WWW.MASH.DOBROTA.BIZ
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - онлайн публикации
 

«Ольшанская Татьяна Васильевна ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКЕ С РАЗВЕРТКОЙ ЛУЧА ...»

На правах рукописи

Ольшанская Татьяна Васильевна

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ФОРМИРОВАНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЛЕГИРОВАННЫХ

СТАЛЕЙ ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКЕ

С РАЗВЕРТКОЙ ЛУЧА

05.02.10 – Сварка, родственные процессы и технологии

05.16.09 – Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Пермь 2018 г .

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Научный консультант доктор технических наук, профессор БЕЛЕНЬКИЙ Владимир Яковлевич

Официальные оппоненты ГЕЙКИН Валерий Александрович доктор технических наук, профессор, заместитель генерального директора «Объединенной двигателестроительной корпорации», руководитель приоритетного технологического направления «Технологии двигателестроения»

БРАВЕРМАН Владимир Яковлевич доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Сварки и летательных аппаратов» Сибирского государственного университета науки и технологий им. академика М.Ф .



Решетнева, г. Красноярск БЕЛАШОВА Ирина Станиславовна доктор технических наук, профессор кафедры «Технология конструкционных материалов»

ФГБОУ ВО Московского автомобильнодорожного государственного университета

Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана»

Защита диссертации состоится «13» декабря 2018 года в 14.00 на заседании объединенного Диссертационного совета Д 999.100.02 на базе ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет «МЭИ» и ФГБОУ ВО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» по адресу. г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, в зале заседания Ученого совета

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеках и на сайтах ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет «МЭИ» (mpei.ru/diss/) и ФГБОУ ВО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

(http://pstu.ru) .

Автореферат разослан «__» _________ 2018 г .

Ученый секретарь Диссертационного совета кандидат технических наук, доцент Е.М. Федосеева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования и степень ее разработанности В высокотехнологичных отраслях промышленности: аэрокосмическая, энергетическая, машиностроение и др., при изготовлении ответственных изделий, узлов и элементов оборудования широко используется электронно-лучевая сварка (ЭЛС). Благодаря своим технологическим возможностям данный способ сварки эффективно применяется, как финишная операция для конструкций в термоупрочненном состоянии из высокопрочных среднелегированных сталей и теплоустойчивых сталей. В большинстве случаев проведение последующей термической обработки затруднено или невозможно. Поэтому возникает необходимость подбора параметров режима сварки для получения свойств сварных соединений близких к свойствам основного материала. При сварке высокопрочных среднелегированных и теплоустойчивых сталей без последующей термической обработки наиболее оптимальное сочетание механических свойств будут иметь сварные соединения со смешанной структурой мартенсита и бейнита .



Регулирование термических циклов при ЭЛС возможно посредством управления тепловой мощностью луча и его фокусировкой. Применение систем управления электронного луча (ЭЛ)и программирования режимов сварки позволяют осуществлять отклонение луча по любой траектории, а также реализовывать многофокусную и многолучевую сварку, когда сварка производится одновременно в нескольких обрабатываемых зонах, либо с образованием нескольких сварочных ванн, либо при совмещении сварки с локальным подогревом или последующей термообработкой и др .

Соответственно при разработке технологии сварки конструкций из термически упрочненных сталей возникает проблема не только выбора энергетических параметров режима сварки, но и вида и параметров развертки ЭЛ для воспроизведения термического цикла, обеспечивающего получение заданной структуры и свойств сварного соединения. Большое разнообразие технологических возможностей ЭЛС, с учетом геометрии изделия, свариваемой толщины, возможностей установки, осложняет выбор необходимых параметров режима сварки и приводит к значительному увеличению объема экспериментальных исследований. Это влечет за собой увеличение материально-временных затрат .

Эффективным инструментом для снижения объема экспериментальных исследований в последнее время признано предварительное прогнозирование основных характеристик сварочного процесса и особенно, прогнозирования структуры и свойств, на основе математического моделирования .

При разработке методов прогнозирования структуры сварного соединения необходимо знать, как проходят тепловые процессы в зоне сварки. Значительный вклад в развитие аналитических методов решения тепловой задачи ЭЛС статическим лучом внесли такие ученые, как Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Зуев И.В., Кокора А.Н., Язовских В.М. и др.За последние годы в области численного моделирования ЭЛС получен ряд новых результатов. Широко известны работы коллективов отечественных ученых под руководством профессора Судника В.А .

Научные труды Туричина Г.А., Лопоты А.В. и др. легли в основу разработки программ EBSIM и LaserCAD при сотрудничестве с Германией. Однако в известных на сегодняшний день работах моделирование осуществляется применительно к процессу сварки без развертки луча. Законченные модели для случаев динамического отклонения электронного луча при сварке в отечественной и зарубежной литературе встречаются крайне редко .

В основу методов прогнозирования фазовых и структурных превращений, протекающих при непрерывном нагреве и охлаждении металла, положены результаты экспериментальных работ Макара А.М., Прохорова Н.Н., Шоршорова М.Х., Макарова Э.Л., Касаткина О.Г., Гривняка И., Коттрелла П., Сузуки Х., Зайффарта П. и др., посвященных кинетике распада аустенита применительно к сварочным процессам. Однако работы, связанные с прогнозированием фазовых и структурных превращений при сварке, в основном рассматривают процессы, протекающие в зоне термического влияния при сварке низколегированных сталей применительно к дуговым способам сварки .





