Снижение деформаций в тонколистовых конструкциях из высокопрочных сталей на основе САЕ-анализа сварных соединений

Введение

Сварка тонколистовых деталей из высокопроч­ной стали мартенситно-бейнитного класса (по­лотнищ, балок, обечаек) сопровождается изме­нением геометрии сборки после сварки. Это связано с потерей устойчивости конструкции ввиду малой толщины деталей и возникающих напряжений в сварных соединениях вслед­ствие теплового нагружения деталей свароч­ной дугой и структурных превращений, сопро­вождаемых изменением объема получаемой структуры. Распространенными методами по снижению деформации являются использова­ние сварочного приспособления, выбор после­довательности сборки, при которой обеспечи­вается максимальная жесткость конструкции, применение отрицательного прогиба.

Сварочное приспособление жестко за­крепляет детали при сварке, что приводит к накоплению остаточных напряжений в шве и околошовной зоне. При достижении критического значения в сварном соединении обра­зовываются трещины. Поэтому предложена новая схема закрепления. Прижим во время сварки меняет свою жесткость, тем самым появляется возможность деформирования де­талей, снижающая уровень остаточных напря­жений. Получаем, что прижим адаптируется к распределению остаточных напряжений во время сварки. Адаптивный прижим можно реа­лизовать в пневматических, гидравлических, а также в механических сварочных приспо­соблениях. Рассмотрим влияние адаптивных прижимов на напряженно-деформированное состояние (НДС) обечайки.

Образование и распределение напряже­ний и деформаций в продольных однопроход­ных соединениях цилиндрических обечаек, когда они свариваются с закреплением в приспособлениях, принципиально не отличаются от случая сварки 2 листов встык [1, 2]. Подоб­ное упрощение использовалось и в работе [3], где НДС после сварки продольного сварно­го соединения цистерны изучалось также на 2 пластинах.

При моделировании процесса сварки вы­полнен поиск усилия адаптивного прижима, благодаря которому после сварки уровень де­формации поверхности детали в рассматриваемом сечении будет наименьшим, а значение остаточных напряжений повысится незначи­тельно, чтобы не увеличить вероятность об­разования трещин.

Методы и материалы

Смоделирован процесс сварки обечайки, в которой выполняется продольный шов с по­мощью аргонодуговой сварки неплавящимся электродом (рис. 1).

В качестве основного и сварочного матери­ала используется высокопрочная сталь 30ХГСА.

Термомеханическую задачу решали от­носительно сварочных напряжений и дефор­маций для стыкового шва на пластинах с раз­мерами 100 х 100 х 3 мм. Эскиз исследуемой модели приведен на рис. 2.

Ввиду однопроходной сварки пластин рассмотрен случай нагрева пластины линей­ным источником теплоты, когда температуру по толщине (δ) листа можно считать выровненной. Граничные условия заданы в виде теплового взаимодействия с окружающим воздухом с температурой 20 °С, при этом от­сутствует какое-либо движение воздуха.

Расчеты проведены в программном комплексе SYSWELD. Для решения тепловой и механической задачи были использованы объемные элементы призматической фор­мы, суммарно образующие расчетную сетку (рис. 3). В области шва и зоны термического влияния (ЗТВ) расчетная сетка была сгуще­на по отношению к остальным ввиду значительных тепловых и механических градиен­тов поля.

Программная реализация прижима за­ключается в следующем. В прижатом состо­янии во время сварки детали начнут переме­щаться, что ограничивает прижим в участках соприкосновения. Следовательно, физиче­ский прижим в модели можно убрать, но при этом необходимо повысить жесткость деталей в участках фиксации. Усилие при­жима исчисляется в килоньютонах, поэто­му повышается влияние силы трения между деталью и сварочным столом на картину де­формации детали при сварке. Сила трения увеличивает жесткость поверхности детали противоположного участкам закрепления. Замена позволяет упростить модель, что в свою очередь, снизит сложность механиче­ских расчетов, а значит, и требования к вы­числительной технике.

