Содержание к диссертации
Введение
1. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ И СПОСОБОВ СВАРКИ ТОНКОСТЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОРРОЗИОННО-СТОЙКИХ СТАЛЕЙ 11
1.1. Особенности сварки тонкостенных сильфонов из коррозионно-стойких сталей 11
1.1.1. Технологические особенности сварки тонкостенных изделий II
Ы.2. Металлургические особенности сварки аустенитных сталей 12
1.2. Способы сварки тонкостенных изделий типа сильфонов из корозионно-стойких сталей 18
1.2.1. Контактная и электродуговые способы сварки 18
1.2.2. Электроннолучевая сварка и вакуумная индукционная пайка 24
1.2.3. Лазерная сварка , 25
1.3. Обоснование выбора импульсной лазерной сварки при изготовлении
тонкостенных изделий ,.,......29
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ
ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОТ ПАРАМЕТРОВ ИМПУЛЬСНОГО
РЕЖИМА 31
2.1. Явление охрупчивания сварных соединений при импульсной лазерной сварке 31
2.2. Исследование влияния параметров импульсного режима на прочность сварного соединения 34
3. МОДЕЛИРОВАНИЕ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ИМПУЛЬСНОЙ СВАРКИ 40
3.1.. Модель многомерного управляемого процесса импульсной лазерной сварки 40
3.2. Анализ процесса сварки как объекта управления 42
3.3- Последовательность выбора оптимальных режимов импульсной лазерной сварки 45
3.4. Две задачи управления тепловым процессом импульсной сварки 48
4. ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ИМПУЛЬСНОЙ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ ТОНКОСТЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ 51
4.1. Постановка задач оптимального управления процессом импульсной сварки 51
,* 4.2. Оптимизация энергии импульса излучения с заданной формой распределения плотности мощности с использованием конечного косинус-преобразования Фурье 53
4.3. Оптимизация энергии импульса излучения с заданной формой распределения мощности с использованием метода конечных разностей 56
4.4. Оптимизация распределения плотности мощности в пятне нагрева 61
4.5. Выбор оптимальной частоты следования импульсов 64
5- ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ИМПУЛЬСНОЙ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ 70
5-К Оптимизация режима сварки сильфона с втулкой 70
4 5.2. Анализ структуры сварного шва, полученного импульсной лазерной сваркой на оптимальном режиме., 74
5.3.Исследование механических свойств сварного соединения, полученного импульсной лазерной сваркой 16
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 79
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 31
ПРИЛОЖЕНИЯ 89
- Особенности сварки тонкостенных сильфонов из коррозионно-стойких сталей
- Явление охрупчивания сварных соединений при импульсной лазерной сварке
- Модель многомерного управляемого процесса импульсной лазерной сварки 40
Введение к работе
Во многих отраслях промышленности и техники широко используются листовые конструкции и элементы из коррозионно-стойких сталей и сплавов малых и особо малых толщин. Особое место среди них занимают сильфонные компенсаторы и гибкие металлорукава. Основным рабочим элементом данных изделий является сильфон - гибкая гофрированная металлическая трубка из тонкостенной стали. Сильфоны соединяются с помощью сварного соединения с более массивной арматурой (трубками, втулками). Сильфонные компенсаторы и гибкие металлорукава используются в изделиях вакуумной и криогенной техники, в химической промышленности, а также в авиационной и космической технике. Данные изделия применяются для транспортировки агрессивных жидкостей и газов при различных температурах и в вакуумплотных соединениях. Необходимость их использования продиктована особенностями условий работы. Сильфонные компенсаторы и гибкие металлорукава соединяют детали и узлы, совершающие в процессе эксплуатации относительные перемещения, или работающие в условиях вибрации.
Назначение и условия данных изделий предъявляют к ним свои специфические требования. Сварное соединение должно обладать достаточной прочностью и герметичностью. Работа п агрессивной среде при высоких температурах требует повышенной коррозионной стойкости- Кроме того, данные изделия должны обладать повышенной надежностью. Это вызвано тем, что они, как правило, используются в ответственных узлах, что, прежде всего, относится к изделиям авиационной и космической техники.