Методы прогнозирования формирующейся первичной структуры металла шва в численно-аналитическом виде были разработаны еще в 60-е годы Прохоровым Н.Н., Петровым Г.А, Шаманиной М.В, Гладштейном Л.И. До сих пор они считаются традиционными и не претерпели каких-либо существенных изменений. Данные методы рассматривают схему формирования первичной макроструктуры для швов, полученных дуговыми способами сварки, когда шов имеет небольшое соотношение глубины к ширине, и соответственно, не могут быть использованы для прогнозирования структуры при ЭЛС .

Таким образом, при разработке технологии ЭЛС конструкций из термически упрочненных сталей актуальной становится задача предварительного прогнозирования структуры сварного соединения на основе моделирования процессов, влияющих на её формирование .

Цель работы: Повышение качества сварных соединений, не подвергаемых последующей термической обработке, из среднелегированных сталей за счет обеспечения требуемой структуры при электронно-лучевой сварке с разверткой луча .

В соответствии с поставленной целью были определены основные задачи работы:

1. Разработка моделей для решения тепловых задач электронно-лучевой сварки без развертки и с разверткой электронного луча .

2. Разработка математической модели процесса кристаллизации сварных швов с глубоким проплавлением и определение основных критериев, характеризующих макроструктуру металла шва .

3. Разработка методов прогнозирования структуры сварных соединений на основе моделей кинетики распада аустенита при непрерывном охлаждении, применительно к электронно-лучевой сварке среднелегированных сталей .

4. Исследование влияния параметров режима электронно-лучевой сварки с разверткой луча на форму проплавления и структуру сварных соединений среднелегированных сталей .

5. Разработка технологических рекомендаций для электронно-лучевой сварки с разверткой луча, обеспечивающих требуемую структуру сварных соединений из среднелегированных сталей и снижение степени структурной и механической неоднородности .

Методы исследований и достоверность полученных результатов .

В работе использовались теоретические, расчетные и экспериментальные методы исследований. В процессе разработки моделей использовали основные положения теории теплопроводности, тепломассопереноса, аналитические и численные методы математического моделирования, методы математической статистики, в том числе методы планирования эксперимента. При проведении расчетов использовали прикладные программные пакеты Mathcad и Comsol Multiphysics. Экспериментальные исследования проводили на современном технологическом оборудовании .

Макро- и микроструктуру сварных соединений исследовали методом оптической микроскопии с применением программного комплекса анализа изображения ВидеоТест Металл, а также методом электронной микроскопии на сканирующем электронном микроскопе TESCAN Mira 3 LM. Определение химического состава проводили методом рентгенофлюоресцентного анализа на приборе LA-HY 80. Твердость определяли на приборе ПМТ-3 и твердомере Виккерса Instron Tukon 2500. Оценку механических свойств производили безобразцовым методом индентирования на приборахМЭИ-Т7 и МЭИ-ТА и методом растяжения .

Обоснованность и достоверность научных результатов подтверждается корректностью принимаемых допущений, обоснованностью методов исследований и сопоставлением результатов моделирования с экспериментальными данными, полученными на современных технологических установках .

Научная новизна и теоретическая значимость работы:

1. Разработаны новые тепловые модели для ЭЛС с колебаниями луча по продольной, поперечной и х-образной траекториям. Для получения более точной формы проплавления в тепловых моделях вводится комбинированный тепловой источник фиктивной формы, состоящий из поверхностного, с увеличенным радиусом, и распределенного по глубине, действующего на расстоянии под поверхностью металла. Получены регрессионные зависимости определения размеров фиктивного источника в зависимости от параметров режима сварки .

2. Получено решение тепловой задачи ЭЛС с разверткой луча, имитирующей многолучевую сварку при одновременном действии нескольких тепловых источников. Представлен способ определения мощности данных источников с учетом импульсного воздействия электронного луча в свариваемой зоне .

3. Получены универсальные уравнения, характеризующие процесс кристаллизации и первичную структуру металла шва, для любой формы сварочной ванны. Установлено влияние размеров и формы фронта кристаллизации при глубоком проплавлении на изменение характера процесса кристаллизации и форму первичных зерен .

4. Предложен метод построения структурных диаграмм для среднелегированных сталей, описывающих кинетику превращения аустенита при непрерывном охлаждении в зависимости от термического цикла ЭЛС .

5. Представлена методика определения процентного содержания структурных составляющих, образующихся при ЭЛС в различных участках сварного соединения, на основе построения структурных диаграмм в зависимости от скорости охлаждения .

6. Установлено, что многолучевая сварка с комбинированной разверткой луча позволяет существенно влиять на температурно-временные режимы ЭЛС, за счет этого обеспечивать получение заданной структуры, снижение уровня упрочнения сварного соединения, а также степени структурной и механической неоднородности .

Практическая значимость работы .

Разработаны технологические рекомендации по совершенствованию процесса ЭЛС с колебаниями луча, и внедрена технология многолучевой сварки для изделий ответственного назначения из среднелегированных сталей на ряде машиностроительных предприятий и предприятий аэрокосмической отрасли Пермского края: АО Пермский завод «Машиностроитель», АО «ОДК – Пермские Моторы», ПАО «Протон – ПМ», ООО Фирма «Радиус-Сервис», ООО Производственная компания «Теплов и Сухов». Это позволило повысить качество сварных соединений, снизить процент брака и уменьшить затраты на производство и ремонт .

