Диссертация (1024714), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Формирование дуговойкаверны определено по изотерме плавления флюса и разности плотностейпорошкообразного и жидкого флюсов, а также учтены нагревание шлакаизлучением дуги и током, протекающим по нему. Имеются работы, например82[125], в которых учитывается воздействие вращательного теплопереносакапельпридвижениирасплавасварочнойваннывследствиетермокапиллярного эффекта.
Показано, что этот влияние этого эффектавозрастает с увеличением размеров сварочной ванны.Для решения практических задач важное значение имеет знаниераспределениятемпературвсварочнойванне,котороевлияетнатермический цикл, а также форма сварочной ванны, которая определяетгеометрию поперечного сечения шва. Для их определения достаточноточногорешенияуравнениятеплопереносасучётомзависимоститеплопроводности и энтальпии металла от температуры.1.5.5. Физико-математические модели формирования поверхностейсварочной ванны и шваВажным явлением при дуговой сварке является формированиеповерхности расплава сварочной ванны под действием сил гравитации иэлектродинамического давления дуги, которым противостоит капиллярноедавление (силы поверхностного натяжения) и внутреннее давление врасплаве, обеспечивающее постоянство объёма жидкого металла привариациях формы поверхности.
В работе [126] форма поверхности сварочнойванны при сварке неплавящимся вольфрамовым электродом определяласьрешениемравновесиядифференциальногодавлений,вуравнения,которомполученногокапиллярноеиздавлениеусловиявыраженодифференциальным представлением кривизны поверхности. Граничныеусловия этого уравнения соответствуют закреплению поверхности наизотермеплавления,расположениекоторойопределяетсярешениемуравнения теплопроводности. Гравитационное давление определяли поотносительномууровнюрасположенияточекповерхности,аэлектродинамическое давление принимали распределённым в зависимости оттока дуги по нормальному закону.
Для определения внутреннего давления врасплавеиспользовали83итерационнуюпроцедуру,обеспечивающуюнеизменность объёма расплава в ходе решения уравнения равновесиядавлений. В работе [127] подобная модель применена при моделированииформирования сварочной ванны при поперечных колебаниях источникатеплоты и при сварке, рис. 1.26.Рис. 1.26. Характер изменения размеров сварочной ванны при шагоимпульсной сварке: zt – максимальный уровень расплава, zk - кратерпод дугой, zb - уровень расплава корня шва, StSb –площадь наружной икорневая поверхности ванны; I – импульсы тока дуги; а) продольноесечение ванны, б, в) вид на ванну сверху и снизу [127]В исследованиях [128] разработана физико-математическая модельформирования швов при орбитальной сварке вольфрамовым электродомнеповоротных стыков труб, основой является система управляющихвоздействий, описываемая уравнениями теплопроводности и равновесиядавлений на поверхностях сварочной ванны.В работе [129] предложена физико-математическая модель процессаэлектронно-лучевойсварки,учитывающаядеформациюповерхностисварочной ванны и угловую апертуру электронного пучка.
В качествеосновного применяли метод конечных разностей.Вработе[130]84предложенафизико-математическаямодельформирования кратера, возникающего при завершении дуговой наплавкиметалла в результате обычной усадки. Модель позволяет рассчитыватьформулу поверхности кратера по эволюции температурного поля во времени.Физико-математическая модель формирования поверхности сварочнойванны очень важна, так как определяет глубину кратера под дугой, чтовлияет на распределении теплового потока дуги, а также определяетформирование поверхности шва (высоту выпуклости, прогиб обратнойповерхности при сквозном проплавлении, подрезы).
Методика и алгоритмырешения системы уравнений равновесия поверхности сварочной ванны исохранения объёма расплава хорошо отработаны. Однако при исследованиипроцессов многодуговой сварки по узкому зазору необходимо некотороеуточнение данной модели, связанное с учётом сил инерции расплава,гидродинамического напора, внутреннего трения в расплаве, а также условийзакрепления поверхности на линии изотермы плавления.1.5.6. Физико-математические модели явлений и процессовв жидком металле сварочной ванныПри плавлении электродной проволоки и свариваемых кромокпроисходит формирование нового сплава, химический состав которогоможет существенно отличаться от свариваемого металла.
Кроме банальногоперемешиванияврасплавесварочнойваннывозможнопротеканиехимических реакций, вызывающих появление неметаллических включений игазов. Неметаллические включения и поры являются частым дефектом присварке, подлежащим устранению. Для их учета в работе [131] разработана ипредставлена методика, позволяющая прогнозировать уровень пористости ввысокотемпературной области при дуговой сварке алюминиевых сплавов сучетом исходного газосодержания и типа кинетической зависимостипроцесса газовыделения.85Авторами работы [132] осуществлялся последовательный расчет типа иколичества образующихся первичных карбидов, боридов и нитридов,упрочняющих фаз эвтектики и структурного состава матрицы сплава.
Длярасчетовприменялимодернизированныйметодпоследовательногоопределения содержания элементов. Схожие приемы были предложены вработах [133, 134], где закон действующих масс выражали через активностии на каждом этапе уточняли термодинамические константы, массы всех фаз ивозможные реакции.