Сварные соединения данных деталей можно получать с помощью различных способов сварки. Основными из них являются аргонодуговая, контактная роликовая, электронно-лучевая и лазерная сварка. Также соединение данных деталей можно получать вакуумной индукционной пайкой.
Основной причиной снижения качества шва при сварке тонкостенных деталей является избыточное тепловложение от сварочного источника. Аустенитныс коррозионно-стойкие стали обладают малой теплопроводностью и имеют высокий коэффициент линейного расширения, что усиливает коробление и выпучивание кромок тонкостенных свариваемых деталей [1]_ В результате этого увеличиваются зазоры между свариваемыми поверхностями, и, как следствие, при сварке возникают прожоги, несплавления, непровары. Сварной шов имеет нестабильные размеры.
Аргонодуговая сварка [2,3,4] характеризуется повышенным тешювложением в свариваемые детали и недостаточной
концентрированностыо источника. В результате этого происходит перегрев деталей, и соответственно, ухудшается качество сварного соединения. Кроме того, при сварке деталей малых размеров затруднительно компактно расположить теплоотводящую и другую вспомогательную оснастку. Все это ограничивает применение аргонодуговой сварки для соединения тонкостенных сильфонов.
Применение контактной шовной сварки для изготовления тонкостенных сильфонов ограничивается достаточно высоким процентом брака. Также возникают значительные трудности при сварке тонкостенной детали с более массивной и сварке деталей малых размеров.
Основным недостатком электронно-лучевой сварки тонкостенных сильфонов является необходимость создания вакуума, что снижает производительность и удорожает производство. Кроме того, возникают значительные затруднения при совмещении развертки пучка со стыком свариваемых деталей. Отклонения при этом вызываются частями вспомогательной оснастки.
Необходимое качество сварного соединения при сварке сильфонов может быть получено с помощью импульсной лазерной сварки [5], Благодаря высокой концентрации энергии в импульсе лазерного излучения, данный метод обеспечивает минимальное тепловложенис в детали, и лазерный луч легко совмещается со стыком свариваемых деталей. Внедрение лазерной сварки енльфонов вместо дуговой и контактной сварки позволяет снизить процент дефектных изделий и трудоемкость их изготовления, а также увеличить производительность по сравнению с другими видами сварки (прежде всего электроннолучевой). Данный способ сварки также не лишен недостатков. Импульсное лазерное воздействие характеризуется жестким термодеформационным циклом, вызывающим изменения в структуре материала, появление напряженного состояния и пластической деформации [6], что приводит к возникновению микродефектов (микропор, микротрещин), значительно ухудшающих механические свойства, а, следовательно, снижает надежность и долговечность изделий. В связи с этим возникает необходимость исследовать влияние режимов импульсной лазерной сварки на прочность сварных соединений.
Применение новых технологий связано со значительными затратами па экспериментальную отработку режимов сварки, металлографические исследования по оценке размеров проплавлення и качества шва. Затраты времени и средств могут быть значительно снижены, благодаря применению компьютерного моделирования процесса сварки, С помощью моделирования процесса сварки можно решать прямые задачи теплопроводности, т.е. прогнозировать получаемое в результате воздействия сварочного источника теплоты температурное поле, либо размеры проплавлення при заданных режимах сварки, получать термические циклы в точках сварного шва и прилегающих к нему участках.
Однако, больший интерес представляют обратные задачи теплопроводности, которые позволяют в зависимости от свойств и условий формирования сварного соединения оптимизировать процесс сварки, т.е. определять оптимальные с точки зрения получения заданных эксплуатационных свойств сварного соединения режимы сварки (пространственно-временную структуру ввода энергии).
Таким образом, исследование влияния режимов импульсной лазерной сварки на эксплуатационные характеристики получаемого сварного соединения, разработка методов моделирования оптимального процесса сварки является актуальной задачей.
Целью данной работы является повышение точности определения режима импульсной сварки с помощью моделирования, исследование влияния коэффициента перекрытия сварных точек и частоты следования импульсов излучения лазера на прочность сварного соединения, а также оптимизация режима импульсной сварки, на основе метода обратной задачи.