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 43 печатных работы. Из них 22, входящих в базы цитирования Web Of Science, Scopus и в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук и на соискание ученой степени кандидата наук. Получен патент на изобретение. Опубликована глава в монографии, издано учебное пособие .

Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 20 конференциях и симпозиумах, из них 17международных:Международная научно-техническая конференция «Сварка и контроль – 2013», посвященная 125-летию изобретения Н.Г. Славяновым электродуговой сварки плавящимся электродом, г. Пермь, 2013;3-я международная конференция «Технология и оборудование ЭЛС - 2014», г. Санкт-Петербург, 2014;Международныйсимпозиум «The International Symposium on Visualization in Joining & Welding Science through Advanced Measurements and Simulation», г .

Осака, Япония, 2014; 11-яи 12-я, 13-ямеждународныеконференции «Electron Beam Technologies», г. Варна, Болгария, 2014, 2016, 2018;8-я Международная научно-техническая конференция «Лучевые технологии и применение лазеров», г. Санкт-Петербург, 2015; 1-я, 2-я Международные конференции «Электроннолучевая сварка и смежные технологии», г. Москва, Национальный исследовательский университет «МЭИ», 2015, 2017;4-ямеждународнаяконференция «International Conference on Mechanical Engineering, Materials Science and Civil Engineering», г. Санья, Китай, 2016 .

На защиту выносятся следующие основные результаты, полученные соискателем:

- тепловые модели ЭЛС без колебаний электронного луча и с колебаниями по продольной, поперечной и х-образной траекториям;

- тепловая модель ЭЛС при дискретном перемещении луча по нескольким зонам свариваемого материала и метод определения мощности лучей при многолучевой сварке на основе анализа высокочастотных колебательных процессов;

- универсальные уравнения для характеристики макроструктуры металла шва, формирующейся в процессе ЭЛС;

- метод прогнозирования образующейся микроструктуры и построения структурных диаграмм, описывающих кинетику превращения аустенита при непрерывном охлаждении в зависимости от термического цикла сварки;

- метод прогнозирования количественного состава микроструктуры при ЭЛС на основе построения структурных диаграмм распада аустенита в зависимости от скорости охлаждения;

- экспериментально-расчетное обоснование образования структурной и механической неоднородности сварных соединений из среднелегированных сталей при ЭЛС без развертки луча и методы уменьшения степени неоднородности посредством применения развертки луча при сварке;

- технологические рекомендации для ЭЛС с разверткой луча, обеспечивающие получение сварных соединений с наилучшим сочетанием структуры и свойств .

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 367 страниц машинописного текста, включая 128 рисунков, 23 таблицы, 169 формулы и 248 наименований литературных источников. В приложении приведены акты использования результатов диссертационного исследования на российских машиностроительных предприятиях и предприятиях аэрокосмической отрасли .

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность работы, сформулированы научная новизна и основные положения, выносимые на защиту .

В первой главе проводится анализ существующих методов управления процессами формирования структуры сварных соединений и возможности их применения при ЭЛС. Проведенный анализ показал, что регулирование первичной структуры металла шва возможно за счет введения в сварочную ванну тепловых периодических возмущений, а управление процессами структурообразования в зоне термического влияния осуществляется только при регулировании термического цикла сварки. Соответственно, воздействовать одновременно на процессы формирования структуры в металле шва и в зоне термического влияния при ЭЛС возможно за счет изменения характера температурного поля, создаваемого при сварке. Управлять характером распределения теплового потока при ЭЛС возможно за счет изменения удельной тепловой мощности луча, скорости и траектории его перемещения по поверхности изделия. Подобное управление позволит влиять на форму и размеры сварочной ванны, процессы кристаллизации металла шва, скорости его охлаждения в твердом состоянии, на термический цикл нагрева и охлаждения основного металла и структуру металла в зоне термического влияния, что обеспечит возможность получения заданной макро- и микроструктуры металла шва. Для решения подобной задачи наиболее приемлемыми являются сварка с колебаниями луча по траекториям различного вида с непрерывным перемещением в зоне сварки, а также с дискретным перемещением луча по нескольким участкам, когда формируется несколько тепловых источников (многолучевая и многофокусная сварка) .

Математическое моделирование сварочных процессов является эффективным инструментом исследования процессов сварки, особенно при прогнозировании структуры и свойств сварных соединений. Поэтому работа посвящена разработке комплекса физико-математических моделей для прогнозирования основных характеристик сварных соединений, состоящего из 3 модулей (рис. 1) .

Первоначально решаются тепловые задачи, позволяющие получить в аналитическом виде распределение температур, термические циклы сварки и изотермическую поверхность фронта кристаллизации. Полученные результаты в дальнейшем используются в моделях, прогнозирующих макроструктуру металла шва, образующуюся в процессе кристаллизации (модуль 2), и микроструктуру сварного соединения, формирующуюся при охлаждении (модуль 3) .

Рис.1. Блок-схема разрабатываемого комплекса математических моделей

–  –  –

Предложенная тепловая модель ЭЛС с комбинированным источником тепла фиктивной формы позволяет с хорошей точностью описывать геометрию проплавления и, соответственно, форму сварного шва (рис. 4) .

Для построения тепловых моделей при ЭЛС с колебаниями луча по продольной, поперечной и х-образной траектории так же использовался комбинированный источник тепла, состоящий из поверхностного источника с увеличенным радиусом нагрева и источника, действующего по глубине на некотором расстоянии под поверхностью. Т.к. колебания луча выполняются с высокой частотой в пределах частот автоколебательного процесса (200-800 Гц), то изменением тепловых возмущений по времени в зоне действия луча можно пренебречь, и рассматривать колебательный процесс, как квазистационарный .

