Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные представления о свариваемости конструкционных низколегированных сталей. Пути обеспечения свариваемости при проектировании технологических процессов сварки. 14
1.1. Низколегированные стали, используемые для изготовления сварных конструкций 14
1.2. Проблемы свариваемости низколегированных сталей 19
1.2.1. Горячие трещины при сварке 21
1.2.2. Холодные трещины при сварке 23
1.2.3. Охрупчивание и разупрочнение ЗТВ 28
1.3. Методы оценки свариваемости 31
1.4. Выбор параметров режима сварки 34
1.4.1. Влияние режима сварки на форму и размеры шва 36
1.4.2. Оптимизация теплового режима сварки 38
1.5. Выбор сварочных материалов 41
1.5.1. Сварочные материалы, используемые при сварке НЛС 41
1.5.2. Роль металла шва в обеспечении свариваемости НЛС 45
1.6. Автоматизация проектирования ТП сварки 49
1.6.1. САПР и экспертные системы в области сварки 49
1.6.2. Компьютерные средства моделирования в САПР сварки 50
1.6.2.1. Тенденции развития рынка средств моделирования 51
1.6.2.2. Система компьютерного моделирования SYSWELD 53
1.6.2.3. Программный комплекс СВАРКА 55
1.6.2.4. Программа «Свариваемость» 62
Выводы главы 1 и задачи работы 66
Глава 2. Математическое описание и моделирование процессов, протекающих в сталях при сварке 69
2.1. Распространение тепла при сварке 72
2.2. Формирование сварного шва 73
2.2.1. Формирование геометрии сварного шва 75
2.2.2. Формирование химического состава металла шва 78
2.3. Структурные превращения в сталях при сварке 83
2.3.1. Общие сведения о структурных превращениях в сталях 85
2.3.2. Диаграммы анизотермического распада аустенита
при сварке 98
2.3.3. Математическое описание полиморфных превращений 101
2.3.4. Математическое описание процессов отпуска 108
2.4. Диффузионное перераспределение водорода в сталях 110
при сварке
2.4.1. Основные соотношения и закономерности 112
2.4.2. Растворимость водорода в чистом железе 116
2.4.3. Влияние легирования на растворимость водорода 119
2.4.4. Влияние дефектов строения металлов на растворимость водорода123
2.4.5. Диффузионная подвижность водорода в железе 123
2.4.6. Влияние легирующих элементов на диффузионную подвижность водорода в сплавах железа125
2.4.7. Подходы к решению задач о диффузии водорода при сварке129
2.5. Формирование комплекса механических свойств 132
2.6. Напряжения и деформации при сварке 136
2.6.1. Математические модели упругого и упруго-пластического поведения материала 137
2.6.2. Реализация расчета НДС методом конечных элементов 140
2.6.3. Методика решения нелинейных задач 145
2.7. Прогнозирование образования XT при сварке 147
Выводы главы 2 148
Глава 3. Разработка математической модели анализа технологического процесса многослойной сварки низколегированных сталей 150
3.1. Формализация объекта моделирования и алгоритм анализа 151
3.1.1. Основные концепции компьютерного моделирования 151
3.1.1.1. Рациональная степень детализации модели 151
3.1.1.2. Методы построения математических моделей 152
3.1.1.3. Декомпозиция сложных моделируемых объектов на основе системного анализа 153
3.1.1.4. Критерии качества математических моделей 154
3.1.2. Системный анализ процесса формирования показателей свариваемости НЛС в условиях многослойной сварки 155
3.1.2.1. Анализ иерархии связей между частными процессами 156
3.1.2.2. Алгоритм анализа процесса многослойной сварки НЛС 159
3.1.2.3. Требования к математическим моделям 161 частных процессов
3.2. Решение температурной задачи при многопроходной сварке 163
3.2.1. Выбор расчетной схемы и моделей источников теплоты 163
3.2.2. Расчет размеров и положения сварных швов 165
3.2.3. Расчет размеров зоны проплавлення 168
3.2.3.1. Рабочие гипотезы и алгоритм расчета 170
3.2.3.2. Учет скрытой теплоты плавления 172