В соответствии с поставленной целью в диссертации последовательно решаются следующие задачи:
1) исследовать влияния коэффициента перекрытия сварных точек и частоты следования импульсов излучения на прочность сварного соединения
2) разработать алгоритм оптимизации параметров режима импульсной лазерной сварки, влияющих на размеры проплавлення от одиночного импульса излучения
3) исследовать термические циклы в точках сварного шва при импульсной лазерной сварке
4) разработать методику выбора оптимальной частоты следования импульсов
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Проведены экспериментальные исследования и выявлено влияние частоты следования импульсов излучения, наряду с другими параметрами режима, на прочность сварного соединения, выполненного импульсной лазерной сваркой.
2. Посредством анализа термических циклов, полученных с помощью математических моделей, выработаны рекомендации по выбору оптимальной частоты следования импульсов в зависимости от размеров свариваемых деталей.
3. Разработаны методы оптимизации параметров режима импульсной лазерной сварки, влияющих на размеры и форму проплавлення от одиночного импульса излучения.
Практическая ценность работы:
Проведенные экспериментальные исследования по влиянию режимов импульсной лазерной сварки на характеристики сварного соединения и разработанные методы оптимизации параметров режима сварки позволят снизить затраты на экспериментальную отработку режимов импульсной лазерной сварки при сварке новых изделий. Л также позволят повысить производительность процесса сварки, и, соответственно, снизить себестоимость продукции.
Результаты проведенной работы докладывались: на научно-технической конференции сварщиков Уральского региона с международным участием «Сварка Урала - 2001», г. Нижний Тагил; на Всероссийской ежегодной научно-технической конференции «Наука-производство-технология-экология», г» Киров, в 2000, 2001, 2002, 2003 годах; на научно-технической конференции сварщиков Уральского региона с международным участием «Сварка Урала - 2003», посвященной 100-летнему юбилею академика Рыкалина Н.Н., г- Киров; па Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в соединении материалов», г, Тула , 2001г.
По результатам проведенной работы опубликовано 10 работ.
Диссертация состоит из 5 глав.
Глава первая посвящена анализу особенностей сварки тонкостенных изделий из коррозионно-стойких сталей, а также обзору возможных способов сварки подобных изделий и обоснованию выбора импульсной лазерной сварки.
Во второй главе рассмотрены особенности сварки лазерным излучением в импульсном режиме. Приведены результаты экспериментальных исследований по влиянию режимов импульсной лазерной сварки на прочность сварного соединения.
В третьей главе проводится анализ моделей управления процессом импульсной лазерной сварки.
Четвертая глава посвящена вопросам постановки задач оптимизации режима импульсной лазерной сварки и разработке методов оптимизации параметров режима, влияющих на форму и размеры проплавлення от одиночного импульса лазерного излучения. Также проводится анализ термических циклов в различных точках шва. Выработаны рекомендации по выбору оптимальной частоты следования импульсов.
В пятой главе приводятся результаты экспериментальной проверки оптимальных режимов импульсном лазерной сварки.
Особенности сварки тонкостенных сильфонов из коррозионно-стойких сталей
В сварных конструкциях слабым местом чаще всего является сварной шов и прилегающие к нему участки свариваемых деталей. Исходя из этого сварное соединение сильфона с арматурой должно в полной мере соответствовать всему комплексу требований, предъявляемых к изделиям [72]. Получение качественного сварного соединения данных деталей сопряжено с рядом сложностей, которые условно можно разделить па технологические н металлургические [1]. 1Л Л Технологические особенности сварки тонкостепных изделий»
К технологическим сложностям сварки тонкостенных изделий из коррозионно-стойких сталей прежде всего относятся, так называемые, дефекты формирования [7], которые включают в себя дефекты формы (нспровары, подрезы) и дефекты сплошности (поры, прожоги), а также повышенное коробление и выпучивание кромок.
Подрез является одной из естественных форм поперечного сечения шва и возникает у линии сплавления при понижении уровня поверхности ВЗЕШЫ в го овион части и последующей фиксации подреза при кристаллизации (рис. 1.1,а). Подрез большой величины ослабляет сечение шва и являетсяконцентратором напряжений.