При разработке физико-математической модели былиучтено, как жидкий металл реагирует со шлаком на поверхности расплава ина поверхности раздела металлической и шлаковой ванн; как состав общейванны формируется за счет металла поверхности расплава и основногометалла; при условии, что состав шлаковой и металлической ванн остаютсянеизменным.В работе [135] предложена методика оценки порообразования присварке сталей кипящей плавки, использующая зависимость коэффициентарастворения окислов железа в расплаве стали в зависимости от температурыиналичияраскислителей.Нарис.1.27представленазависимостьконцентрации кислорода Ко в стали от объема раскислителя Р.Рис.
1.27. Зависимостьравновесной концентрациикислорода Ко в стали отколичества раскислителя Р[135]86При сварке конструкций из высокопрочных сталей важно учитыватьизменение количества карбидов, боридов и нитридов, а также упрочняющихфаз эвтектики и структурного состава матрицы стали.Зависимость равновесной концентрации кислорода в основном металлеотколичествараскислителейможетстатьхорошейосновойдлярационального выбора электродных проволок при сварке плавящимсяэлектродом.1.5.7.
Физико-математические модели процессов в твёрдом металлешва и зоне термического влиянияКомпьютерные исследования металлургических аспектов образованиясварного соединения (плавление и затвердевание металла шва, фазовыепревращения в твердом состоянии) весьма актуальны, так как они позволяютпрогнозировать свойства шва различных зон сварного соединения. Знаниехарактера кристаллизации сварочной ванны при сварке, рост и строениекристаллов, механические свойства различных зон сварного соединения,помогутподобратьрациональныережимысварки,рекомендоватьоптимальный химический состав сварочных материалов.Физико-математические модели, относящиеся к данной категорииисследованияпроцессовматематическомунизколегированныхсваркиприведенымоделированиюсталей[136,вработахпоформирования137].Нафизико-структурыпервоначальномэтапемоделирование осуществлялось на основе распределения температур всварномсоединениивокрестностисварочнойванны,покоторымопределялись время пребывания металла в диапазоне температур распадааустенита [136].В дальнейших работах для этих целей использовалось уравнениеКолмогорова–Мела-Авраами [137].Вработах[138,139]предложенофизико-математическое87моделирование структуры низколегированных конструкционных сталей(мартенсита, бейнита, перлита и феррита) в зависимости от химическогосостава стали и длительности охлаждения в диапазоне температур850…500оС на основе статистических моделей.
Данные регрессионныемодели могут быть использованы и для расчета механических свойств сталив зависимости от содержания структурных фаз.Пример моделирования механических свойств стали в зависимости отсодержания структурных фаз составляющих приведен на рис. 1.28.Рис. 1.28. Зависимость содержания перлита П и мартенсита М (а),пределов прочности σB и текучести σT, ударной вязкости kcu, твёрдостиHv и относительного удлинения ε и сужения Ψ от длительностиохлаждения t85 в диапазоне температур 850…500оС для стали 40ХН [139]В работе [140] на основе решения системы дифференциальныхуравнений, описывающих кинетику полиморфных превращений, разработанаметодика прогнозирования фазового состава структуры низколегированных88сталей при произвольном термическом цикле сварки.
Однако проблемойиспользования рассмотренных физико-математических моделей для оценкимеханических свойств сварных соединений из высокопрочных сталейявляется то, что эти стали содержат в своем составе некоторые легирующиеэлементы в количестве, превышающем диапазон применимости известныхстатистических моделей.В этой связи, данные физико-математические модели могут найтиприменение при определении условий обеспечения требуемых служебныхсвойств соединений при многопроходной сварке по узкому зазору, однаконеобходимо их уточнение применительно к группам сталей, применяемыхпри изготовлении корпусных конструкций.1.5.8. Физико-математические модели напряжений и деформацийв сварных конструкцияхНа современном этапе развития сварочной науки и техники для оценкиостаточных напряжений все чаще используют вычислительный экспериментс использованием инженерных расчетов механики деформированноготвердого тела.
В настоящее время все физико-математические моделидеформации конструкций при сварке базируются на теории сварочныхдеформаций и напряжений, основой которой являются дифференциальныеуравнения совместимости упругих и пластических деформаций (уравнениямсовместимости перемещений точек металла).Вкачествепричиныподобныхперемещенийтрадиционнорассматривают тепловое расширение металла при нагревании металла привыполнении сварки [141].Напряжения обычно определяют по полученному распределениюперемещений с учётом значений модуля упругости и предела текучести, атакже их зависимости от температуры, с учетом упругопластическойдеформации [142], рис. 1.29.89Рис. 1.29. Зависимость пределатекучести , модуля упругостиE и относительного удлиненияпри разрыве стали Св0ГН1МА [142]При оптимизации технологии обычно ограничиваются рассмотрениемнапряжённого состояния металла шва и ЗТВ, рис.
1.30.Рис. 1.30. Изменение распределения суммарного напряжения по Мизесупри наплавке слоев по мере заполнения разделки при сварке сталиСв0ГН1МА толщиной 80 мм [142]Это обусловлено тем, что остаточные напряжения в сталях определяютвероятность возникновения холодных трещин, а также значение усадочныхсил, деформирующих сварную конструкцию. Особенностью напряженногосостояния металла в окрестности сварного шва, являются неоднородностьраспределения механических свойств стали, обусловленного локальным90воздействием термического цикла сварки, ав шве - с изменениемхимического состава вследствие подачи электродного металла.Для численного решения задач теории термопластичности обычноиспользуют метод конечных элементов, реализуемый компьютернымипрограммами типа MARC, ABAQUS,ANSIS, SYSWELD и др.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
