Введение к работе
Настоящая работа посвящена проблеме повышения циклической и
статической прочности точечных соединений, выполняемых контактной
сваркой, развитию моделей формирования напряженно-
деформированного состояния металла зоны сварки в процессе его нагрева и охлаждения в условиях силового воздействия, постановке и исследованию задач по формированию благоприятного объемного поля остаточных напряжений и разработке методов их решения.
Актуальность темы диссертации. Выпуск около 50 % внутреннего валового продукта Республики Беларусь связан с применением сварочных процессов. Контактная точечная и рельефная сварка является одним из основных технологических процессов на предприятиях автомобилестроения, тракторного и сельскохозяйственного машиностроения, приборостроения и радиоэлектроники. Уровень ее технологии оказывает существенное влияние на качество изделий.
Применение способов контактной точечной и рельефной сварки, обладающих рядом значительных преимуществ по сравнению со способами сварки плавлением, позволяет значительно повысить производительность труда, уменьшить расходы на сварочные материалы и электроэнергию, а также улучшить условия труда сварщиков. Однако применение контактной сварки во многих случаях ограничено из-за невысокой и нестабильной прочности точечных соединений. По этой причине на многих предприятиях для обеспечения несущей способности конструкций применяются менее производительные способы сварки плавлением иди в конструкциях предусматривается повышенное количество сварных точек.
Развитие и совершенствование технологии контактной точечной и рельефной сварки в настоящее время невозможны без глубокого понимания сущности явлений, происходящих в зоне образования соединений в процессе термодеформационного цикла сварки, и их количественного описания. Известно, что в настоящее время не существует единой теории формирования напряженно-деформированного состояния металла литого ядра и околоточечной зоны, позволяющей с исчерпывающей полнотой описать многообразие явлений, которые характеризуют процессы нагрева, охлаждения и деформирования. Существующие математические модели, с определенной степенью приближения описывающие закономерности образования остаточных напряжений, не дают реального представления о напря-
женном состоянии точечных соединений, а некоторые полученные вьшоды противоречат результатам экспериментальных исследований. Поэтому возникла необходимость в разработке модели, позволяющей рассмотреть задачу неизотермического деформирования металла сварной точки и околоточечной зоны в объемной постановке, учитывающей наличие металлической связи между свариваемыми деталями и изменение механических характеристик деформируемого металла на стадиях нагрева и охлаждения соединения.
В практике проектирования и изготовления конструкций со сварными точками недостаточно используются возможности снижения концентрации рабочих напряжений за счет изменения конфигурации и размеров точек. Отсутствуют технологические основы сварки и сведения о прочности соединений с точками, обеспечивающими снижение коэффициента концентрации напряжений.
Разработка новых и совершенствование существующих способов повышения несущей способности точечных соединений н ее стабильности, глубокое изучение путей регулирования напряженно-деформированного состояния точечных соединений, разработка способов и средств воздействия на процесс формирования качественных соединений является актуальной задачей, отвечающей потребностям промышленности.
Связь работы с крупными научными программами, темами. Научные исследования по теме диссертации с 1975 по 1991 годы постоянно входили в Координационный план ГКНТ по сварочной науке и технике. Работа "Разработать и внедрить в серийных комбайнах конструкции узлов, изготовляемых контактной сваркой" выполнялась в 1986-1987 гх. для ПО "Гомсельмаш" в рамках Белорусской республиканской программы по решению важнейшей научно-технической проблемы 20.02.
По теме диссертации выполнен ряд научно-исследовательских работ по договорам с крупными предприятиями: ПО "Гомсельмаш" (1986-1987 гг., №гос. регистрации 81056693), ПО "Могилевлифтмаш"( 1979-1981 г.г., №79002698), , ПО "Бобруйскферммаш" (1979-1981 г.г., №79044263), Мо-гнлевский автозавод им. СМ. Кирова ( 1997 г.), ПО "Армэлектросвет" (1982-1983, №82044684), ПО "Москвич" ( 1988-1989 гх.), Минский тракторный завод (1990 г.), завод "Могилевтрансмаш" (1997).
