕ СВАРНОГО ШВА С РАЗМЕРАМИ,СООТВЕТСТВУЮЩИМИ ГОСТ 14771-76602.1.Оборудование для проведения исследований602.2.Сварочная оснастка, применяемый инструмент иизмерительная техника632.3.Расходные материалы для экспериментов652.4.Методика определения диапазонов режимов аргонодуговойсварки стыковых соединений на подкладке672.5.Обработка экспериментальных данных782.6.Определение эффективного КПД нагрева812.7.Оценка влияния расположения прижимов от оси сварного швана ширину шва стыковых соединений2.8.Оценка влияния ширины канавки в меднойподкладке на ширину обратного валика2.9.2.10.8485Оценка влияния шероховатости стального образца наширину обратного валика87Выводы главы 288Глава 3. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕОМЕТРИИСТЫКОВОГО ШВА ПРИ АРГОНОДУГОВОЙСВАРКЕ ТОНКОЛИСТОВЫХ КОРРОЗИОННОСТОЙКИХ СТАЛЕЙ НА МЕДНОЙ ПОДКЛАДКЕ3.1.Описание численной модели теплопередачи приаргонодуговой сварке на медной подкладке3.2.9090Граничные условия контакта сварного образцас подкладкой и прижимами954Стр.3.3.Верификация граничных условий контакта сварного образцас подкладкой и с прижимами3.4.97Выбор типа конечных элементов и конечно-элементноеразбиение 3D-модели1033.5.Обработка результатов моделирования1073.6.Численная оценка влияния расположения прижимов отоси шва на ширину сварного шва3.7.Численная оценка влияния ширины канавки в меднойподкладке на ширину обратного валика3.8.контакта на ширину обратного валика сварного шва115Определение величины теплоотдачи в медную подкладкув процессе сварки3.10.113Численная оценка влияния шероховатости поверхностей вобласти3.9.112117Численная оценка влияния ширины канавки в подкладке ивысоты микронеровностей шероховатости стального образца3.11.на величину теплоотдачи в медную подкладку при сварке119Выводы главы 3121Глава 4.

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ ЗАКРЕПЛЕНИЯ НАОСТАТОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ СВАРНОЙ КОНСТРУКЦИИНА ОСНОВЕ РАЗРАБОТАННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙМОДЕЛИ СВАРКИ1234.1.Общие требования к сборочно-сварочным приспособлениям1234.2.Численные методы расчета сварочных деформацийи напряжений4.3.Механические свойства аустенитной стали и описаниетермодеформационной модели4.4.128131Расчет остаточных деформаций при аргонодуговой сваркеплоских образцов на подкладке1335Стр.4.4.1.Верификация численной термодеформационной моделираспределения остаточных деформаций при аргонодуговойсварке плоских образцов4.4.2.135Результаты численного моделирования влияниятермодеформационного цикла аргонодуговой сварки плоскихобразцов на распределение остаточных деформаций4.5.140Методика численного моделирования влияниятермодеформационного цикла аргонодуговой сваркистыковых соединений на медной подкладке на остаточныедеформации тонколистовых конструкций4.6.Расчет остаточных деформаций при сварке продольногошва обечайки4.7.4.8.149152Расчет остаточных деформаций при сварке кольцевогошва между обечайкой и фланцем155Выводы главы 4163Общие выводы по работе164Литература1666ВВЕДЕНИЕШирокоеприменениенеплавящимсяэлектродомавтоматическая(далееАрДС)аргонодуговаяполучилавсваркаавиационномдвигателестроении для сварки узлов и агрегатов турбореактивных двигателей(ТРД) из тонколистовых коррозионно-стойких материалов толщиной от 1,5 до3 мм.

Значительная часть сварных конструкций на предприятиях выполняетсяАрДС без присадочной проволоки. В авиационном двигателестроениипреобладают стыковые сварные соединения, которые в основном выполняютна медной подкладке. При этом основными требованиями, предъявляемыми ктаким сварным конструкциям, являются высокое качество сварного шва ипостоянство его геометрических размеров.Размеры сварного шва при стыковой сварке тонколистового материала намедной подкладке регламентированы ГОСТ 14771-76 [141]. Для стыковогосоединениятонколистовыхконструкцийтипаС4регламентированыследующие геометрические размеры: е – ширина шва; g – усиление сварногошва; e1 – ширина обратного валика; g1 – высота обратного валика.

