Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние методик оценки сопротивляемости сплавов образованию горячих трещин и стойкости сварных соединений конструкций против образования горячих трещин 10
1.1. Современные промышленные алюминиевые сплавы 10
1.2. Понятие «горячие трещины» и их классификация 11
1.3. Развитие представлений о закономерностях образования горячих трещин 12
1.4. Теория технологической прочности металлов в процессе кристаллизации при сварке 17
1.5. Методики нахождения численных величин основных факторов, определяющих образование горячих трещин 20
1.5.1. Методики нахождения границ и величины температурного интервала хрупкости 20
1.5.2. Методики нахождения величины минимальной пластичности в температурном интервале хрупкости 26
1.5.3. Методики определения величины действующего темпа деформации в сварном соединении 29
1.6. Методы оценки сопротивляемости образованию горячих трещин и стойкости сварных соединений против образования горячих трещин 31
1.6.1. Экспериментальные методы 31
1.6.2. Расчетные методы 38
Выводы по главе 1 41
Цель работы 43
Задачи работы 43
Глава 2. Разработка методики расчетной оценки стойкости сварных швов конструкций против образования горячих трещин 44
2.1. Алгоритм расчетной оценки стойкости сварных швов конструкций против образования горячих трещин 44
2.2. Исходные данные для расчетной оценки 47
2.3. Выбор методики расчета температурного поля и действующего темпа деформации 47
2.4. Методика расчета температурного интервала хрупкости 48
2.5. Разработка вида модели минимальной пластичности металла шва в температурном интервале хрупкости 51
2.5.1. Выбор основных факторов, влияющих на величину минимальной пластичности металла шва в температурном интервале хрупкости 51
2.5.1.1. Факторы угла схождения осей противоположно растущих кристаллитов и характера распределения сварочной деформации по ширине шва 51
2.5.1.2. Фактор размера поперечных сечений кристаллитов 55
2.5.1.3. Фактор количества эвтектической фазы в период завершения кристаллизации 56
2.5.1.4. Фактор типа первичной структуры 57
2.5.2. Общий вид модели минимальной пластичности в температурном интервале хрупкости 57
Выводы по главе 2 60
Глава 3. Реализация методики расчетной оценки стойкости сварных швов конструкций против образования горячих трещин применительно к алюминиевым сплавам 62
3.1. Основные положения, принятые при реализации расчетной методики 62
3.2. Конкретизация исходных данных 64
3.3. Расчет температурного поля 65
3.4. Получение моделей границ температурного интервала хрупкости для алюминиевых сплавов 70
3.5. Получение модели минимальной пластичности в температурном интервале хрупкости для алюминиевых сплавов 80
3.5.1. Определение диапазона изменения величины минимальной пластичности в ТИХ 80
3.5.2. Определение действительных и нормированных значений факторов, влияющих на величину минимальной пластичности металла шва в температурном интервале хрупкости 81
3.5.2.1. Фактор угла схождения осей противоположно растущих кристаллитов 81
3.5.2.2. Фактор характера распределения сварочной деформации по ширине шва 84
3.5.2.3. Фактор размера поперечных сечений кристаллитов 85
3.5.2.4. Фактор относительного количества эвтектической фазы в период завершения кристаллизации 88
3.5.2.5. Фактор типа первичной структуры 90
3.5.3. Определение весовых коэффициентов значимости факторов, влияющих на минимальную пластичность 96
3.6. Расчет напряженно-деформированного состояния и действующего темпа деформации 99
3.7. Расчет критического темпа деформации 112
3.8. Учет влияния вредных примесей 113
Выводы по главе 3 115
Глава 4. Расчетная оценка сопротивляемости образованию ГТ и стойкости сварных швов конструкций из алюминиевых сплавов против образования ГТ 117
4.1. Инженерный профаммный комплекс ИПК «Свариваемость алюминиевых сплавов (горячие трещины)» 117
4.2. Оценка сопротивляемости сварных швов алюминиевых сплавов образованию ГТ 128
4.3. Оценка стойкости сварных швов конструкций из алюминиевых сплавов против образования ГТ 133
4.3.1. Оценка стойкости против образования ГТ листовых конструкции с прямолинейным швом 133
4.3.2 Оценка стойкости против образования ГТ листовых конструкций с круговым швом 137
Выводы по главе 4 140
Выводы по работе 141
Список литературы
- Теория технологической прочности металлов в процессе кристаллизации при сварке
- Выбор методики расчета температурного поля и действующего темпа деформации