3.2.3.3. Учет распределенности источника тепла 175
3.2.3.4. Расчет параметров источников тепла 176
3.2.3.5. Построение обобщающих моделей 176
3.2.4. Расчет положения анализируемых точек ОШЗ 178
3.2.5. Расчет размеров нагретых зон 181
3.2.6. Расчет основных параметров термического цикла 182
3.2.6.1. Расчет текущих значений температур 183
3.2.6.2. Расчет максимальных температур и времен 185 их достижения
3.2.6.3. Расчет времени достижения заданной температуры 185
3.3. Решение задачи о структурных превращениях 188
при многослойной сварке
3.3.1 Основные положения и допущения 189
3.3.2. Расчетное определение границ характерных 191 температурных интервалов
3.3.3. Схематизация диаграммы распада аустенита 192
3.3.3.1. Определение инкубационного периода распада 193 аустенита
3.3.3.2. Аппроксимация температурных кривых начал 194 превращений
3.3.4. Моделирование отдельных структурных превращений 196
3.3.5. Определение кинетических коэффициентов функций распада199
3.3.6. Алгоритм анализа структурных превращений в стали 202
3.3.6.1. Блок анализа области стабильного существования 204
3.3.6.2. Блок анализа области мартенситного превращения 205
3.3.6.3. Блок анализа области бейнитного превращения 206
3.3.6.4. Блок анализа области перлитного превращения 207
3.3.6.5. Блок анализа области неполной аустенизации 208
3.3.6.6. Блок анализа аустенитной области 209
3.3.6.7. Блок анализа области плавления или кристаллизации 210
3.3.6.8. Блок анализа области существования жидкой фазы 211
3.3.7. Воспроизведение дилатометрической кривой 211
3.3.8. Расчет размеров действительного зерна аустенита 214
3.3.9. Экспериментальная проверка моделей 216
3.4. Прогноз механических свойств металла шва и ЗТВ 218
3.5. Расчет содержания водорода в ОШЗ 220
3.5.1. Алгоритм численного решения МКР задачи о диффузии 221
водорода при многослойной сварке
3.5.2. Построение сеточной области 223
3.5.3. Выбор величин шагов по времени 225
3.5.4. Насыщение сечения валика исходным водородом 227
3.5.5. Граничные условия при решении задачи о диффузии 228
3.6. Расчет уровня поперечных остаточных напряжений 230
3.6.1. Напряжения при укладке корневого валика 230
3.6.2. Балочная модель сварного соединения 232
3.6.3. Алгоритм расчета остаточных напряжений при многослойной сварке 238
3.6.3.1. Учет релаксации напряжений при нагреве выше 600С 240
3.6.3.2. Учет объемных эффектов превращений при охлаждении 241
3.6.3.3. Учет поперечной усадки сварного шва 247
3.6.3.4. Учет закрепления и формирование окончательной эпюры 249
3.7. Прогноз образования XT в многослойном сварном соединении 250
3.7.1. Учет температурно-временного фактора 252
3.7.2. Учет влияния состава металла шва 255
3.7.5. Оценка вероятности образования холодных трещин 260
3.7.6. Прогноз момента времени образования XT 264
3.8. Разработка инженерного программного комплекса «Свариваемость легированных сталей» 266
3.8.1. Назначение и основные возможности комплекса 267
3.8.2. Исходные данные для расчетов 268
3.8.3. Получаемые результаты 269
3.8.7. Пример работы с комплексом 270
Выводы главы 3 27
3 Глава 4. Расширение возможностей исследовательского программного комплекса «СВАРКА» 275
4.1. Направления модернизации комплекса «СВАРКА» 275
4.2. Подготовка исходных данных для проведения расчетов 277
4.2.1. Номенклатура исходных данных 278
4.2.2. Концепция кодирования и представления материалов 278
4.2.3. Разработка универсальной структуры данных о материале 282
4.2.4. Типовые зависимости свойств низколегированных сталей 284
4.2.4.1. Температурные зависимости плотности 286
4.2.4.2. Температурные зависимости теплопроводности 291
4.3. Определение температурных полей 296
4.3.1.Основные соображения и математические соотношения 296