–  –  –

На основе статистической обработки экспериментальных данных для среднелегированных сталей были получены регрессионные уравнения, позволяющие определить глубину проплавления и размеры фиктивных источников тепла в зависимости от амплитуды и траектории колебаний луча (рис. 6) .

–  –  –

Рис. 10. Влияние формы поперечного сечения шва на основные показатели процесса кристаллизации. Параметры фронта кристаллизации: L = 5 мм; P = 2,5 мм; H = 15 мм, коэффициенты уравнения: = 1.7, = 1.9, = 1, = 1; а = 1.2, = 1.9; б = 3.9, = 3.9.

Цифры обозначают номера кристаллитов, начинающих свой рост на различной глубине:

1 – 0.1H, 2 – 0.3H, 3 – 0.5H, 4 – 0.7H, 5 – 0.9H; I столбчатая структура, II равноосная структура, III плоская схема кристаллизации, IV переход от плоской к пространственной схеме кристаллизации, V пространственная схема кристаллизации Четвертая глава посвящена разработке методов прогнозирования микроструктуры сварного соединения применительно к температурно-временным режимам ЭЛС. Для прогнозирования микроструктуры металла шва и зоны термического влияния необходимо знать термический цикл для заданного участка сварного соединения и критерии, с помощью которых оценивается процентное соотношение структурных составляющих. Обычно критериями для прогнозирования микроструктуры металла шва и зоны термического влияния являются время охлаждения в интервале температур 800-200оС (t8/2) и скорость охлаждения в интервале 600 - 500оС (w5/6), определяемые по термическому циклу сварки для анализируемого участка. Однако скорости нагрева и охлаждения в процессе сварки изменяются во времени нелинейно, поэтому следует использовать мгновенные скорости процесса. Уравнения для определения мгновенных скоростей нагрева и охлаждения выводятся из уравнений решения тепловых задач (глава 2):

(,,,) (,,,) (,,, )= при = (,,, )=. (22) В работе произведен расчет термических циклов и мгновенных скоростей охлаждения и их анализ с целью выбора основных критериев для прогнозирования микроструктуры, образующейся при ЭЛС. Расчет и анализ проводились на примере сварного соединения стали 20Х3МВФ (ЭИ415), полученного по серийной заводской технологии (рис. 11 и 12) .

–  –  –

Сравнительный анализ данных термических циклов (t8/2, w6/5, max Wохл), полученных расчетным путем для различных участков сварного соединения, показал следующее.Для участков сварного соединения, имеющих одну температуру и находящихся на разной глубине, время охлаждения в интервале температур 800-200оС (t8/2) отличается на десятые доли секунды, скорость охлаждения при температуре 550оС (w5/6) изменяется в пределах до 3оС/с (табл. 1). Подобная тенденция наблюдается при сравнении данных для металла шва, зоны перегрева и полной перекристаллизации, находящихся на одной глубине сварного соединения. В соответствии с полученными данными t8/2 и w6/5, процесс охлаждения сварного соединения ниже температуры фазового превращения Ае3 происходит в одинаковых условиях, а значит структура в металле шва и в зоне термического влияния по всей глубине сварного соединения должна быть одинаковая. Однако, как показал металлографический анализ, в металле шва по глубине сформиров асформировалась разная микроструктура (рис. 13). В нижней части сварного шва образуется практически мартенситная структура с небольшими выделениями бейнита, в верхней части шва количество бейнита больше, и он выделяется в основном по границам первичных дендритных зерен .

–  –  –

Существенные отличия в термических циклах и скоростях охлаждения наблюдаются в высокотемпературной области при T 800оС (рис. 13). Сравнительный анализ максимальных значений мгновенной скорости охлаждения (max Wохл) показал, что для различных участков сварного соединения максимальные значения Wохл отличаются друг от друга. При этом по глубине проплавления наблюдается увеличение max Wохл: в металле шва увеличивается больше, чем в 2 раза, в зоне перегрева более, чем в 1,7 раз, а в зоне полной перекристаллизации в 1,5 раза (таб. 1). По ширине сварного соединения max Wохл уменьшаются .

–  –  –

При прогнозировании микроструктуры металла шва и зоны термического влияния, образующейся в результате ЭЛС, критерии должны отражать всю предысторию охлаждения, начиная с максимально достигаемой температуры при нагреве. Такими критериями могут стать для металла шва температура кристаллизации и мгновенная скорость охлаждения при этой температуре, для зоны термического влияния максимальная температура нагрева и наибольшая мгновенная скорость охлаждения для данного термического цикла .



Для выбора методов прогнозирования формирующейся микроструктуры в сварном соединении при ЭЛС был проведен анализ моделей и методов моделирования кинетики распада аустенита при охлаждении, существующих в практике термической обработки.

На основе анализа были выбраны два вида моделей для последующей их адаптации применительно к термическим циклам ЭЛС:

- полуэмпирические модели построения диаграмм изотермического и термокинетического распада аустенита, разработанные Kirkaldy J.S. и Venugopalan D., а затем уточненные Li M. и другими исследователями .

- регрессионные модели трансформации переохлажденного аустенита при непрерывном охлаждении, полученные Dobrzaski L.A. и Trzaska J с помощью искусственных нейронных сетей .

