Введение к работе
Актуальность темы. Быстрое развитие техники было всегда связано в той или иной мере с непрерывным повышением потребления металлов. Ресурсы природы являются ограниченными, поэтому проблема снижения металлоемкости выпускаемой продукции в недалеком прошлом была одной из главных. На современном этапе развития эта проблема ничуть не устарела, а наоборот приобрела особый смысл в свете нового экологического мышления. Повышение прочности стали за счет легирования и применение более рациональных способов соединения приводит к уменьшению веса конструкций и к уменьшению энергоемкости в цепом. Однако сварка легированных конструкционных сталей затруднена из-за опасности образования холодных трещин. Легирование азотом традиционных хромоникелевых нержавеющих сталей позволило значительно повысить их условный предел текучести. Под влиянием термического цикла сварки происходит перераспределение азота в сварном соединении, ведущее к неравномерному распределению свойств.
Таким образом, успешное решение проблем сварки связано непосредственно с получением информации о температурном поле, о формировании структурного и напряженно-деформированного состояния сварного соединения и о распределении газов в нем во время сварки. Одними экспериментальными методами невозможно проследить за протеканием процессов в глубине металла во время сварки. Эту возможность предоставляют расчетные методы.
Цель работы. Разработать, развить и применить теоретические и экспериментальные методы исследования тепловых, структурообразующих, термодиффузионных и термомеханических процессов, протекающих при сварке в сварном соединении, при решении конкретных проблем.
Методы исследования. Аналитические и численные методы решения задач теории теплопроводности и численные методы решения задач теории массопереноса и термопластичности. Экспериментальные методы исследования: температурных полей - термоэлементами; микроструктур -световым, просвечивающим и растровым микроскопом, микрозондом и др.; диффузионных процессов - масс-спектрометром и хроматографом; напряжений - рентгенографическим методом.
Научная новизна
1. Разработаны аналитические модели для расчета тепловых процессов при сварке с неравномерно распределенными плоскими, неподвижными и подвижными источниками тепла с изменяющейся во времени мощностью, которые можно применять для исследования процессов распространения тепла
при сварке дугой, вращающейся в магнитном поле, трением и другими аналогичными способами сварки.
-
Разработана аналитическая модель для расчета тепловых процессов в плааинах при сварке подвижными концентрированными источниками тепла, неравномерно распределенными по толщине, которую можно применять для всех способов сварки плавлением.
-
Разработан алгоритм, основанный на методе конечных элементов (МКЭ) для расчета структурообразующих процессов в шве и ЗТВ с учетом максимальных температур нагрева.
-
Предложен расчетно-экспериментальныи подход для прогнозирования склонности сварных соединений к межкристаллитной коррозии при сварке.
-
Разработана математическая модель перераспределения водорода и азота при сварке, учитывающая такие основные особенности процесса, как наличие нестационарного и неоднородного температурного поля, возможность термодиффузии под влиянием градиентов температуры и диффузии под влиянием градиентов свойств, вызванных в свою очередь различием в структурном, химическом и напряженном состоянии отдельных зон сварного соединения.
-
Определен коэффициент диффузии водорода при его проникновении через металлические мембраны из стали StE 890 в интервале температур 413К - 708 К и показано, что предварительная холодная пластическая деформация до 16.83 % практически не сказывается на проницаемости и коэффициенте диффузии водорода в этом же интервале температур.
-
Исследована десорбция водорода в условиях непрерывного нагрева проб из стали StE 890 и показано, что состояние поверхности оказывает решающее влияние на характер выделения водорода, сдвигая существенно температуру и величину второго максимума на кривой выделения.
-
Проведенными исследованиями по перераспределению водорода при электронно-лучевой сварке титанового сплава TiAI6V4 подтвержден феномен термодиффузии и показано влияние учета конвективных процессов переноса вещества в сварочной ванне на рассчитанное перераспределение водорода.
-
Определены температурные зависимости коэффициентов растворимости и диффузии азота для сталей ХЗ CrNi 19 11 и Х2 CrNiMo 18 14 3 в интервале температур 1273-1673 К. Для этих же сталей и для сталей Х2 CrNiN 18 10 и Х2 CrNiMoN 17 13 3 определены температурные зависимости коэффициентов растворимости азота в интервале температур 1873 - 2023 К.
10. Теоретически и экспериментально показано, что при аргоно-дуговой сварке неллавящимся
электродом сталей, содержащих азот, имеет место деазотация шва во время сварки, ведущая к
изменению коррозионных свойств сварного соединения.
11. На основе разработанных моделей и алгоритмов для расчета тепловых, термодиффузионных и термомеханических процессов в условиях сварки предложен подход для прогнозирования склонности сварных соединений к образованию холодных трещин.
Практическая ценность.
-
На основе созданных аналитических моделей разработана программа для расчета температурных полей при сварке давлением и плавлением. Программа успешно применяется для оптимизации режима сварки и исследования тепловых процессов в Институте металловедения Болгарской Академии Наук и Институте сварочной техники города Брауншвайга (Германия).
-
Разработан программный комплекс для расчета МКЭ тепловых, структурообразующих, термодиффузионных и термомеханических процессов в условиях сварки. Он успешно применен и для решения ряда конкретных проблем в области технологии металлов.
Апробация работы. Диссертационная работа, ее основные положения докладывались на 8 международных конференциях и симпозиумах (1985-97гг.), на 5 национальных конференциях и семинарах в России, Болгарии и Германии и на научном семинаре Технического университета города Брауншвайга (1993 г.), на научных сессиях Института металловедения и Научного объединения технических наук Болгарской Академии Наук (1987-91 гг.), на 24-ом научном семинаре сварочных кафедр технических университетов Германии (1995 г).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 44 работы.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и общих выводов, изложенных на 355 страницах, и включает 14 таблиц, 173 рисунка и список литературы из 255 наименований.