4.3.2.Сетка КЭ для расчета температурных полей 298
4.3.3. Учет фазового состава структуры материала 300
4.3.4. Расчет тепловых потоков через границы элементов 301
4.3.5. Учет тепловых эффектов превращений в материале 302
4.3.6. Расчет приращений температур в элементах 304
4.3.7. Выбор шага по времени при явной схеме решения 308
4.3.8. Пути повышения производительности тепловых расчетов 311
4.3.8.1. Использование кратных шагов по времени для групп КЭ 312
4.3.8.2. Использование двухслойной схемы счета 312
4.3.8.3. Комбинация явной и неявной схем решения 313
4.4. Согласование шагов решения связных задач 318
4.5. Моделирование сварки монтажного шва коллектора ГПА 321 Выводы главы 4 335
Глава 5. Разработка методики оптимизации параметров технологического процесса многопроходной сварки низколегированных сталей на базе математической модели анализа процесса 337
5.1. Математическая формулировка задачи 337
5.1.1. Типовое задание на проектирование ТП сварки 338
5.1.2. Особенности задачи проектирования ТП сварки 339
5.1.3. Выбор критерия оптимальности и функции цели 339
5.2. Выбор метода решения оптимизационной задачи 343
5.2.1. Особенности целевой функции минимума 344
5.2.2. Основные идеи метода проекции вектора градиента 346
5.3. Алгоритм решения задачи проектирования 348
5.3.1. Анализ исходных данных и возможности получения приемлемого решения 350
5.3.2. Решение задачи по частям 352
5.3.3. Выбор параметров режима сварки и подогрева 353
5.3.4. Выбор сварочных материалов 355
5.3.5. Анализ чувствительности решения 359
5.4. Программная реализация и тестирование методики 360
5.4.1. Оптимизация технологии однопроходной сварки 361
5.4.2. Оптимизация технологии многослойной сварки 365
5.4.2.1. Сварка в щелевую разделку 367
5.4.2.2. Концепция желательного СТЦ 369
5.4.3. Выбор проволоки для наплавки зубьев звездочки 377
5.4.4. Расчет состава шихты керамического магнитного флюса 379 Выводы главы 5 385 Общие выводы 387
Список литературы 390
- Низколегированные стали, используемые для изготовления сварных конструкций
- Распространение тепла при сварке
- Формализация объекта моделирования и алгоритм анализа
Введение к работе
В настоящее время низколегированные стали (НЛС) широко применяются взамен углеродистых, обеспечивая снижение металлоемкости на 20-50% за счет более высоких механических свойств. Они широко используются в строительстве трубопроводов, конструкций газо- и нефтехимических производств, судов, мостов и других ответственных сооружений и сварных конструкций.
Наряду с традиционным комплексом механических свойств важнейшим показателем стали, предназначенной для изготовления сварных конструкций, является свариваемость - возможность образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее предъявляемым к нему требованиям.
Вопросам свариваемости НЛС посвящено большое число работ как отечественных (Макара A.M., Прохоров Н.Н., Шоршоров М.Х., Касаткин Б.С, Петров Г.Л., Макаров Э.Л., Мусияченко В.Ф., Федоров В.Ґ., Касаткин О.Г. и другие), так и зарубежных ученых (Белков К., Гранжон X., Гривняк И., Зайффарт П., Ито Ю., Коттрелл П., Сузуки X. и другие), и в настоящее время в этой области накоплен значительный теоретический и экспериментальный материал. Наиболее частым и опасным проявлением недостаточной свариваемости НЛС являются холодные трещины (XT) - локальные хрупкие межкристаллические разрушения металла сварных соединений, претерпевшего полную или частичную закалку. Значительные трудности вызывает обеспечение заданного комплекса механических и эксплуатационных свойств различных зон сварного соединения.
Обеспечение достаточной свариваемости НЛС является трудной технологической задачей, которая, как правило, решается длительным и дорогостоящим экспериментальным путем.