Размерыканавки в медной подкладке для формирования шва со стабильнымпроплавлением по ГОСТ 14771-76 [141] не регламентируются. Поскольку присварке тонколистовых конструкций имеет место значительная теплоотдача вмедную подкладку, размеры канавки в подкладке оказывают существенноевлияние на ширину шва и размеры обратного валика шва.Несмотря на большой объем опубликованных данных по автоматическойАрДС, полученных в результате научных исследований и производственногоопыта, они в большинстве случаев не позволяют выбрать сочетание параметроврежима сварки стыковых соединений на медной подкладке, удовлетворяющиходномуиззаданныхпроизводительность,производственныхминимальнаяширинатребований:сварногошва,максимальнаяминимальное7усиление сварного шва, минимальное отношение ширины шва к ширинеобратного валика.Учитываято,чтовдинамичноразвивающемсяавиационномдвигателестроении окончательная отработка режима сварки во многих случаяхвыполняетсяуженаготовыхдорогостоящихузлахТРД,аненатехнологических образцах, то актуальным вопросом является получениематематической модели, которая обеспечит расчет (выбор) режимов сварки,исключающих необходимость их экспериментальной корректировки и снизитзатраты времени и средств на технологическую подготовку производства.Для совершенствования технологии автоматической АрДС и болееэффективногоприменениянапроизводстведанных,полученныхпорезультатам экспериментальных исследований и численном моделированиисварки стыковых соединений на медной подкладке, возникает необходимостьих обобщения в виде закономерностей, которые могли бы служитьсправочным материалом для широкого круга специалистов и использоваться всварочных компьютеризированных автоматах, робототехнических системах,микропроцессорных источниках питания для сварки.Вопросам математического моделирования АрДС посвящено большоеколичество работ отечественных и зарубежных ученых (Н.Н.

Рыкалин, А.И.Бекетов, Б.М. Березовский, В.И. Оботуров, А.А. Ерохин, Ю.С. Ищенко, В.А.Букаров, А.И. Акулов, Э.А. Гладков, Н.А. Юхин, В.К. Прохоров, И.В.Суздалев, С.И. Полосков, В.А. Ерофеев, А.В. Иванов, J. Goldak, K.C. Mills, B.J.Keene, M. Tanaka, M. Ushio и др.). Однако в большинстве случаевпредставленные математические модели не подходят для производственногоприменения по следующим причинам: 1) низкая точность в широкомдиапазоне варьируемых параметров режимов сварки; 2) невозможность учестьреальные условия контакта сварного соединения с медной подкладкой.

Дляэффективного производственного применения данных, полученных при8моделировании сварки стыковых соединений на медной подкладке, возникаетнеобходимость их обобщения в виде закономерностей, которые могли быслужить справочным материалом для широкого круга специалистов ииспользоватьсявсварочныхкомпьютеризированныхавтоматах,робототехнических системах, микропроцессорных источниках питания длясварки. Поскольку величина теплоотдачи в подкладку оказывает существенноевлияние при сварке не только на размеры шва, но и на остаточные деформациитонколистовых конструкций, то необходима количественная оценка ее влиянияна коробление конструкций.Представляемая работа посвящена усовершенствованию технологииавтоматической АрДС без присадочной проволоки стыковых соединений намедной подкладке коррозионно-стойких сталей аустенитного класса толщинойот 1,5 до 3 мм с применением экспериментальных и теоретических методовисследования: статистическаяобработкаэкспериментальных данных сиспользованием программ STATISTICA и Mathcad, цифровая фотосъемка сдальнейшей обработкой в системе КОМПАС 3D ver.

13, численноемоделирование осуществлялось с помощью конечно-элементного комплексаANSYS/Multiphysics ver. 14.0, коробление образцов определялось с помощьюизмерительнойголовки«RenishowMP10»5-координатногостанка«Стерлитамак 500V5» и инструментального микроскопа «БМИ-1Ц».На защиту выносятся:1.Количественные зависимости основных параметров геометриисварного шва стыкового соединения по ГОСТ 14771-76 «Дуговая сварка взащитных газах. Соединения сварные. Основные типы, конструктивныеэлементы и размеры» от режимов автоматической АрДС без присадочнойпроволоки на медной подкладке тонколистовых коррозионно-стойких сталейаустенитного класса толщиной от 1,5 до 3,0 мм.2.Математическая модель с экспериментальными коэффициентамидля численного расчета ширины сварного шва и ширины обратного валика9сварного шва стыкового соединения при автоматической АрДС коррозионностойких сталей аустенитного класса толщиной от 1,5 до 3 мм.3.Компьютеризированная система выбора наилучшего сочетанияпараметров режима автоматической АрДС без присадочной проволокистыкового соединения коррозионно-стойких сталей толщиной от 1,5 до 3 мм,удовлетворяющих одному из заданных производственных требований.4.Методика оценки влияния термодеформационного цикла АрДСстыковых соединений на медной подкладке на остаточные деформациитонколистовых конструкций из коррозионно-стойких сталей аустенитногокласса и рекомендации по уменьшению остаточных деформаций наприспособлениях с медной подкладкой.Автор считает своей обязанностью выразить искреннюю признательностьи благодарность научному руководителю доктору технических наук В.В.Атрощенко за повседневное внимание, терпение и помощь в выполненииданной работы.10Глава 1.