- Получение моделей границ температурного интервала хрупкости для алюминиевых сплавов
- Оценка стойкости сварных швов конструкций из алюминиевых сплавов против образования ГТ
Введение к работе
Актуальность проблемы. Согласно последним экономике - статистическим данным, одними из наиболее распространенных конструкционных материалов являются алюминиевые сплавы, которые по объему использования в мире занимают второе место, уступая лишь сталям Основными областями применения алюминиевых сплавов являются отрасли, создающие образцы высокотехнологичной, наукоемкой и дорогостоящей техники (космическая, авиационная и автомобильная промышленность, судостроение и др)
Изделия названных отраслей являются ответственными, поэтому к их сварным соединениям предъявляются повышенные требования к качеству и надежности Многолетняя практика показала, что наиболее распространенными дефектами при сварке алюминиевых сплавов являются поры, оксидные плены, вольфрамовые включения и горячие трещины (ГТ), повышенная склонность к которым установлена для систем Al-Mg, Al-Cu, Al-Si и Al-Zn По большинству нормативных документов ГТ в отличие от всех других дефектов являются недопустимыми и подлежат обязательному исправлению
Из производственного опыта известно, что время исправления трещины сопоставимо или превышает время выполнения всего сварного шва Это приводит к незапланированным ранее затратам, что увеличивает себестоимость изготовления изделия Кроме того, это снижает качество сварных соединений, так как при подварке, т е повторном локальном нагреве исправляемых участков, появляются местные напряжения, возможно укрупнение зерна, ухудшение пластических свойств металла и т д
Таким образом, мероприятия, связанные с предотвращением ГТ, основанные на предварительной оценке возможности их появления (еще на этапе разработки конструкции и технологии ее сварки), по сравнению с их последующим устранением, являются более выгодными, как с технической, так и с экономической точки зрения
Цель работы. Обеспечение стойкости сварных швов конструкций из алюминиевых сплавов против образования ГТ на этапе принятия конструкторско — технологических решений
Задачи работы.
-
На основе физической модели НН Прохорова технологической прочности металлов в процессе кристаллизации при сварке разработать методики расчетной оценки сопротивляемости сплавов образованию ГТ и стойкости сварных швов конструкций из алюминиевых сплавов против образования ГТ
-
Получить математические модели для нахождения количественных значений основных факторов, обусловливающих образование ГТ
-
Разработанные методики реализовать в виде инженерного программного комплекса «Свариваемость алюминиевых сплавов (горячие трещины)»
-
Выполнить расчеты сопротивляемости сплавов образованию ГТ и стойкости против образования ГТ сварных швов промышленных
алюминиевых сплавов в зависимости от состава, геометрических параметров и режимов сварки листов и листовых элементов конструкций
Методы исследований. В работе использовались как расчетные, так и экспериментальные методы исследований
Расчетные методы включали в себя метод конечных элементов (МКЭ) для численного моделирования процессов распространения теплоты и развития сварочных деформаций, методы построения математических моделей
Экспериментальные исследования выполнялись путем сварки стандартных модельных образцов с целью подтверждения установленного расчетом диапазона темпов высокотемпературной деформации, в котором возможно образование ГТ
Научная новизна работы заключается в следующем
-
Получены математические модели основных факторов, которые согласно физической модели Н Н Прохорова обусловливают образование ГТ — температурного интервала хрупкости для сплавов систем легирования А1 -Mg, А1 - Si, Al - Си, Al - Zn (в зависимости от химического состава с учетом неравновесности условий охлаждения) и минимальной пластичности в этом интервале (в зависимости от параметров твердо - жидкого состояния шва в процессе кристаллизации - схемы кристаллизации, типа первичной структуры и соотношения жидкой и твердой фаз)
-
Установлено, что для заданных химического состава, толщины металла и режима сварки существует максимальное значение действующего темпа высокотемпературной деформации при сварке конструкций, величина которого определяется удельной погонной энергией, тешюфизическими и механическими свойствами материала Его использование позволяет выполнять оперативную консервативную оценку запаса стойкости сварных швов произвольных конструкций против образования ГТ на основе сравнения критического темпа деформации с данным максимально возможным значением действующего темпа деформации