Накопленный опыт свидетельствует, что значительные резервы обеспечения свариваемости НЛС скрыты в правильном выборе
теплового режима сварки и состава металла шва. Однако отсутствие научно обоснованной методики такого выбора не позволяет эффективно использовать указанные резервы и приводит к необходимости применения нетехнологичных и дорогостоящих традиционных решений - назначению предварительного или сопутствующего подогрева, последующему отпуску сварных конструкций, либо использованию аустенитных сварочных материалов, в то время как в большинстве случаев существует принципиальная возможность достижения положительного результата при использовании значительно более дешевых сварочных материалов перлитного класса.
Далеко не в полной мере используются потенциальные возможности многослойной сварки как по управлению процессами формирования структуры и свойств сварного соединения, так и для регулирования уровня временных и остаточных напряжений. Принятие принципиальных решений относительно режимов и последовательности укладки швов, выбора сварочных материалов, назначении подогрева и т.п. осуществляется на основе личного опыта разработчиков и результатах многочисленных экспериментов, сами решения, как правило, не являются оптимальными. Недостаточно широко при проектировании технологии сварки используются прогрессивные методы исследований на основе компьютерного моделирования. Наконец, сам процесс разработки технологии многослойной дуговой сварки изделий из НЛС остается весьма трудоемким и длительным.
Перечисленные недостатки в значительной мере объясняются сложностью и большим числом взаимосвязанных процессов, протекающих в сталях при многослойной сварке, их влиянием на комплекс показателей качества сварного изделия, неоднозначной зависимостью показателей качества от параметров технологии сварки. Совершенно очевидно, что только использование технических
возможностей современной компьютерной техники для комплексного анализа технологических вариантов сварки путем моделирования совокупности протекающих в металле процессов, позволит получать оптимальные технологические решения при значительном снижении ресурсоемкое^ самого процесса разработки.
Представляемая работа посвящена разработке методического и математического обеспечения указанного подхода на базе современных представлений о свариваемости НЛС, влиянии физических процессов, протекающих в НЛС при сварке, на формирование показателей свариваемости, использовании методов математического моделирования, оптимизации и средств вычислительной техники. Она является итогом 15-летней деятельности (1988-2003) автора в лаборатории «Свариваемость материалов» МГТУ им.Н.Э.Баумана. В этот период возможности проведения экспериментальных исследований были весьма ограничены, в связи с чем усилия автора были в основном направлены на систематизацию и осмысление обширных литературных данных, а основным средством исследований стало компьютерное моделирование с верификацией моделей по результатам, ранее полученным сотрудниками лаборатории. В результате этой деятельности был создан ряд компьютерных программ, пригодных для анализа свариваемости НЛС, в том числе в условиях многослойной сварки (инженерный программный комплекс «Свариваемость легированных сталей»); а также в сотрудничестве с А.С.Куркиным значительно расширены исследовательские возможности программного комплекса «СВАРКА». Создание доступных компьютерных средств, позволяющих значительно снизить трудоемкость получения научно обоснованных оптимальных технологических решений по обеспечению свариваемости изделий из НЛС, автор считает главным практическим результатом представленной диссертационной работы.
На защиту выносятся следующие положения:
Математическая модель комплексного анализа технологического процесса саарки и формирования показателей свариваемости низколегированных конструкционных сталей на основе современных представлений об их взаимосвязи с параметрами технологии и физическими процессами, протекающими в металле при многослойной сварке;
Подход к моделированию структурных превращений НЛС при многослойной сварке путем решения системы дифференциальных и алгебраических уравнений, описывающих фундаментальные закономерности полиморфных превращений;
Методика определения кинетических параметров структурных превращений по диаграмме анизотермического распада аустенита методом решения обратной задачи;
Методический подход к моделированию свойств, основанный на представлении материала совокупностью его структурных компонентов;
Методический подход к расчету размеров зоны проплавлення и доли участия основного металла в шве при сварке деталей ограниченной толщины;
Методика решения задач выбора оптимального сочетания химического состава сварочных материалов и параметров режима сварки на базе математической модели комплексного анализа;
Программное обеспечение, реализующее указанные методики и предназначенное для использования в практике научно-исследовательской и инженерной деятельности.
