Методика расчетной оценки стойкости сварных швов листовых конструкций из алюминиевых сплавов против образования продольных кристаллизационных горячих трещин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.06, кандидат технических наук Королев, Сергей Анатольевич

• Королев, Сергей Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Королев, Сергей Анатольевич

Введение.

Глава 1. Современное состояние методик оценки сопротивляемости сплавов образованию горячих трещин и стойкости сварных соединений конструкций против образования горячих трещин.

1.1. Современные промышленные алюминиевые сплавы.

1.2. Понятие «горячие трещины» и их классификация.

1.3. Развитие представлений о закономерностях образования горячих трещин.

1.4. Теория технологической прочности металлов в процессе кристаллизации при сварке.

1.5. Методики нахождения численных величин основных факторов, определяющих образование горячих трещин.

1.5.1. Методики нахождения границ и величины температурного интервала хрупкости.

1.5.2. Методики нахождения величины минимальной пластичности в температурном интервале хрупкости.

1.5.3. Методики определения величины действующего темпа деформации в сварном соединении.

1.6. Методы оценки сопротивляемости образованию горячих трещин и стойкости сварных соединений против образования горячих трещин.

1.6.1. Экспериментальные методы.

1.6.2. Расчетные методы.

Выводы по главе 1.

Цель работы.

Задачи работы.

Глава 2. Разработка методики расчетной оценки стойкости сварных швов конструкций против образования горячих трещин.

2.1. Алгоритм расчетной оценки стойкости сварных швов конструкций против образования горячих трещин.

2.2. Исходные данные для расчетной оценки.

2.3. Выбор методики расчета температурного поля и действующего темпа деформации.

2.4. Методика расчета температурного интервала хрупкости.

2.5. Разработка вида модели минимальной пластичности металла шва в температурном интервале хрупкости.

2.5.1. Выбор основных факторов, влияющих на величину минимальной пластичности металла шва в температурном интервале хрупкости.

2.5.1.1. Факторы угла схождения осей противоположно растущих кристаллитов и характера распределения сварочной деформации по ширине шва.

2.5.1.2. Фактор размера поперечных сечений кристаллитов.

2.5.1.3. Фактор количества эвтектической фазы в период завершения кристаллизации.

2.5.1.4. Фактор типа первичной структуры.

2.5.2. Общий вид модели минимальной пластичности в температурном интервале хрупкости.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Реализация методики расчетной оценки стойкости сварных швов конструкций против образования горячих » трещин применительно к алюминиевым сплавам.

4 СТР.

3.1. Основные положения, принятые при реализации расчетной методики.

3.2. Конкретизация исходных данных.

3.3. Расчет температурного поля.

3.4. Получение моделей границ температурного интервала хрупкости для алюминиевых сплавов.

3.5. Получение модели минимальной пластичности в температурном интервале хрупкости для алюминиевых сплавов.

3.5.1. Определение диапазона изменения величины минимальной пластичности в ТИХ.

3.5.2. Определение действительных и нормированных значений факторов, влияющих на величину минимальной пластичности металла шва в температурном интервале хрупкости.

3.5.2.1. Фактор угла схождения осей противоположно растущих кристаллитов.

3.5.2.2. Фактор характера распределения сварочной деформации по ширине шва.

3.5.2.3. Фактор размера поперечных сечений кристаллитов.

3.5.2.4. Фактор относительного количества эвтектической фазы в период завершения кристаллизации.

3.5.2.5. Фактор типа первичной структуры.

3.5.3. Определение весовых коэффициентов значимости факторов, влияющих на минимальную пластичность.

4 СТр.

3.6. Расчет напряженно-деформированного состояния и действующего темпа деформации.

3.7. Расчет критического темпа деформации.

3.8. Учет влияния вредных примесей.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Расчетная оценка сопротивляемости образованию ГТ и стойкости сварных швов конструкций из алюминиевых сплавов против образования ГТ.

4.1. Инженерный программный комплекс ИПК «Свариваемость алюминиевых сплавов (горячие трещины)».

4.2. Оценка сопротивляемости сварных швов алюминиевых сплавов образованию ГТ.

4.3. Оценка стойкости сварных швов конструкций из алюминиевых сплавов против образования ГТ.

4.3.1. Оценка стойкости против образования ГТ листовых конструкции с прямолинейным швом.

