Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

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

Полный текст:

Аннотация

Высокая конкуренция в области машиностроения требует изготовления облегченных тонколистовых конструкции из высокопрочных сталей с обеспечением геометрии определенной точности. Обеспечение заданной геометрии достижимо при совершенствовании мер снижения остаточных деформаций. Исследовано снижение деформации на основе анализа влияния жесткости прижима на напряженно-деформированное состояние сборки с помощью компьютерного моделирования методом конечных элементов. Получена модель прижима, позволяющая регулировать уровень остаточных напряжений и деформаций, подтвержденных экспериментальным путем

Для цитирования:


Хайбрахманов Р.У., Коробов Ю.С., Ярошевич Д.Л. Снижение деформаций в тонколистовых конструкциях из высокопрочных сталей на основе САЕ-анализа сварных соединений. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2018;(4):67-72.

For citation:


Khaybrakhmanov R.U., Korobov Y.S., Yaroshevich D.L. Reducing deformations in thin-sheet high-strength steel structures based on CAE-analysis of welded joints. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2018;(4):67-72. (In Russ.)

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).

 

Рис. 1. Эскиз изделия

 

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.

 

Рис. 2. Эскиз исследуемой модели

 

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.

 

Рис. 3. Сетка для решения тепловой и механической задачи

 

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]

Fтр = 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 Fтр приведены в таблице.

 

Принимаемые значения P и Fтр

Внешние нагрузки, Н

Значения

P

600

1200

1800

2400

3000

5000

Fтр

120

240

360

480

600

1000

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: Iсв = 120 А, Uд = 11,9 В, Vсв = 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 Ркр, 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.

 

Рис. 5. Графическая визуализация программного модуля

 

 

Рис. 6. Адаптивный прижим

 

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.

Об авторах

Р. У. Хайбрахманов
Публичное акционерное общество «Машиностроительный завод им. М.И. Калинина»
Россия


Ю. С. Коробов
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»
Россия


Д. Л. Ярошевич
Публичное акционерное общество «Машиностроительный завод им. М.И. Калинина»
Россия


Для цитирования:


Хайбрахманов Р.У., Коробов Ю.С., Ярошевич Д.Л. Снижение деформаций в тонколистовых конструкциях из высокопрочных сталей на основе САЕ-анализа сварных соединений. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2018;(4):67-72.

For citation:


Khaybrakhmanov R.U., Korobov Y.S., Yaroshevich D.L. Reducing deformations in thin-sheet high-strength steel structures based on CAE-analysis of welded joints. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2018;(4):67-72. (In Russ.)

Просмотров: 49


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2542-0542 (Print)