Схема нагружения включает в себя уси­лия от тепловой нагрузки и от 4 адаптивных прижимов. В модели места закрепления ре­ализованы 4 плоскими участками действия прижима P = 0... 5000 Н, в которых повышена жесткость согласно усилию прижима. Усилие в 0 Н соответствует свободным перемещениям, а 5000 Н предполагает, что усилие от теплово­го расширения будет недостаточным для пре­одоления действия прижима, а значит, закре­пление можно рассматривать как жесткое. На таком же расстоянии от стыка сварного соединения с противоположной стороны пла­стины установлены участки повышенного дей­ствия силы трения.

Сила трения определялась по формуле [4]

F_тр = μΝ,                                                            (1)

где μ - коэффициент трения покоя, μ = 0,2 [4];

N - нормальная сила, действующая про­тивоположно сжатию прижима.

Поскольку вес конструкции ничтожно мал по сравнению с усилием сжатия, им мож­но пренебречь, N = P. Вводимые значения P и F_тр приведены в таблице.

Сталь 30ХГСА является типичным пред­ставителем мартенситно-бейнитного класса, в котором протекает превращение аустенита в мартенсит и его составные структуры после сварки [5]. В свою очередь, влияние фазо­вых (структурных) превращений на остаточ­ные напряжения и деформации при сварке настолько значительно, что их оценка без учета структурных превращений приводит к большим ошибкам. Это влияние обуслов­лено изменением объема и свойств метал­ла при превращении. Мартенситное превра­щение сопровождается увеличением объема металла примерно на 3 % и существенно изменяет кинетику деформаций и напряже­ний [6]. Получаем, что НДС пластин следует изучать совместно с полученной структурой после сварки. А это приведет к повыше­нию сложности анализа влияния жесткос­ти прижима. Поэтому было принято решение о выполнении расчета, где для рассматрива­емого материала в программе SYSWELD ис­пользована кинетическая диаграмма непре­рывного охлаждения, но при анализе НДС конечная структура не рассматривается, она привязана к погонной энергии, от которой за­висит соотношение структур в пластине.

На основании проделанной работы осу­ществлена экспериментальная проверка влия­ния жесткости прижима на НДС пластин при погонной энергии сварки 500 Дж/мм. Сварка выполнена на следующих режимах: I_св = 120 А, U_д = 11,9 В, V_св = 2 мм/с. Для обеспечения равных условий и постоянства всех парамет­ров для 3 образцов сварка проведена с по­мощью сварочной колонны. Это позволило исключить вероятность случайной ошибки, связанной с человеческим фактором, так как из опыта были убраны навыки сварщика. Режим выбран максимально совпадающий с серией опытов, где погонная энергия равна 500 Дж/мм. Сваривались 3 образца (6 плас­тин) из высокопрочной стали 30ХГСА тол­щиной 3 мм. Проверены 3 случая: свар­ка в свободном состоянии, с изменяющейся жесткостью прижима и в сварочной оснастке, обеспечивающей жесткое закрепление пластин во время сварки. Высокопрочные стали чув­ствительны к скорости охлаждения, даже при незначительном ее изменении структура ста­ли будет совсем иной. Дальнейшее изучение таких пластин недопустимо. Для обеспечения равных условий для всех образцов и сниже­ния вероятности получения разных структур во время эксперимента под пластины и прижи­мы было уложено асбестовое полотно.

Грузы в 20 кг, или приблизительно 200 Н, установленные на каждой пластине, сымити­ровали прижим, обеспечивающий постоянство давления на деталь. Для примерной оценки уровня остаточных напряжений выбраны ис­пытания на статический изгиб и растяжение согласно ГОСТ 6996-66. На основании резуль­татов испытаний можно судить о пластичности и прочности шва и ЗТВ.