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка теоретических и технологических основ повышения несущей способности точечных соединений посредством регулирования объемного поля
з остаточных напряжений и снижения концентрации рабочих напряжений, решение на основе математических моделей прикладных задач по созданию ресурсосберегающих технологических процессов контактной точечной и рельефной сварки.
Для реализации цели поставлены следующие задачи:
-проанализировать существующие представления о физике термодеформационного процесса образования соединений при точечной и рельефной сварке и сформулировать основные положения конструирования модели объемного неизотермического упругогагастического деформирования металла сварной точки и околоточечной зоны;
-на базе методов конечных элементов и дополнительных деформаций, теории неизотермического пластического течения разработать математическую модель напряженно-деформированного состояния точечных соединений в процессе термомеханического цикла сварки;
-исследовать напряженно-деформированное состояние металла зоны точечной сварки и разработать методику расчета остаточных напряжений, учитывающую скорость нагружения;
-предложить пути снижения концентрации рабочих напряжении в соединениях за счет изменения конфигурации и размеров сварных точек;
-разработать причинно-следственные модели образования основных дефектов при контактной точечной и рельефной сварке в условиях производства, проанализировать причины появления дефектов и определить пути повышения стабильности прочностных показателей и совершенствования контроля соединений;
-применить основные результаты исследовании для создания эффективных технологических процессов сварки, способов контроля и автоматического регулирования.
Объект и предмет исследования. Объектом исследований являются сварные соединения металлических конструкций. Целью и задачами работы в качестве предмета исследований определены соединения металлических конструкций, выполненные контактной точечной и рельефной сваркой.
Гипотеза. В работе сформулировано научное предположение о влиянии на несущую способность точечных соединений характера распределения объемного поля остаточных напряжений и концентрации рабочих напряжений. Результаты математического моделирования и после-
дующая опытно-экспериментальная проверка подтвердили правильность гипотезы, что позволило разработать теоретические основы повышения несущей способности соединений.
Методология и методы проведенного исследования. При выполнении работы использован современный математический аппарат (дифференциальное и интегральное исчисление, теория графов, метод конечных элементов, теория вероятностных методов распознавания образов, методы планирования экспериментов и др.). Для достижения поставленной цели в качестве специальных методов исследований применены математическое моделирование, металлографические исследования, регистрация параметров быстропротекающих процессов, современные методы усталостных испытаний точечных соединений.
Научная новизна и значимость полученных результатов.
Разработана математическая модель термодеформационного процесса
сварки, позволяющая с использованием метода конечных элементов про
извести расчет полей остаточных напряжений в сварной точке и околото
чечной зоне. Ее отличие от существующих заключается в рассмотрении
термодеформацнонных процессов в объемной постановке и учете на
личия металлической связи между листами в зоне свариваемого кон
такта. ' .
Установлено, что поле остаточных напряжений в зоне образования сварной точки носит объемный характер. При этом в области действия концентратора рабочих напряжений образуются сжимающие осевые остаточные напряжения, а радиальные и тангенциальные напряжения в указанной зоне ниже, чем средние напряжения по толщине листа. Показано, что такой характер распределения остаточных напряжений на границе литого ядра обусловлен различием температур центральной части и периферии сварной точки в процессе охлаждения.
На основании комплекса теоретических и экспериментальных исследований впервые показано, что при сварке сталей наведению благоприятного поля остаточных напряжений в области действия концентратора напряжений и повышению несущей способности точечных соединений способствуют: применение сварочного тока максимально возможной величины; проковка и приложение ковочного усилия по периферии сварной точки или посредством электродов со сферической рабочей поверхностью; приложение ковочного усилия в момент отключения сварочного тока или с запаздыванием, не превышающем промежуток времени, за который ме-
5 талл периферии точки остынет до температуры 700...800С; выдержка ковочного усилия до достижения в сварочной точке такой температуры, которая после размыкания электродов при дальнейшем ее снижении не приводит к существенному изменению наведенного поля остаточных напряжений.