На основе данных моделей в работе предлагаются два метода прогнозирования микроструктуры сварных соединений при ЭЛС .

В первом методе используется полуэмпирическая модель построения диаграмм изотермического распада аустенита.

В основе данной модели лежит общая формула для описания кривых превращения аустенита на диаграмме, которая вычисляет время, необходимое для образования феррита, перлита и бейнита при температуре Т:

() (, )= (23), () ( )/ (1 ) / где F(G) = 2 (G 1)/2, эмпирический коэффициент; G размер аустенитного зерна (по ASTM); D эффективный коэффициент диффузии; T переохлаждение; q показатель, который зависит от эффективного механизма диффузии; F(C,Mn,Si,Cr,Mo) функция состава стали, выраженного в % по весу; интеграл описывает скорость реакции превращения объемной доли, учитывает сигмоидальный эффект фазового превращения .

После тестирования ряда физических моделей построения изотермических и термокиненических диаграмм распада аустенита, а также зависимостей, необходимых для их построения, в работе предложены уравнения с уточненными эмпирическими коэффициентами. Предложенные уравнения, включающие определение равновесных температур превращения аустенита А1 и А3, определение температур начала бейнитного и мартенситного превращения, расчет времени образования феррита, перлита и бейнита, более точно описывают изотермические диаграммы распада аустенита для низко- и среднелегированных сталей .

Для качественной оценки формирующейся структуры при ЭЛС по данным уравнениям строится диаграмма распада аустенита, и на неё наносятся рассчитанные кривые охлаждения для соответствующего термического цикла .

Для прогнозирования количественного состава микроструктуры сварных соединений и построения структурных диаграмм распада аустенита при заданном термическом цикле были произведены преобразования полуэмпирической модели (23) с учетом правила аддитивности. После проведенных преобразований были получены уравнения, определяющие объемную долю образующегося феррита, перлита и бейнита для заданного термического цикла.

В общем виде данные уравнения представлены следующим образом:

() ( ), (24) = () ( )/ (1 ) /

–  –  –

мальной температуре нагрева данного участка, а для сварного шва TA = 1350оС .

Диапазон скоростей охлаждения выбирается в соответствии с максимально возможными расчетными мгновенными скоростями охлаждения. Диаграммы строятся в координатах «% структурных составляющих скорость охлаждения» .

Критерием для определения структурного состава является максимальная мгновенная скорость охлаждения, полученная при расчетах термических циклов для данного участка сварного соединения (рис. 16) .

Для проверки адекватности предложенных методов прогнозирования микроструктурного состава была проведена количественная оценка структурных составляющих в металле шва и зоне термического влияния. С целью дифференцирования структурных составляющих близких по морфологическому строению, такие как бейнит и мартенсит, поверхность микрошлифов подвергалась поочередной обработке 2 реактивами с многократРис.16. Структурная диаграмма для ной переполировкой (1 реактив на основе металла шва, сталь 20Х3МВФ (второй азотной кислоты, 2 на основе пикриновой метод), а max Wохл для глубины кислоты). Анализ проводился на оптическом h = 1,5 мм, б для глубины h = 6 мм микроскопе с использованием поляризованного света (рис. 17). Количественная оценка M проводилась с помощью программного ком- B плекса ВидеоТест Металл, который позволяет окрашивать фазы в соответствии с их диапазоном яркости и определять объемную долю выделенной фазы .

В таблице 2 представлены экспериментально определенный и расчетный структурный состав сварного соединения, полученный на основе физической модели (первый метод) и регрессионных зависимостей Рис. 17. Микроструктура металла шва (второй метод). Оба метода позволяют ко- сварного соединения (рис. 11), сталь 20Х3НМВФ, верхняя часть шва, личественно прогнозировать микрострукту- поляризованный свет, B бейнит, ру металла шва и зоны термического влия- M – мартенсит ния при ЭЛС низко- и среднелегированных сталей .

В пятой главе представлены результаты апробации разработанного комплекса математических моделей, прогнозирующих основные характеристики сварных соединений, и экспериментально-расчетных исследований процессов формирования структуры сварных соединений из среднелегированных сталей при ЭЛС без развертки луча. Проведенные исследования позволили выявить особенности процессов кристаллизации металла шва и образования микроструктуры в шве и зоне термического влияния .

–  –  –

Изменение размеров и формы сварочной ванны при ЭЛС с колебаниями лу-луча приводит к снижению степени неоднородности макро, микроструктуры по макро-, глубине сварных соединений. Как следствие, снижается степень неоднородности механических свойств по глубине сварных соединений, а также уменьшается соединений, разница по уровню механических свойств между основным металлом и сварным соединением (табл. 3). В какой степени происходят данные изменения, зависит от траектории колебаний электронного луча. Наиболее существенное влияние на снижение степени структурной и механической неоднородности оказывают колебания электронного луча по х-образной траектории .

Таблица 3. Механические характеристики металла шва сварных соединений, полученных при сварке с разверткой луча по различной траектории Механические характеристики Вид колебаний луча HB2,5/187,5/5, В, МПа 0,2, МПа р, % 0,2/В Без колебаний 419 1398 1263 0,903 4,19 Продольные 413 1375 1238 0,900 4,24 Поперечные 415 1384 1248 0,901 4,22 Круговые 405 1344 1205 0,896 4,3 х-образные 392 1295 1152 0,889 4,41 Основной металл 290 976 784 0,803 6,18 Колебания электронного луча при сварке применяются,в основном, для устранения характерных дефектов, таких как пикообразования, колебания глубины проплавления и др .