Непроваром называется дефект сварного шва, при котором образуется общая сварочная ванна недостаточных размеров. При нахлесточных сварных соединениях непровары возникают при недостаточном расплавлении верхней детали и ее соединении с нижней (рисЛ,1 s6). Непровар появляется в результате нестабильного подвода теплоты от сварочного источника теплоты и неравномерного теплоотвода.
Прожоги могут быть вызваны: оплавлением кромок без образования общей сварочной ванны, вытеканием и разрывом ванны. Основной причиной возникновения прожогов является повышенное тепловложение. Прожог при этом может быть вызван, как образованием сварочной ванны слишком больших размеров, так и увеличенным зазором между деталями, возникающем в результате коробления и выпучивания кромок свариваемых деталей.
Появление пор чаще всего связано с окисной пленкой на поверхности деталей, а также с различными загрязнениями свариваемых кромок, т.е. с культурой производства. Причины появления пор подробнее рассмотрены в п. 1.1.2.
Металлургические особенности сварки аустенитных сталей.
Горячие трещины. При сварке аустенитных сталей горячие трещины в швах возникают гораздо чаще, чем при сварке углеродистых и многих легированных сталей [8,9,76,75]. Причиной появления горячих трещин является нарушение спаянности столбчатых кристаллов сварного шва период его кристаллизации под действием растягивающих усилий. Эти растягивающие усилия возникают в результате неравномерного нагрева стали в процессе сварки. Горячие трещины образуются во время кристаллизации сварочной ванны, поэтому их называют «кристаллизационными трещинами». Повышенная склонность аустенитных швов к трещинам обусловлена не только особенностями их кристаллизации, но также значительно большей усадкой аустенитной стали по сравнению с углеродистой сталью. Стойкость аустенитных швов против образования трещин связана с химическим составом и структурой металла шва [45,46,77]. При сварке аустенитных сталей сварные швы могут иметь структуру двух основных типов - чистоаустенитную, или однофазную, и аустенитно- ферритную, пли двухфазную. Однофазные швы значительно уступают двухфазным по стойкости против горячих трещин и межкристаллитной коррозии. Наличие той или иной структуры в шве зависит прежде всего от его химического состава. На химический состав шва при сварке можно влиять при использовании присадочных материалов. При этом химический состав шва будет разным, в зависимости от того, как велика доля участия основного и присадочного металла в металле шва.
class2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ
ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОТ ПАРАМЕТРОВ ИМПУЛЬСНОГО
РЕЖИМА class2
Явление охрупчивания сварных соединений при импульсной лазерной сварке
Импульсное лазерное воздействие характеризуется жестким термодеформационным циклом, вызывающим изменения в структуре материала, появление напряженного состояния и пластической деформации [6], что приводит к возникновению микродефектов (микропор, микротрещин), значительно ухудшающих механические свойства, а, следовательно снижающих надежность и долговечность изделий.
Под воздействием лазерного излучения поверхность детали нагревается до температуры, превышающей температуру плавления материала, и после прекращения лазерного воздействия начинает охлаждаться за счет отвода теплоты в объем металла. При минимальном тепловом сопротивлении вследствие эпитаксиальной кристаллизации и малых размеров ванны расплава скорость охлаждения достигает около 106 С/с[17].
Вследствие неравномерного нагрева и охлаждения сварочной ванны образуется температурный градиент, составляющий в рассматриваемых условиях на стадии плавления 6x103 С/сы. Происходит термическое расширение металла, результатом которого является деформация сварной конструкции и напряженное состояние [18].
Известно, что металл сварного шва начинает деформироваться в процессе кристаллизации, однако из-за высокой пластичности металла напряжения в высокотемпературной области малы, поэтому для оценки напряжений можно ограничится интервалом температур, соответствующим упругопластической области» Так для стали 12X18Н9Т термические напряжения в процессе охлаждения достигают 1400 МПа [6], что превышает предел прочности материала, который в зависимости от состояния поставки изменяется от 520 до 850 МПа [27,28].