Показано, что металл периферийной зоны сварной точки в процессе охлаждения обладает повышенной пластичностью, поэтому при точечной сварке с магнитно-импульсной обработкой ковочное усилие целесообразно прикладывать именно в этой зоне и в тот момент, когда мегалл зоны приобретает упругие свойства, достаточные для того, чтобы сохранить упругую деформацию.
Для расчета радиальных и тангенциальных напряжений в зоне соединения при контактной сварке сталей с магнитно-импульсной обработкой впервые предложен метод, отличающийся тем, что он учитывает скорость деформирования металла при приложении ковочного усилия к периферийной зоне сварной точки.
Впервые с использованием принципов математического моделирования состояния технологического процесса по характеристикам дефектности в виде графов представлены причинно-следственные связи наиболее опасных дефектов точечный и рельефной сварки, позволившие установить маршруты, по которым образуются дефекты, их основные причины и пути коррекции технологии.
Практическая (экономическая, социальная) шачимость полученных результатов. На основании технологических рекомендации (N186, 188, 197) разработаны новые технологические процессы контактной точечной її рельефной сварки, которые применяются на ПО "Гомсельмаш", ПО "Москвич", Могилевском автозаводе, ПО "Могилевлифтмаш". В технологических процессах применяются новые конструкции электродных устройств (а.с. 761195, а.с. 1574403).
Разработаны способы испытаний точечных соединений на циклическую прочность (а.с. 1260723, а.с. 1276468). При их использовании сокращается в 3...4 раза время испытаний сварных соединений и снижается металлоемкость и стоимость образцов. Разработанная с использованием двухмерных вероятностных классификационных моделей система прогнозирования качества применяется для контроля ответственных изделий из тугоплавких металлов на ПО "Армэлектросвет". Системы автоматического регулирования процессов рельефной сварки по двум параметрам
6
внедрены в производство на ПО "Могилевлифгмаш" и
"Бобруйскферммаш". Разработан способ магнитного контроля то-
чечных соединений (патент России 2029295), реализованный для контроля сварных точек на сталях толщиной до 2 мм на производственном участке отдела главного сварщика ПО "Минский тракторный завод".
Основные результаты и методики исследований использованы в учебных курсах "Технология и оборудование сварки давлением", "Микросварка и пайка в электронной промышленности" для студентов машиностроительного и заочного факультетов, в лабораторном практикуме, курсовом и дипломном проектировании, в научно-исследовательской работе студентов специальности "Оборудование и технология сварочного производства" Могилевского машиностроительного института.
В качестве коммерческого продукта могут быть реализованы изложенные в диссертации разработки и технические решения по новым технологическим процессам, способам контроля и регулирования процессов точечной и рельефной сварки, позволяющим получить соединения высокого качества и увеличить объем выпуска металлоконструкций с применением высокопроизводительных контактных машин. Разработанные технологические процессы и средства, а также их отдельные фрагменты уже внедрены на 8 предприятиях Республики Беларусь и стран СНГ с годовым экономическим эффектом 8,5 млрд. рублей (в ценах 1997 года ).
В интересах развития и совершенствования экономической и социальной сфер республики результаты работы могут быть успешно использованы и в дальнейшем. Значительной экономии электроэнергии и материалов , снижения трудоемкости и повышения производительности, улучшения экопогичности процессов можно достичь при более широком внедрении их на ПО "Гомсельмаш", "Белкоммунмаш", МТЗ, МАЗ, БелАЗ, "Бобруйскагромаш", "Могилевтрансмаш" и др.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
1. Новое решение проблемы повышения статической и циклической прочности сварных точечных соединений, которое основано на управлении напряженно-деформированным состоянием металла зоны сварки, позволяющем значительно уменьшить растягивающие остаточные напряжения в области действия концентратора и снизить концентрацию рабочих напряжений на границе точки.