Установлено, что увеличение частоты колебаний луча при сварке приводит к снижению диапазона пикообразования в корневой части, но при этом снижается и глубина проплавления. Сварка с продольными и поперечными колебаниями электронного луча при частоте 400 Гц не приводит к полному устранению пикообразования в корневой части. В сварных швах, полученных при круговых и х-образных колебаниях луча при частоте от 450 Гц, корневые дефекты отсутствуют, а колебания глубины проплавления минимальные .

При выборе оптимальной амплитуды х-образной осцилляции электронного луча учитывались следующие условия. Сварка должна обеспечивать максимальное выравнивание скоростей роста кристаллитов по глубине и ширине шва, минимальное изменение размеров и типа первичной структуры, наименьшую неоднородность перекристаллизованной микроструктуры сварного соединения в целом .

Как показали исследования, увеличение амплитуды по разному влияет на процессы кристаллизации и формирования структуры сварного соединения, и наиболее оптимальной является амплитуда в пределах 1,8 – 2 мм. При сварке с данной амплитудой колебаний луча в большей степени наблюдается уменьшение доли столбчатых кристаллитов с плоской схемой кристаллизации и увеличение ширины центральной зоны с равноосными кристаллитами (рис. 25) .

С увеличением амплитуд х-образных колебаний луча разница между временем пребывания металла шва выше А3 в верхней и в нижней части шва уменьшается, сокращаются различия между мгновенными скоростями охлаждения (рис. 26). При этом наблюдается увеличение максимального значения мгновенной скорости охлаждения в верхней части шва и уменьшение в нижней части. Так при сварке без колебаний луча в металле шва максимальная мгновенная скорость охлаждения при температуре 1350оС изменяется по глубине в пределах от 1400 до 350 оС/с. При сварке с х-образными колебаниями при амплитуде 1,8 мм мгновенная скорость охлаждения изменяется от 900 до 400 оС/с. Такая же тенденция изменений времени пребывания выше критической точки и скоростей охлаждения при увеличении амплитуды колебаний сохраняется и для зоны переколебаний перегрева, и для зоны полной перекристаллизации. Подобн изменение скоростей Подобное изменени охлаждения приводит к снижению степени структурной неоднородности по ширине и глубине сварного соединения, а в коневой части шва возможно обраобра- зование бейнита (рис. 26) .

бейнита Статический луч а = 1 мм а = 1,8 мм

–  –  –

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Представлены новые тепловые модели для ЭЛС без развертки луча и с колебаниями луча по продольной, поперечной и х-образной траекториям. Для более точного описания формы проплавления при построении моделей вводится комбинированный тепловой источник фиктивной формы, состоящий из поверхностного источника и действующего по глубине. Источник, действующий на поверхности, увеличивается на радиус r относительно размеров второго источника по осям X, Y. Источник, распределенный по глубине, действует на некотором расстоянии под поверхностью металла. На основе статистической обработки экспериментальных образцов получены регрессионные уравнения определения размеров фиктивного источника тепла в зависимости от параметров сварки для среднелегированных сталей при глубине проплавления от 10 до 30 мм .

2. Впервые предложено решение тепловой задачи ЭЛС с разверткой луча, имитирующей многолучевую сварку, когда на поверхности изделия одновременно действуют несколько источников тепла. На основе анализа высокочастотных колебательных процессов предложен метод определения мощности каждого теплового источника как среднеквадратичное (действующее) значение мощности электронного луча с учетом его импульсного воздействия в свариваемой зоне. Распределение температуры при многолучевой сварке определяется как суперпозиция пространственно-временных температурных полей, создаваемых источниками тепла, с учетом их координат точки ввода .

3. Получены универсальные уравнения, позволяющие прогнозировать процесс кристаллизации и первичную макроструктуру металла шва при любой форме сварочной ванны. Установлено влияние размеров и формы фронта кристаллизации при глубоком проплавлении на изменение характера процесса кристаллизации и форму первичных зерен. Форма и размеры фронта кристаллизации в поперечном сечении определяют характер схемы кристаллизации: в горизонтальной плоскости форму первичных зерен, в продольной степень неоднородности процесса кристаллизации и формирующейся макроструктуры .

4. Учитывая характерные особенности изменения термических циклов по глубине и ширине сварного соединения, предложены два метода прогнозирования микроструктуры, образующейся при ЭЛС среднелегированных сталей:

- первый метод основан на построении структурных диаграмм, описывающих кинетику превращения аустенита при непрерывном охлаждении в зависимости от термического цикла ЭЛС;

- второй метод, позволяющий оценить структурную неоднородность, основан на построении структурных диаграмм для характерных участков сварного соединения в зависимости от скорости охлаждения .

5. Показано, что применение колебаний электронного луча при сварке позволяет изменять форму и размеры сварочной ванны, влиять на процессы кристаллизации и формирования первичной структуры. Наиболее благоприятное влияние оказывает форма сварочной ванны с увеличением ширины и длины в нижней части и их уменьшением в верхней части. Такая форма способствует уменьшению скоростей охлаждения и их диапазону изменения по глубине, что приводит к снижению степени неоднородности макро-, микроструктуры в сварных соединениях. Как следствие, при сварке среднелегированных сталей снижается степень неоднородности механических свойств по глубине сварных соединений, а также уменьшается уровень упрочнения сварного соединения относительно основного металла .

6 .