Результаты

По итогам решения термомеханической зада­чи были определены максимальные напряже­ния и деформации в зависимости от заданного усилия, приведенные на рис. 4. При анализе данных выявлено, что существует такое кри­тическое значение усилия Р_кр, при котором область максимальных деформаций меняет свою локализацию. По графикам на рис. 4 вид­но, что наименьшие деформации наблюдают­ся при усилии 600 Н, остаточные деформаций снизились на 45 % по сравнению со случаем сварки в свободном состоянии, а напряжения повысились всего на 3 %.

Механические испытания показали, что при сварке в свободном состоянии прочность и пластичность сварного соединения увели­чены по сравнению с жестким закреплением. Предположительно это связано с благоприят­ным условием кристаллизации металла шва. Прочность сварного соединения на растяжение с применением прижима увеличена на 67 %, угол изгиба - на 20 % по сравнению с жестким закреплением.

Рентгенографический контроль показал отсутствие трещин в сварных соединениях, т. е. уровень напряжений не достиг предела прочности ни в одном случае. Деформации при сварке в свободном состоянии составили 0,55 мм, с применением прижима - 0,45 мм, при жестком закреплении - 0,4 мм. Расхожде­ние расчетных и экспериментальных данных не превысило 11 %.

Полученные результаты расширили биб­лиотеку программного модуля, графическая составляющая приведена на рис. 5, в котором реализована методика выбора усилия прижима от количества погонной энергии и толщи­ны свариваемых деталей. На данный момент библиотека модуля включает в себя результаты по таким распространенным материалам, как высокопрочные стали, алюминиевые и тита­новые сплавы толщинами 1, 2 и 3 мм. Про­граммное обеспечение позволяет выбрать уси­лие и создает модель прижима, понимаемую САЕ-платформой. Модуль будет интегрирован в программный комплекс ProWeld.

Практическое применение результатов исследования

На основании проделанной работы предложе­но оснащение прижимами сварочных приспо­соблений с изменяемой жесткостью согласно рис. 6.

Прижимы с изменяемой жесткостью в сварочной оснастке обеспечивают согласова­ние по обратным связям упругости прижимов и уровня напряжений в сварном соединении в интервале значений, близких пределу прочно­сти. Это дает возможность уменьшить воздей­ствие на свариваемую деталь во время сварки, что эффективно снижает уровень деформации и вероятность образования горячих трещин. Имеется в виду, что, если деталь посредством теплового расширения начинает противодей­ствовать прижиму с усилием большим задан­ного, прижим обеспечивает некоторый ход для деформации изделия. Это позволит релаксировать напряжения в сварных соединениях и в околошовной зоне, а также ограничить деформации детали во время сварки. Например, с помощью установки обратного клапана в пневматическом прижиме можно снизить давление воздуха в гильзе, уменьшая усилие на деталь при сварке. Деталь деформируется, релаксируя остаточные напряжения. А при исчезновении упругих деформаций в гильзе пневматического прижима повышается давле­ние, выравниваясь с подающей системой. Та­кая схема обеспечивает воздействие на деталь с определенной силой, которая не изменяется с течением времени.

Полученные результаты можно приме­нять как при расчете 2 пластин при выполне­нии стыкового шва, так и при сварке продоль­ного соединения обечайки.

Заключение

Разработана модель деформации тонколис­товой конструкции из высокопрочной стали при сварке путем компьютерных расчетов в SYSWELD.

Расхождения между расчетами и экспе­риментальными данными не превысили 11 %.

Экспериментальная проверка влияния адаптивного прижима на НДС пластин показа­ла схожее значение деформации, а отсутствие трещин на рентгеновских снимках указывает на то, что остаточные напряжения в пластинах ниже предела прочности.

По результатам расчетов выявлено сни­жение деформации пластин на 45 % при при­менении прижима с изменяемой жесткостью, кроме того, незначительно увеличились остаточные напряжения, составившие 3 %. Пред­полагается, что вероятность трещинообразования останется на прежнем уровне.

Согласно полученным данным, мож­но определить уровень остаточных напряже­ний и деформации как при сварке стыкового шва пластин, так и при сварке продольного шва обечайки.

Результаты работы расширили библио­теку данных разработанного программного модуля по выбору усилия прижима.