4.3.2 Оценка стойкости против образования ГТ листовых конструкций с круговым швом.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика расчетной оценки стойкости сварных швов листовых конструкций из алюминиевых сплавов против образования продольных кристаллизационных горячих трещин»

В настоящее время интенсивное развитие современной цивилизации требует все большего использования разнообразных конструкционных материалов. Согласно последним экономико-статистическим данным, одними из наиболее распространенных среди них являются алюминиевые сплавы, которые по объему применения в мире занимают второе место, уступая лишь сталям. Причем только за последнее десятилетие темп их ежегодного производства вырос почти на 25 % [1].

Широкое распространение алюминиевых сплавов не случайно и объясняется не только большими запасами алюминия в земной коре (~ 8%), но и наличием у них ряда полезных эксплуатационных свойств.

Так, благодаря своей высокой удельной прочности [2], они являются практически незаменимыми материалами в современной авиационной промышленности. По прогнозам специалистов, доля их применения в структуре практически всех самолетов будет сохраняться на уровне 50% вплоть до 2015 года [3].

По тем же причинам, не меньший интерес эти сплавы вызывают и у производителей современных легковых автомобилей и железнодорожных вагонов. Так, известно, что 10% - ное снижение массы автомобиля обеспечивает экономию топлива на 8 . 10 % и уменьшает уровень выделения С02 [4]. Внедрение алюминиевых сплавов при изготовлении 4- и 6-осных полувагонов (взамен стальных) позволило снизить массу кузова на 30 . 35 % [5].

Благодаря высокой коррозионной стойкости алюминиевых сплавов в морской воде, другим перспективным направлением их использования будет судостроение. Здесь высокопрочные алюминиевые сплавы станут основными материалами при изготовлении прогулоч-* ных яхт и высокоскоростных судов [6].

4 Кроме прочностных свойств алюминиевые сплавы имеют высокую тепло- и электропроводность [2].

В целом, считается, что эти материалы будут определять конструктивные формы и эксплуатационные характеристики всех будущих транспортных средств, резервуарных конструкций, строительных и пространственных сооружений [7].

С точки зрения технологичности изготовления, при проектировании большинства из вышеперечисленных изделий, по всей видимости, нельзя будет обойтись без использования неразъемных соединений. На сегодняшний день наиболее прогрессивным процессом получения неразъемных соединений является сварка. Характерным является случай, когда переход на цельносварной фюзеляж истребителя МИГ-29М позволил уменьшить его массу на 24% по сравнению с клепаными конструкциями вследствие устранения нахлесток, герметиков, клепаных и болтовых соединений [8].

Все названные изделия являются ответственными, поэтому к их сварным соединениям предъявляться повышенные требования к качеству и надежности.

Многолетняя практика показала, что наиболее распространенными дефектами при сварке алюминиевых сплавов являются поры, оксидные плены, вольфрамовые включения и горячие трещины, повышенная склонность к которым установлена для систем Al—Mg, Al-Cu, Al-Si и Al-Zn [11]. С точки зрения эксплуатации конструкций, самыми опасными считаются дефекты типа горячих трещин, так как в мире уже давно известны случаи, когда они являлись причинами аварийных разрушений [9], что могло быть следствием значительного снижения ресурса материалов из-за создаваемых ими зон с повышенной концентрацией напряжений. В связи с этим по большинству нормативных документов именно горячие трещины в отличие от всех вышеназван» ных дефектов являются недопустимыми и подлежат обязательному исправлению [10,11,12].

Из производственного опыта известно, что время исправления трещины сопоставимо или превышает время выполнения всего сварного шва. Это приводит к незапланированным ранее затратам (за счет операций устранения брака), что увеличивает себестоимость изготовления изделия. Кроме того, это отрицательно влияет на качество сварных соединений, так как при подварке (т.е. повторном локальном нагреве исправляемых участков) появляются местные напряжения, возможно укрупнение зерна, ухудшение пластических свойств металла и т.д., что приводит к снижению закладываемых при проектировании рабочих хара1стеристик материалов [13].

Таким образом, мероприятия, связанные с предотвращением образования горячих трещин, основанные на предварительной оценке возможности их появления (еще на этапе разработки конструкции и технологии ее сварки), по сравнению с их последующим устранением, являются более выгодными, как с технической, так и с экономической точки зрения. В связи с этим, первая глава данной работы будет посвящена анализу современного состояния этого вопроса и постановке задач, требующих решения.

Автор выражает глубокую признательность всему коллективу лаборатории «Свариваемость, надежность и ресурс сварных конструкций» кафедры «Технологии сварки и диагностики» МГТУ им. Н.Э. Баумана за помощь, поддержку и внимание в период выполнения представляемой работы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Королев, Сергей Анатольевич, 2007 год

1. Вернадский В.Н., Маковецкая O.K. Сталь и алюминий основные конструкционные материалы сварочного производства Сварочное производство. 2004. №1.- 3-18.