Показано, что трехлучевая сварка с комбинированной разверткой луча позволяет в значительной степени управлять размерами сварочной ванны и за счет этого управлять условиями формирования структуры. При более равномерном увеличении размеров кристаллизующейся части сварочной ванны по глубине создаются условия для получения более низких скоростей охлаждения и уменьшения неоднородности температурно-временных режимов сварки. Это способствует существенному уменьшению структурной и механической неоднородности сварного соединения. Данный метод сварки позволил получать термические циклы процесса со скоростями охлаждения, обеспечивающими заданную структуру в сварных соединениях из теплоустойчивых сталей .

7. По результатам проведенных исследований были разработаны технологические рекомендации по совершенствованию процесса ЭЛС с колебаниями луча для ряда крупногабаритных корпусных изделий из высокопрочных среднелегированных сталей, и внедрена технология многолучевой сварки для изделий типа валы, валшестерни из теплоустойчивых сталей .

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

Глава в монографии:

1. Саломатова Е.С., Трушников Д.Н., Ольшанская Т.В., Беленький В.Я. Моделирование процессов испарения при электронно-лучевой сварке с динамическим воздействием на электронный луч. Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2017. – 98 с .

Статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК и международные базы цитирования Web Of Science и Scopus:

2. Olshanskaya T.V., Salomatova E.C., Belenkiy V.Ya., Trushnikov D.N., Permyakov G. L. Electron beam welding of aluminum alloy AlMg6 with a dynamically positioned electron beam // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2017 Vol. 89. Iss. 9 P. 3439-3450 .

3. Shchitsyn Y. D., Belinin D. S., Neulybin S. D., Olshanskaya T. V., Shchitsyn V. Y., Simonov M. Y. Control of Surface Layer Structure with Copper Plasma Surfacing on Steel // Metallurgist = Металлург (Metallurg). 2017 Vol. 61. № 7-8 P. 607-612 .

4. Olshanskaya, T.V., Trushnikov D.N., Belen'kii V.Ya., Mladenov G.M. Effect of electron beam oscillations on the formation the structure and properties of the welded joint // Welding International. – 2013 – Vol. 27, № 11. – P. 881-885 .

5. Permyakov G.L., Olshanskaya T.V.,.Belenkiy V.Ya, Trushnikov D.N., Krotov L.N. Modeling of electron-beam welding to determine the weld joints parameters of dissimilar materials // Life Science Journal. – 2014. – Vol. 11, № 4. – Р. 300-307 .

6. Olshanskaya T.V., Permyakov G.L., Belenkiy V.Y., Trushnikov D.N. The influence of electron beam oscillation on the crystallization and structure of dissimilar steel-bronze welds // Modern Applied Science – 2015 – Vol. 9 (6) – P. 296-309 .

7. Olshanskaya T.V., Salomatova E.S., Trushnikov D.N. Simulation of thermal processes at electron-beam welding with beam splitting // Global Journal of Pure and Applied Mathematics. – 2016. – Vol. 12 (4). – Р. 3525-3534 .

8.Salomatova E.S., Trushnikov D.N., Olshanskaya T.V., Belenkiy V.Y. Investigation of dynamic positioning of the electron beam on the chemical composition of weld in electron beam welding // Global Journal of Pure and Applied Mathematics. – 2016. – Vol. 12 (4) – P. 3535-3543 .

9. Fedoseeva E.M., Olshanskaya T.V. Calculation of Dynamic Processes in the Welded Seams Received at Arc Ways of Welding // Global Journal of Pure and Applied Mathematics. 2017. Vol. 13 (1) P. 81-88 .

10. Fedoseeva E.M., Olshanskaya T.V. Structure Formation and Nonmetallic Inclusions in Welded Joints when Welding Steel X65 by STT+API Technology // Materials Science Forum. Mechanical Engineering, Materials Science and Civil Engineering IV. 2017. Vol. 893 P. 229-233 .

11. Trushnikov D.N., Salomatova E.S., Belenkiy V.Y., Olshanskaya T.V. Investigation of Evaporation in Laser Welding Vacuum Aluminum Alloy // Materials Science Forum. Mechanical Engineering, Materials Science and Civil Engineering IV .

2017. Vol. 893, P. 186-189 .

12. Язовских В.М., Ольшанская Т.В., Мусин Р.А., Беленький В.Я. Особенности кристаллизации металла шва при электронно-лучевой сварке с глубоким проплавлением // Сварочное производство. – 1999. – № 1. – С. 3-7 .

13. Федосеева Е. М., Ольшанская Т. В., Игнатов М. Н., Шестаков А. П. Моделирование нестационарных процессов в сварном соединении трубопровода // Нефтегазовое дело [Электронный ресурс]. – 2011. – № 5. – С. 376-381. - Режим доступа: http://www.ogbus.ru/2011_5.shtml. Загл. с экрана

14. Ольшанская Т.В., Трушников Д.Н., Беленький В.Я., Младенов Г.М .

Влияние осцилляции электронного пучка на формирование структуры и свойства сварного шва // Сварочное производство. – 2012. – № 11. – С. 13-18 .

15. Пермяков Г.Л., Ольшанская Т.В., Беленький В.Я., Трушников Д.Н. Моделирование тепловых процессов при электронно-лучевой сварке разнородных материалов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук .

– 2013. – Т. 15, № 6(2). – С. 458-463 .