Автор выражает глубокую признательность коллективу кафедры «Технологии сварки и диагностики» МГТУ им.Н.Э.Баумана за
поддержку и внимание в период выполнения представляемой работы, и особенно профессору Э.Л.Макарову, которого автор считает своим Учителем, за многочисленные полезные консультации, плодотворные дискуссии и доброе отношение к своим ученикам.
Низколегированные стали, используемые для изготовления сварных конструкций
Низколегированные стали (НЛС) перлитного класса применяются в различных конструкциях взамен углеродистых, обеспечивая снижение металлоемкости на 20-50%. Они широко используются в строительстве трубопроводов, конструкций газо- и нефтехимических производств, судов, мостов и других сооружений, эксплуатируемых в температурном интервале от -70 до +475СС в зависимости от химического состава и структурного состояния, обеспеченного термообработкой [2]. Возможность применения той или иной В при изготовлении конкретной сварной конструкции определяется комплексом ее свойств, наиболее важными из которых для машиностроительных конструкций являются прочность при различных температурах, пластичность, вязкость, усталостная прочность, сопротивляемость хрупким разрушениям, свариваемость и другие характеристики [1,2,3].
НЛС являются сплавами, легированными хромом, никелем, вольфрамом, молибденом, ванадием и другими элементами в различных сочетаниях и отношениях. В табл. 1 приведены химические составы некоторых высокопрочных НЛС, применяемых в нашей стране, а также некоторых высокопрочных сталей зарубежного производства [3,4].
Указанные стали с целью повышения пластичности и вязкости выплавляют из чистых шихтовых материалов, а также тщательно очищают в процессе производства от серы, фосфора, газов и неметаллических включений, в ряде случаев подвергая их вакуумно-дуговому, электрошлаковому переплавам, рафинированию в ковше жидкими синтетическими шлаками [2J. Оптимальное сочетание прочности, пластичности и вязкости НЛС получают после термической обработки (ТО), которая обычно заключается в закалке и низком отпуске. При такой ТО прочностные свойства стали зависят в основном от содержания углерода в ней [1]. Легирующие элементы, снижая критическую скорость охлаждения стали, способствуют получению максимальной прочности при данном содержании углерода. Непосредственное влияние легирующих элементов на прочностные свойства сталей невелико.
Некоторое повышение твердости мартенсита в закаленной стали достигается в результате упрочнения феррита отдельными легирующими элементами при закалке. Так, например, при увеличении содержания хрома от 0.5 до 2% твердость стали, содержащей 0.35% углерода, повышается на 1.5 единицы HRC, а увеличение содержания марганца от 1 до 2% повышает твердость на 2 единицы HRC. Несколько большее увеличение твердости дает кремний [3]. Характерные режимы ТО некоторых НЛС и получающиеся при этом механические свойства приведены в табл. 2.
Более высокая температура нагрева при ТО характерна для сталей, содержащих сильные карбидообразователи - W, Мо, V и др. Из табл. 2 видно, что с повышением температуры отпуска прочность сталей заметно уменьшается, пластические же свойства повышаются незначительно. Этим и объясняется тот факт, что отпуск НЛС производят чаще всего при низких температурах (150-300С).
Наиболее эффективное увеличение прочности достигается при термомеханической обработке (ТМО), получающей в последние годы все более широкое распространение в нашей стране и за рубежом. В зависимости от деформации аустенита выше или ниже температуры рекристаллизации различают высоко- и низкотемпературную термомеханическую обработку (ВТМО и НТМО).
Распространение тепла при сварке
Традиционно используемые в сварочной практике аналитические решения Н.Н.Рыкалина [31], полученные в предположении постоянства теплофизических свойств материала и отсутствия тепловых эффектов фазовых и структурных превращений, пригодны лишь для приближенных инженерных оценок. Поэтому для анализа тепловых процессов в околошовной зоне необходимо использовать численные методы интегрирования нелинейного уравнения (2.1) при соответствующих начальных и граничных условиях [79].