2. Материаловедение: Учебник для вузов Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, ГГ. Мухина. 3-е изд., стереотип. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. 648 с.

3. Каблов Е.Н. Авиационное материаловедение в XXI веке. Перспективы и задачи Авиационные материалы. Избранные труды ВИАМ: Юбилейный сборник. М.: МИСИС, ВИАМ, 2002. 23-47.

4. Рязанцев В.И., Федосеев В.А., Манцев В.Н. Создание сварного кузова автомобиля из алюминиевых сплавов Сварочное производство.-1999.-№11-С. 36-42.

5. Николаев ГА., Фридляндер И.Н., Арбузов Ю.П. Свариваемые алюминиевые сплавы. М.: Металлургия, 1990.- 296 с.

6. Лобанов Л.М. Сварные конструкции в XXI веке Сварщик профессионал. 2005. №2. 3-4.

7. Алешин Н.П. Роль, значение, настоящее и будущее сварных металлоконструкций Сварщик профессионал. 2005. 2. 2.

8. Фридляндер И.Н., Братухин А.Г., Давыдов В.Г. Алюминиеволитиевый сплав для сварных авиационных конструкций Автоматическая сварка. -1992. №6. 33-35.

9. Раевский Г.В. Борьба с разрушением сварных конструкций в американском судостроении //Автогенное дело.-1945.- №10.- 29.

10. Сварка и свариваемые материалы: Справочник; В 3 т. Под общ. ред. В.Н. Волченко. М.: Металлургия, 1991. Т1: Свариваемость материалов Под ред. Э.Л. Макарова. 528 с.

11. Сварка. Резка. Контроль: Справочник; В 2 т. Под общ. ред. Н.П. Алешина, ГГ. Чернышова. М.: Машиностроение, 2004. Т2: Н.П. Алешин, ГГ. Чернышов, А.И. Акулов и др. 480 с.

12. Братухин А. Г Современные авиационные материалы: технологические и функциональные особенности: Учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров и магистров «Материаловедение и технология новых материалов» и направлению подготовки дипломированных специалистов «Материаловедение, технологии материалов и покрытий». М.: Авиатехинформ, 2003. 440 с.

13. Лукин В.И., Якушин Б.Ф., Настич СЮ. Исследование свариваемости сверхлегких Al-Mg-Li сплавов Сварочное производство.1996.-№12.-С. 15-20.

14. Технологические основы сварки и пайки в авиастроении: Учебник для вузов В.А. Фролов, В.В. Пешков, А.Б. Коломенский, В.А. Казаков; Под общ. ред. В.А. Фролова. М.: Интернет Инжиниринг, 2002. 456 с.

15. Справочник по конструкционным материалам: Справочник Б.Н. Арзамасов, Т.В. Соловьева, А. Герасимов и др.; Под ред. Б.Н. Арзамасова, Т.В. Соловьевой. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005.-640 с.

16. Фридляндер И.Н. Высокопрочные, жаропрочные и коррозионностойкие алюминиевые и магниевые сплавы, композиционные материалы на их основе Авиационные материалы. Избранные труды ВИАМ: Юбилейный сборник.- М.: МИСИС, ВИАМ, 2002.- 198-220.

17. Сварка. Резка. Контроль: Справочник; В 2 т. Под общ. ред. Н.П. Алешина, ГГ. Чернышова. М.: Машиностроение, 2004. Т1: Н.П. Алешин, ГГ. Чернышов, Э.А. Гладков и др. 624 с.

18. Новиков И.И. Горячеломкость цветных металлов и сплавов. М.: Наука, 1966.-300 с.

19. Закс Г. Праю-ическое металловедение; В 3-х частях Пер. под ред. С. Строева. М.-Л.: ОНТИ, 1936. 41: Плавка и литье. 311 с.

20. Vero J. The hot-shortness of aluminium alloys Metal Industry 1936.- 15.- P. 431; 17.- P. 491.

21. Бочвар A.A., Свидерская 3.A. О разрушении отливок под действием напряжений в период кристаллизации в зависимости от состава сплава Изв. АН СССР. ОТН. -1947.- №3. 349

22. Прохоров Н.Н. Горячие трещины при сварке.- М.: Машгиз, 1952.-219 с.

23. Прохоров Н.Н. Технологическая прочность металлов в процессе кристаллизации при сварке Сварочное производство.- 1962.№4.-С. 1-5.