Практическая значимость работы заключается в разработке методики расчетной оценки стойкость сварных швов листовых конструкций из алюминиевых сплавов против образования продольных кристаллизационных горячих трещин Методика реализована в виде инженерного программного комплекса «Свариваемость алюминиевых сплавов (горячие трещины)»
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научном семинаре ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ (2 июня 2004 г), международном симпозиуме «Образование через науку» (МГТУ им Н Э Баумана, 17-19 мая 2005 г), а также на научном семинаре кафедры «Технологии сварки и диагностики» МГТУ им Н Э Баумана (15 марта 2007 г)
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликована 1 статья и тезисы 2-х докладов на конференциях
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, общих выводов, списка использованной литературы из 74 наименований. Общий объем работы 182 страницы, в которых содержится 68 рисунков и 36 таблиц
Теория технологической прочности металлов в процессе кристаллизации при сварке
В этот же период кривые схожего характера были получены Зингером и Дженингсом. В качестве показателя горячеломкости в своем исследовании они использовали суммарную длину трещин, определяемую по литейной пробе в виде кольца (проба №13, табл.5, [18]).
Таким образом, на начало 50-х годов прошлого века было известно, что в условиях литья ГТ представляют собой хрупкое разрушение, происходящее по границам зерен, ослабленным жидкой фазой, возникающее в температурном интервале, ограниченном началом линейной усадки и полной кристаллизацией. Также было установлено, что вероятность появления ГТ находится в зависимости от величины данного интервала. Для сравнительной оценки горячеломкости в условиях литья были разработаны целый ряд проб и методик испытаний.
Однако использование этих наработок в чистом виде применительно к условиям сварки было затруднительно, что в первую очередь объясняется различными условиями и характером протекания соответствующих металлургических и термодеформационных процессов. Основными отличительными особенностями сварки от литья, приводящими к такому различию, являются более высокие скорости изменения температуры расплавленного металла, малый объем сварочной ванны, большой перегрев расплава, интенсивное перемешивание жидкого металла, кинетический характер развития сварочных деформаций (напряжений) и т.д.
Современные представления о закономерностях и причинах образования ГТ применительно к условиям сварки основаны на физической модели Н.Н. Прохорова, разработавшего «теорию технологической прочности металлов в процессе кристаллизации при сварке» [22, 23]. В настоящее время данная теория получила всеобщее признание.
Введя термин «технологическая прочность» было подчеркнуто, что в отличие от эксплуатационной прочности, речь идет о способности металлов (сплавов) к сохранению сплошности в процессе термических, механических или термомеханических нагрузок, возникающих при их технологической обработке, в частности во время сварки. Более подробное описание этой теории будет приведено ниже.
Для установления методического единства при рассмотрении вопросов технологической прочности необходимо пользоваться следующими установленными понятиями и терминами [10]: склонность к образованию ГТ, стойкость против образования ГТ и сопротивляемость образованию ГТ.
Склонность к образованию ГТ - показатель свариваемости материала, который устанавливается по факту образования трещин в сварном соединении и оценивается качественно или количественно критической величиной одного из факторов, обусловливающих трещинооб-разование.
Стойкость против образования ГТ - показатель свариваемости материала, который устанавливается по факту отсутствия трещин и оценивается качественно или количественно подкритической величиной одного из факторов трещинообразования.
Сопротивляемость образованию ГТ - свойство материала в структурном и напряженно-деформированном состоянии шва или зоны термического влияния сопротивляться разрушению, соответствующему по характеру разрушению при образовании трещин.