Релаксация относительно высоких напряжений происходит за счет деформации металла сварного шва. В результате чего в металле шва и околошовной зоне после охлаждения фиксируется искаженная структура с остаточными напряжениями, уровень которых в отдельных микрообъемах может превосходить критические значения и приводить к образованию микродефектов в виде пор, трещин и несплошностей. Наличие микродефектов объясняет снижение прочности сварного шва, полученного одиночными импульсами без перекрытия, по сравнению с исходным состоянием. По-видимому в условиях ограниченной деформационной способности металла шва любой микродефект действует как концентратор напряжений, а повторный нагрев при увеличении числа импульсов усиливает степень охрупчивания сварного соединения за счет дальнейшего роста плотности дислокаций,
В работе [6] исследовали влияние импульсно периодического лазерного воздействия на прочность сварного соединения и характер разрушения стыковых сварных соединений. Эксперименты выполняли на промышленной установке «Квант» с частотой f - 1 Гц, длительностью импульса т = 2,6 мс, энергией импульса до 10 Дж и диаметром пятна нагрева d = 0,8 мм.
При экспериментальной сварке на образцах получали швы с различным перекрытием сварных точек, имитирующим одно-, двух-, пяти-, десяти-, двадцати- и пятидесяти кратное воздействие источника тепла на материал [6].
При испытаниях сварных образцов на статическое растяжение вначале с увеличением числа импульсов наблюдалось резкое снижение разрушающего усилия- Затем темп его снижения замедлялся, достигая при кратности воздействия N 5 некоторого минимального значения. Далее
Модель многомерного управляемого процесса импульсной лазерной сварки
В теории автоматического управления одним из основных элементов системы автоматического управления является объект управления. Состояние объекта управления характеризуется совокупностью параметров (показателей, координат), которые в виде сигналов поступают на входы объекта управления и изменяют сигналы на его выходе [83].
Для осуществления управления процессом сварки и построения управляемой системы «источник энергии - сварное соединение» нужно знать физическую структуру источника, возможные режимы его воздействия на материалы, условия теплопроводности свариваемых материалов и способы реализации управления.
Для моделирования управляемого процесса сварки выберем в качестве объекта управления тепловой процесс сварки, который в первом приближении определяет основные технологические и эксплуатационные характеристики сварного соединения и, соответственно, является одним и основных процессов, которые возникают и протекают при формировании сварного шва.
Рассмотрим основные показатели, определяющие тепловой режим процесса импульсной лазерной сварки, режим импульсного воздействия излучения лазера, возмущения внешней среды и внутренние помехи.
Тепловой режим сварки определяется температурой, распределенной по всему объему в зоне сварки. Температура в случае объемного теплового процесса является функцией трех координат T(x,y,z,t) и тепловой процесс в теории автоматического управления является системой управления с распределенными параметрами [92,93].
В случае воздействия концентрированного источника энергии на
поверхность полубесконечного тела [90] оси х, у расположим на поверхности тела, а ось z направим внутрь тела- Обозначим показатели теплового процесса в этой системе координат. Режим импульсной лазерной сварки характеризуется следующими показателями [5,17,69]:
- энергия в импульсе лазерного излучения - Е
- форма и размеры пятна нагрева (x,y,t)
- распределение плотности мощности в пятне нагрева и со время импульса (форма импульса) -q(x,y,t)
- длительность импульса излучения -1„
- частота следования импульсов - f„
- скорость сварки - Vcn
- длина волны лазерного излучения (частота излучения) - X
Показатели теплового процесса как объекта управления разделим на
управляемые, управляющие, заданные и возмущающие. Температура процесса сварки T(x,y,z,t) является управляемой величиной. Один или несколько показателей режима импульсного воздействия лазерного излучения - управляющее воздействие (управление), остальные показатели режима импульсного воздействия будут задаваться, т.е. будут отнесены к заданным показателям. Возмущающие воздействия будут учтены в краевых условиях сварного соединения и в допущениях на стыковое или нахлесточное соединения. К возмущающим воздействиям можно отнести тепловые потоки qi на границах свариваемых тел, начальную температуру ф свариваемых тел, изменение зазора в стыке Д и другие неконтролируемые показатели.
На рисунке 3.1 схематически изображен тепловой процесс импульсной сварки с основными показателями» условно разделенными на управляемые, управляющие, заданные и возмущающие.