24. Теория сварочных процессов: Учебник для вузов по специальности «Оборудование и технология сварочного производства» В.Н. Волченко, В.М. Ямпольский, В.А. Винокуров и др.; Под ред. В.В. Фролова М.: Высшая школа, 1988. 559 с.

25. Новиков И.И., Золоторевский B.C., Лисовская Т.Д. Исследования сплавов цветных металлов: Сборник. М.: Изд-во АН СССР, 1964. -вып. 4.-130с.

26. Якушин Б.Ф., Настич Ю. Совершенствование экспресс метода оценки свариваемости алюминиевых сплавов Сварочное производство. -1995.- №4.- 30-31.

27. Настич Ю. Разработка метода повышения свариваемости А1 Мд Li сплавов путем регулирования технологической прочности металла околошовной зоны: Дисс. канд. техн. наук: 05.03.06. М.: МГТУ, 1997.-210С.

28. Якушин Б.Ф., Семин Д.П., Сударев А.В. Новое оборудование для сертификации сварочных материалов по показателям свариваемости Сварщик профессионал. 2006.- №2.- 20-22.

29. Прохоров Н.Н., Бочай М.П. Механические свойства алюминиевых сплавов в интервале температур кристаллизации при сварке Сварочное производство. -1958.- №2.- 1-6.

30. Бочай М.П. Механические свойства алюминиевых сплавов в процессе кристаллизации и их связь с образованием горячих трещин при сварке: Дисс.... канд. техн. наук: 05.03.06.- М.: МВТУ, 1958. -131 с.

31. Якушин Б.Ф. Определение температурного интервала хрупкости и пластичности затвердевающего металла шва Автоматизация, механизация и технология процессов сварки. М.: Машиностроение, 1966.-С. 213-219.

32. Якушин Б.Ф. Первичная структура и технологическая прочность сварных швов в процессе кристаллизации: Дисс. канд. техн. наук: 05.03.06. М.: МВТУ, 1965. -193 с.

33. Расчетный метод оценки стойкости сварных соединений сплавов против образования горячих трещин Э.Л. Макаров, А.В. Коновалов, В.Ф. Якушин, А.А. Пшенников Сварочное производство. -1997.

34. Гаврилюк B.C. Определение пластичности сварных швов в процессе кристаллизации Сварочное производство. 1961.- №7.С.17-19.

35. Прохоров Н.Н. Физические процессы в металлах при сварке; В 2 т. М.: Металлургия, 1968. Т.1. 695 с.

36. Якушин Б.Ф., Чернавский Д.М. Влияние режима сварки на технологическую прочность алюминиевых сплавов Сварочное производство.-1972.- №11.-С. 1-3.

37. Чернавский Д.М. Исследование влияния режима сварки на образование горячих трещин в алюминиевых сплавах: Дисс. канд. техн. наук: 05.03.06. М.: МВТУ, 1974. -190 с.

38. Прохоров Н.Н., Господаревский В.И., Субботин Ю.В. Исследование поперечных деформаций металла шва в процессе сварки пластин Сварочное производство. -1964. 9. 1-3.

39. Прохоров Н.Ник. Технологическая прочность сварных швов в процессе кристаллизации. М.: Металлургия, 1979. 248 с.

40. Чигарев А.В., Кравчук А.С., Смалюк А.Ф. ANSYS для инженеров: Справочное пособие. М.: Машиностроение, 2004. 512 с.

41. Bergheau J.M., Leblond J.B. Coupling between heat flow, nietallurgy and stress-strain computations in steels The approach developed in the confiputer code SYSWELD for Welding or Quenching Proc. of 5th Eng. Found. Conference on Modeling of Casting, Welding and Advanced Solidification Processes.- Davos (Switzerland), 1990.- P. 203-210.

42. Компьютерное проектирование и подготовка производства сварных конструкций: Учебное пособие для вузов А. Куркин, В.М. Ховов, Ю.Н. Аксенов и др.; Под ред. А. Куркина, В.М. Ховова. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002.- 464 с.

43. Самарский А.А. Введение

44. Самарский А.А. Теория разностных схем. М.: Наука, 1983.613 с.

45. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики. Новосибирск: Наука, 1973.- 352 с.

46. Флетчер К. Численные методы на основе метода Галеркина. М.:Мир, 1988.-352 с.

47. Зенкевич O.K. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975.-541с.

48. Секулович М. Метод конечных элементов. М.: Стройиздат, 1993.-664 с.

49. Сьярле Ф. Метод конечных элементов для эллиптических задач. М.: Мир, 1990. 512 с.