Согласно теории технологической прочности металлов в процессе кристаллизации при сварке [22, 23], образование ГТ определяется тремя основными факторами: о величиной температурного интервала хрупкости (ТИХ, С); о минимальной пластичностью металла в этом интервале №„,%); о темпом высокотемпературных деформаций (ад, %/С). Графически эти представления могут быть проиллюстрированы схемами, представленными на рис. 1.4. [24].
Рис. 1.4,а показывает влияние величины ТИХ. Для этого рассматривается случай, когда сплавы с одинаковой минимальной пластичности отличаются протяженностью ТИХ (ТИХ1( ТИХ2, ТИХз). Действующий темп деформации, определяемый кривой ад, постоянный для всех из них. При таких условиях сплав с минимальной величиной ТИХ (ТИХІ) ГТ не дает, так как действующий темп деформации (ад) недостаточен для исчерпания его пластичности. У сплава с ТИХ2 в момент, определяемый точкой Б, значения пластичности и возникающей деформации равны - кривые касаются. Это критический случай. В сплаве с ТИХз происходит исчерпание пластических свойств, что должно привести к образованию ГТ. Таким образом, влияние ТИХ заключается в том, что чем больше его протяженность, тем, при прочих равных условиях, больше возможность возникновения ГТ.
Выбор методики расчета температурного поля и действующего темпа деформации
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. На основе физической модели Н.Н. Прохорова технологической прочности металлов в процессе кристаллизации при сварке разработать методики расчетной оценки сопротивляемости сплавов образованию ГТ и стойкости сварных швов конструкций из алюминиевых сплавов против образования ГТ.
2. Получить математические модели для нахождения количественных значений основных факторов, обусловливающих образование ГТ.
3. Разработанные методики реализовать в виде инженерного программного комплекса «Свариваемость алюминиевых сплавов (горячие трещины)».
4. Выполнить расчеты сопротивляемости сплавов образованию ГТ и стойкости против образования ГТ сварных швов промышленных алюминиевых сплавов в зависимости от состава, геометрических параметров и режимов сварки листов и листовых элементов конструкций.
Расчетная оценка стойкости сварных швов конструкций против образования ГТ должна проходит в три этапа:
1. Определение свойства, характеризующего технологическую прочность металла шва в процессе кристаллизации при сварке (т.е. по казателя сопротивляемости образованию ГТ).
2. Определение внешней нагрузки на металл шва, возникающей во время технологической операции его получения при изготовлении конструкции - сварки.
3. Оценка стойкости против образования ГТ (сравнение показателя, определяющего технологическую прочность металла шва в процессе кристаллизации, с нагрузкой, возникающей при его получении).
В соответствии с теорией технологической прочности металлов в процессе кристаллизации при сварке, показателем сопротивляемости образованию ГТ является критический темп деформации а«р, а внешней нагрузкой - действующий темп деформации ад.
Разработанный алгоритм, базирующийся на подходах, предложенных в работе [33], приведен на рис.2.1.
Согласно этому алгоритму, исходными данными (блок 1) являются параметры материала, изделия и режим сварки. Далее проводится расчет температурного поля (блок 2) и ТИХ (блок 3). На основе данных о температурном поле определяются основные параметры процесса кристаллизации (блок 4), требуемые для расчета величины минимальной пластичности (блок 5). По величинам ТИХ и 5min рассчитывается критический темп деформации - аКр (блок 6), определяющий сопротивляемость образованию ГТ.
Для оценки стойкости конкретной конструкции против образования ГТ необходимы сведения о действующем темпе деформации - ад, который определяется на основе геометрических характеристик изделия, свойств материала, граничных условий и температурного поля (блок 2) в соответствующем блоке (блок 7).
Вывод о стойкости сварного шва против образования ГТ делается на основании сравнения действующего (ад) и критического (акр) темпов деформации. Если действующий темп деформации не превышает критический (ад а«р), то считается, что при введенных исходных данных, обеспечивается стойкость против ГТ. В противном случае (ад акр) стойкость не обеспечивается.