Полная схема численного решения задачи теплопереноса состоит из следующих этапов [80];
1. Сформулировать физическую задачу;
2. Записать основные интегро-дифференциальные уравнения, а также соответствующие начальные и граничные условия;
3. Провести дискретизацию этих уравнений, получив в результате систему соответствующих алгебраических уравнений;
4. Проанализировать численные свойства принятой схемы дискретизации, такие как устойчивость, аппроксимация, сходимость и границы погрешности;
5. Если выбранная схема удовлетворяет поставленным требованиям, решить полученную систему алгебраических уравнений. Если это сделать не удается, вернуться к этапу 3 и воспользоваться другой схемой дискретизации;
6. Проанализировать результаты вычислений.
Для численного интегрирования дифференциального уравнения теплопроводности применяют метод конечных разностей (МКР) или метод конечных элементов (МКЭ), при этом модель объекта обычно соответствует дискретизации в виде теплоемких масс (центров элементов) и теплопроводящих стержней (границ элементов) [81]. В связи с большей гибкостью и универсальностью МКЭ в настоящее время является наиболее популярным методом численного моделирования, и на его основе создано большое число коммерческих программных продуктов для научных исследований: ANSYS, MARC, SYSWELD и др.; математические аспекты МКЭ подробно представлены в специальной литературе [82-88].
Формализация объекта моделирования и алгоритм анализа
Для реализации компьютерной модели необходимо, чтобы все математические процедуры обработки исходных и промежуточных данных были однозначно определены и достаточно эффективны (соответствовали определенным требованиям), а последовательность обработки информационных потоков внутри модели соответствовала физической природе объекта. В связи с этим процедуру программирования обычно предваряет тщательная логико-математическая формализация объекта на основе системного анализа и составление алгоритма обработки данных.
Основные концепции компьютерного моделирования Создание эффективных компьютерных моделей, как и любой другой технологический процесс, требует привлечения соответствующих инструментальных средств и математических методов, адекватных поставленным задачам. При их выборе необходим учет некоторых специфических для моделирования соображений, основные из которых изложены ниже.
Рациональная степень детализации модели
Для одного и того же объекта можно сформулировать ряд моделей, различающихся степенью учета тех или иных особенностей протекающих в объекте процессов, методологией получения самой модели, системой используемых параметров. Любая модель лишь приближенно отображает свойства и поведение моделируемого объекта. Естественно, что степень этого приближения зависит от уровня знаний о закономерности процессов в объекте. Попытки отобразить в модели все, что известно о моделируемом объекте, как правило, обречены на неудачу, поскольку требуемые вычислительные ресурсы оказываются неприемлемо большими [166].
Использование ЭВМ не снимает необходимости упрощающих допущений, однако уровень этих допущений должен соответствовать решаемой задаче. Степень соответствия объекта и его модели обычно представляют интерес только с точки зрения тех характеристик и параметров, которые рассматриваются как результаты анализа. Исследовательские задачи требуют предельно точного описания всех явлений и эффектов, имеющих место в изучаемом объекте. Для решения задач проектирования достаточно, чтобы модель обеспечивала необходимую точность только тех параметров, по значению которых принимается то или иное проектное решение [52].
Методы построения математических моделей
При создании моделей можно использовать один из двух принципиально различных подходов. Первый из них не требует изучения физических закономерностей процессов в объекте, а целиком основан на экспериментальном исследовании связей между входными и выходными параметрами объекта. Математическое выражение таких связей и кладется в основу модели, которую в этом случае называют эмпирической или феноменологическими (иногда подобные модели называют формальными). Второй подход приводит к моделям, уравнения которых вытекают из физических особенностей процессов, протекающих в объекте. Такие модели не получили специального названия. Второй подход позволяет проще добиться удовлетворительного соответствия модели и объекта в широком диапазоне изменения входных параметров. В ряде моделей удачно сочетаются оба подхода. Так, например, вид формульных зависимостей сначала получается из физических соображений, а затем эти зависимости корректируются по экспериментальным данным. Также экспериментально определяют коэффициенты уравнений многих моделей, принятые за параметры моделей. В ряде случаев для настройки теоретической модели используются поправочные коэффициенты или функции, а также используют кусочную аппроксимацию участков сложных зависимостей,