50. Куркин А.С., Киселев А.С. Разработка программного обеспечения для моделирования термонапряженного состояния деталей и его применение для повышения качества сварных конструкций Труды

51. Куркин А.С. Прямое математическое моделирование процесса разрушения сварных конструкций для определения их прочности и трещиностойкости: Дисс. докт. техи.наук: 05.03.06.- М., 1998.- 250 с. 52. ГОСТ 26389

52. Соединения сварные. Методы испытаний на сопротивляемость образованию горячих трещин при сварке плавлением. М.: Издательство стандартов, 1985.- 23 с.

53. Wilken К., Kleistner Н. The classification and evaluation of hot cracking tests for weldments Welding in the world. -1990. Vol.28 №7/8. -P. 126-143.

54. Предотвращение образования горячих трещин на концевых участках швов большой протяженности при односторонней многодуговой сварке под флюсом Э.Л. Макаров, X. Херольд, М. Штрайтенбергер, А. Пшенников Сварочное производство. -1999. №10. 3-8.

55. Киселев А.С. Разработка методов анализа и проектирования сварочной технологии на основе компьютерного моделирования термодеформационного и структурного состояния сварных конструкций: Дисс. докт. техн. наук: 05.03.06.- М., 1999. 317 с.

56. Simulating and Predicting Weld Solidification Cracks Y. Wei, Z. Dong, R. Liu, Z. Dong, Y. Pan Hot cracking phenomena in welds. Berlin: Springer, 2005.-P. 185-222.

57. Рыкалин H.H. Расчеты тепловых процессов при сварке. М.: Машгиз, 1951.-296 с.

58. Вайнгард У. Введение

59. Якушин Б.Ф. Влияние режима сварки на технологическую прочность алюминиевых сплавов алюминиевых сплавов в процессе кристаллизации Автоматизация, механизация и технология процессов сварки. М.: Машиностроение, 1966. 220-230.

60. Артемьева И.Н. К расчету температурного поля при аргонодуговой сварке пластин из дуралюмина Д16 Сварочное производство.-1958.-№11.-С. 16-19.

61. Никифоров ГД. Металлургия сварки плавлением алюминиевых сплавов. М.: Машиностроение, 1972. 264 с.

62. Рабкин Д.М., Игнатьев В.Г, Довбищенко И.В. Влияние эффективного интервала кристаллизации на склонность алюминиевых сплавов к образованию трещин при сварке Автоматическая сварка. 1974. №4.-С. 13-14.

63. Рабкин Д.М. Металлургия сварки плавлением алюминия и его сплавов. Киев: Наукова думка, 1986. 256 с.

64. Макаров Э.Л., Коновалов А.В., Королев А. Инженерный программный комплекс «Свариваемость алюминиевых сплавов (горячие трещины)» Компьютерные технологии в соединении материалов.: Тез. докл. 4-ой Всероссийской научно-технической конференции (с международным участием). Тула, 2003. 33-34.

65. Королев А. Оценка склонности сварных швов алюминиевых сплавов к образованию горячих трещин Образование через науку.: Тез. докл. Международной конференции. Москва, 2005. 241.

66. Королев А. Оценка стойкости сварных швов конструкций из алюминиевых сплавов против образования горячих трещин Известия вузов. Машиностроение. 2007.- №3.- 51-56. 67. ГОСТ 14806

67. Дуговая сварка алюминия и алюминиевых сплавов в инертных газах. Соединения сварные. Основные типы конструктивные элементы и размеры. М.: Издательство стандартов, 1980.-37 с. 68. ГОСТ 4784

68. Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки. М.: Издательство стандартов, 2000. 32 с.

69. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник; В 3 т. Под общ. ред. Н.П. Лякишева. М.: Машиностроение, 1996.-Т.1.-992С.

70. Маякова Л.П. Разработка пробы для количественной оценки технологической прочности металла в процессе кристаллизации при сварке: Дисс. канд. техн. наук: 05.03.06. М.: МВТУ, 1974. -190 с.

71. Физические величины: Справочник А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, A.M. Братковский и др.; Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. -1232 с.

72. Махненко В.И. Расчетные методы исспедования кинетики сварочных напряжений и деформаций. Киев: Наукова думка, 1976. 320 с.

73. Металлические примеси в алюминиевых сплавах А.В. Курдюмов, СВ. Инкин, B.C. Чулков, ГГ. Шадрин М.: Металлургия, 1988. 141с.

74. Флюсовая обработка и фильтрование алюминиевых расплавов А.В. Курдюмов, СВ. Инкин, B.C. Чулков, И.И. Графас М.: Металлургия, 1980. -196 с.