Помимо этого определяется запас стойкости (блок 8): у = ((акр -ад)/ а«р) 100 %. Данная величина является практически важной, так как расчетная оценка проводится по номинальным конструктивно-технологическим параметрам (геометрия изделия, химический состав шва, теплофизические свойства шва и основного металла, режимы сварки, граничные условия и т.д.), в тоже время на практике возможны их случайные не учитываемые отклонения. Эти отклонения могут привести к появлению ГТ даже в случае, когда расчетом показана стойкость против их образования. По аналогии с назначением коэффициентов надежности по пределу текучести (1,1) и нагрузке (1,15) при расчетах эксплуатационной прочности, можно считать, что отсутствие ГТ будет обеспечено при запасе стойкости 20 % и более.
Более детальное описание действий, проводимых в каждом из вышеназванных блоков алгоритма, будет приведено далее.
Исходными данными (блок 1, рис.2.1) для расчетной оценки стойкости сварных швов конструкций против образования ГТ являются: о параметры материала; о параметры изделия; о условия сварки.
Получение моделей границ температурного интервала хрупкости для алюминиевых сплавов
Из рисунка видно, что с увеличением скорости сварки относительное удлинение (а следовательно и минимальная пластичность) значительно уменьшается. На основании этого можно сделать вывод, что изменение величины минимальной пластичности шва в ТИХ в зависимости от угла схождения осей противоположно растущих кристаллитов и характера распределения деформации по ширине шва должно иметь аналогичный характер. Т.е., при увеличении угла схождения осей противоположно растущих кристаллитов и увеличении концентрации деформации в центре шва минимальная пластичность снижается.
Согласно положениям теории сварочных процессов [35] ширина кристаллитов в центре шва находится в прямой зависимости от исходной величины зерна основного металла. Чем меньше размер зерна основного металла, тем меньше диаметры кристаллитов в центре шва.
Влияние величины зерна основного металла на показатели горя-челомкости подробно изучалось в работе [32]. В частности было установлено, что при укрупнении зерна чистого алюминия в 9 раз (средний диаметр зерна изменялся от 0,29 мм до 2,6 мм) относительное удлинение сварного шва при скорости сварки 8 м/час уменьшается на 30 % (с 1,2 до 0,8 мм).
Аналогичные результаты в той же работе были получены при определении относительного удлинения сплавов AI - 0,6%Mn, AI -0,3%Zr, AI - 5,3%Zn. Например, при укрупнении зерна последнего в 5 раз относительное удлинение уменьшается от 0,07 до 0,02 мм, т.е. в 3,5 раза. Стоит отметитить, что ТИХ в обоих случаях не изменяется. Количественные зависимости для других сплавов отсутствуют.
Таким образом, на основе приведенных данных можно сделать вывод, что с увеличением размера поперечных сечений кристаллитов в центре шва минимальная пластичность снижается. Однако, влияние данного фактора менее значимо, чем влияние двух предыдущих.
Уже в работах Вэрэ [20], было установлено, что в системе AI - Si (эвтектика содержит 11,7 % Si) максимум горячеломкости достигается при увеличении содержания кремния до 1,6% и резко падает до нуля при концентрации 1,88%. На этом основании и была выдвинута гипотеза о способности залечивания ГГ. Согласно этой гипотезе, если в сплаве достаточно велико количество эвтектики, то возникающие в ТИХ горячие трещины будут заполняться расплавом, что в конечном итоге увеличивает пластичность сплава. Резкое увеличение пластич ности при повышении концентрации кремния в сплаве было объяснено достижением критического относительного количества эвтектики (12 -13%).
Также гипотезу о залечивании ГТ и роли эвтектики в этом процессе в 40-х годах прошлого века поддержал и развил А.А. Бочвар [21]. По А.А. Бочвару критическое относительное количество эвтектики меняется от системы к системе от 15 до 25% и более.
В работе [33] фактор типа первичной структуры (ячеистая, ячеи-сто-дендритная и дендритная) также приведен в качестве одного из тех, которые влияют на минимальную пластичность. Утверждается, что минимальная пластичность сварных швов с дендритной структурой больше, чем с ячеистой или ячеисто-дендритной. Фактические экспериментальные данные об интенсивности влияния в литературе отсутствуют.