2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований
процессов контактной точечной и рельефной сварки сталей и тугоплавких
металлов, которые позволяют выбрать наиболее информативные парамет
ры режима, имеющие высокие коэффициенты корреляции, а также реко
мендовать современные технологические процессы, обеспечивающие вы
сокую стабильность прочностных показателей точечных соединений.
3. Разработки в области моделирования процессов образования де
фектов точечной и рельефной сварки в условиях производства, позво
ляющие установить причинно-следственные связи между технологией и
дефектностью, количественно оценить влияние производственных факто
ров на качество соединений,
-
Новые методики проведения ускоренных испытаний точечных сварных соединений при циклически изменяющихся нагрузках, позволяющие сократить время испытаний и металлоемкость образцов для их проведения.
-
Технологические процессы контактной сварки и способы контроля точечных соединений, разработанные на основе теоретических исследовании.
Личный вклад соискателя. Опубликованные по теме диссертации работы выполнены автором лично и в соавторстве. В опубликованных работах автор осуществлял постановку задач, предлагал направления решения научных проблем, участвовал в теоретических и экспериментальных исследованиях, формулировке выводов. В диссертации результаты обобщены на различные способы контактной сварки, сформулированы общие подходы к проблеме повышения несущей способности сварных соединений.
Таким образом, автором лично предложены: новое решение проблемы расчета полей остаточных напряжений в точечных соединениях в объемной постановке при различных способах силового воздействия на периферийную часть точки; оригинальные, ранее не известные методы проведения ускоренных испытаний точечных соединений и исследования электрических параметров режима сварки; теоретически и принципиально новые способы обработки зоны образования сварного соединения в процессе его охлаждения с целью повышения прочности; математические модели причинно-следственной связи процессов контактной точечной и рельефной сварки с наиболее опасными дефектами; принципы организации, структура построения и алгоритмы работы систем управления и способов
контроля, позволяющих в условиях производства повысить качество изделий. Проведенные исследования позволили автору обобщить проблему повышения несущей способности соединений при различных способах контактной сварки и развить новое направление ее решения, которое основано на научно-обоснованном управлении напряженно деформированным состоянием зоны образования сварных соединений, осуществляемом во время протекания и после выключения сварочного тока.
Основными соавторами по опубликованным работам являются доцент Роговин ДА., аспиранты автора Попковский ВА., Десятник В.В., Мельников С.Ф., Цумарев ЮА., Емельянов С.Н., с которыми автор выполнил ряд совместных исследований и прочностных испытаний.
Апробации результатов диссертации. Основные результаты и положения работы доложены и обсуждены на Всесоюзных научно-технических конференциях по сварке (Черкассы - 1977, Владивосток -1980, Таганрог - 1980, 1981, Москва - 1983, Киев - 1985, Псков - 1987), на XII Всесоюзной научно-технической конференции "Неразрушающие физические методы контроля" (Свердловск - 1990), Международной конференции "Сварные конструкции" (Киев - 1990), Белорусских республиканских научно-технических конференциях (Минск - 1977, 1982, 1983, Могилев - 1972-1996).
Опубликованиость результатов. Основное содержание диссертации опубликовано в 77 научных работах, в том числе 1 монография, 1 справочное пособие, 1 учебное пособие, 22 статьи в журналах и сборниках, 32 тезиса докладов на конференциях. Новизна технических решений подтверждена 20 авторскими свидетельствами и патентами. Без соавторов опубликовано 9 научных работ на 147 страницах. В опубликованных совместно подготовленных научных работах автору диссертации принадлежит 177 страниц.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 198 страницах печатного текста, состоит из перечня условных обозначений, введения, общей характеристики работы, шести глав, заключения, приложения. Работа содержит 138 рисунков и 9 таблиц, помещенных на 112 страницах, и список использованных источников из 361 наименования.