Таким образом, на основе обобщения приведенных данных принято, что в условиях сварки величина минимальной пластичности в ТИХ зависит от следующих факторов: о угла схождения осей противоположно растущих кристаллитов (срастание кристаллитов боковыми гранями или их вершинами); о критерия схемы кристаллизации, характеризующего распределение высокотемпературных деформаций по поперечному се чению шва (относительно равномерное или с концентрацией в зоне срастания кристаллитов в центре шва); о размера поперечных сечений кристаллитов (мелко- и крупно-кристаллитные швы);
Оценка стойкости сварных швов конструкций из алюминиевых сплавов против образования ГТ
Таким образом, при стремлении действующего размера поперечных сечений кристаллитов в центральной зоне шва к нулю, его нормализованное значение будет стремиться к единице, увеличивая тем самым величину минимальной пластичности в ТИХ.
С учетом принятых положений (п. 3.1.), действительное значение диаметра кристаллита на некотором удалении от центра шва может быть рассчитано по формуле (3.8.), приведенной в [35] где dj - искомое значение размера поперечных сечений кристаллитов на некотором удалении от оси шва (см. рис. 3.13), см; d3H - величина диаметра оплавленного зерна основного металла от которого растет кристаллит (см. рис. 3.13), см; KPL - параметр, описывающий форму сварочной ванны (KpL=P/L); KY - безразмерный коэффициент [0.. 1], в долях определяющий расстояние от точки, в которой рассчитывается размер поперечных сечений кристаллитов, до оси шва. Однако, из формулы (3.8.) следует, что размер поперечных сечений кристаллитов на оси шва стремиться к нулевому значению. Поэтому рассматривался некоторый условный размер, соответствующий зоне, находящейся на расстоянии одной десятой (Ку=0,1) от половины ширины проплавления Р (рис. 3.13.).
Согласно литературным данным [5], величина диаметра зерна основного металла для алюминиевых сплавов зависит от системы легирования и количества основного легирующего элемента (рис.3.14.). Для системы AI - Zn такие данные в литературе отсутствуют. При реализации модели минимальной пластичности, размеры зерна основного металла для данной системы брались согласно консервативному подходу, т.е. по максимально возможным значениям (как для системы AI -МО).
В качестве пределов изменения величины размера поперечных сечений кристаллитов можно принять значения диаметров CJMAX = 160 мкм и dMiN = 0 мкм. Фактор относительного количества эвтектической фазы в период завершения кристаллизации
Фактор относительного количества эвтектической составляющей на момент завершения кристаллизации в центре шва, которое можно оценить отношением объема жидкой фазы к твердой.
Методика определение этой величины основано на анализе неравновесных диаграмм состояния, которые получаются по ранее изложенной методике, приведена на рис. 3.15 Кристаллит fm&) Жидкая прослойка (э&т)
Методика вычисления относительного количества эвтектической составляющей В качестве пределов изменения величины относительного количества эвтектической составляющей на момент кристаллизации в центральной части шва можно принять диапазон 0 ... 0,5. Во второй главе было показано, что при уменьшении относительного количества эвтектической составляющей на момент кристаллизации в центральной части шва величина минимальной пластичности падает.
Таким образом, нормализованное значение данного фактора для модели (2.5.) можно вычислять по формуле (3.9) V-V где X4 - искомое значение нормализованного фактора, определяющего влияние относительного количества эвтектической составляющей на момент кристаллизации в центре шва на минимальную пластичность в ТИХ, [0 ... 1];
Vmin - минимально возможная величина действительного значения относительного количества эвтектической составляющей на момент кристаллизации в центре шва (0);
Vmax - максимально возможная величина действительного значения относительного количества эвтектической составляющей на момент кристаллизации в центре шва (0,5); V - реальная величина действительного значения относительного количества эвтектической составляющей на момент кристаллизации в центре шва.
Таким образом, при стремлении действительного значения относительного количества эвтектической составляющей на момент кристаллизации в центре шва к Vmax, его нормализованное значение будет стремиться к единице, увеличивая тем самым величину минимальной пластичности в ТИХ.
Действительное значение V можно определять по конкретным равновесным диаграммам состояния.