16. Беленький. В.Я., Кротов Л.Н., Ольшанская Т.В., Абдуллин А.А., Младенов Г.М., Колева Е.Г. Электронно-лучевая сварка высокопрочных сталей с бронзой с использованием динамического позиционирования электронного пучка // Сварка и диагностика. – 2014. – № 1. – С. 48-49 .

17. Ольшанская Т. В., Мясникова А. А. Влияние типа электродного покрытия на образование неметаллических включений в сварных швах низколегированных сталей // Сварка и диагностика. – 2014. –№ 3. – С. 22-25 .

18. Саломатова Е.С., Ольшанская Т.В., Младенов Г.М., Трушников Д.Н, Беленький В.Я. Влияние параметров режимов сварки на изменения химического состава сварных соединений при электронно-лучевой сварке с осцилляцией электронного луча // Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение. – 2015. – Т. 17. – № 4. – С. 26-42 .

19. Пермяков Г.Л., Ольшанская Т.В., Беленький В.Я., Трушников Д.Н. Численное моделирование процесса электронно-лучевой сварки с продольной осцилляцией луча на основе экспериментально определенной формы канала проплавления // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева. – 2015. – Т. 16. – № 4. – С. 828-832 .

20. Ольшанская Т.В., Саломатова Е.С. Обзор современных способов управления электронным лучом при электронно-лучевой сварке // Вестник ПНИПУ .

Машиностроение, материаловедение. – 2016. – Т. 18. – № 4. – С. 169-187 .

21. Ольшанская Т. В.,. Федосеева Е. М Математический анализ роста неметаллических включений в сварочной ванне // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. – 2017. -– Т. 19. – № 1. – С. 139-154 .

22. Ольшанская, Т.В. Построение тепловых моделей при электроннолучевой сварке методом функций Грина / Ольшанская Т.В., Федосеева Е.М., Колева Е.Г. // Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение. 2017. – Т .

19. – № 3. – С. 49-74 .

23. Федосеева Е. М., Ольшанская Т. В. Анализ образования неметаллических включений в сварных швах низколегированных сталей при многослойной сварке электродами с покрытиями разного типа // Сварочное производство .

2018. № 3(1000). C. 27-33 .

Патент Устройство для определения плотности энергии и контроля фокусировки электронного пучка: пат. 2580266 Рос. Федерации, МПК B23K15/02 (2006.01) / Кротова Е. Л., Колева Е. Г., Пермяков Г. Л., Беленький В. Я., Мусихин Н. А., Трушников Д. Н., Ольшанская Т. В., Саломатова Е. С.; опубл. 12.01.2015 .

Учебное пособие

Ольшанская Т. В. Конструкционные материалы. Свариваемость и сварка:

учебное пособие. / М-во образования и науки Рос. Федерации, Перм. нац. исслед. политехн. ун-т.Пермь : Изд-во ПНИПУ, 2015. 241 с. Утв. РИС ун-та в




Похожие работы:

«Приспособление объектов коммунально-бытового назначения для санитарной обработки людей, специальной обработки одежды и подвижного состава автотранспорта (взамен СН 490-77) СНиП 2.01.57-85....»

«Секция 4: Передовые технологии и техника для разработки недр Список литературы 1. Пашков, Е. Н., Саруев Л. А., Зиякаев Г. Р . Математическое моделирование гидроимпульсного механизма бурильных машин // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2011. – № 5 – с. 26–31.2. Pashkov, E. N., Ziyakaev G. R., Tsygankova M...»

«CBD Distr. GENERAL UNEP/CBD/ICNP/2/7 2 March 2012 RUSSIAN ORIGINAL: ENGLISH СПЕЦИАЛЬНЫЙ МЕЖПРАВИТЕЛЬСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ОТКРЫТОГО СОСТАВА ПО НАГОЙСКОМУ ПРОТОКОЛУ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДОСТУПА К ГЕНЕТИЧЕСКИМ РЕСУРСАМ И СОВМЕСТНОГО...»

«Отчет о результатах самообследования муниципального бюджетного дошкольного образовательного учреждения "Детский сад общеразвивающего вида №174" городского округа Самара за 2015-2016 учебный год 2016 г.СОДЕРЖАНИЕ: Общая характеристика Бюджетного учреждения I. Общие сведения 1.1. Социальная актив...»

«ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА И ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА. 2001. Т. 42, N2 1 УДК 539.375 САМОПРОИЗВОЛЬНОЕ РАЗРУШЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ В. М. Корнев Институт гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН, 630090 Новосибирск Изучается разрушение твердых тел при воздействии пове...»

«Инжиниринговая компания ENCE GmbH (Швейцария), активно работает на рынке стран СНГ уже более 15 лет в области нефтегазоперерабатывающей, нефтегазодобывающей, нефтехимической, химической, металлургической и энергетической промышленности.Наша специализация: Разраб...»

«ИНСТРУКЦИЯ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ перфоратора Kolner KRH-620HC Описание. Отверстие патрона для зажима инструмента. 1. Пылезащитный колпак (пыльник). 2. Вентиляционные отверстия. 3. Выключатель. 4. Фиксатор выключения. 5. Переключатель режимов. 6. Дополнительная рукоятка. 7. Глубиноме...»

«С. В. Норенков Е. С. Крашенинникова АРХИТЕКТОНИКА ПРОСТРАНСТВА ЧЕЛОВЕКА: ХРОНОТОПЫ АНСАМБЛЕОБРАЗОВАНИЯ Монография Нижний Новгород Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетно...»




 
2019 www.mash.dobrota.biz - «Бесплатная электронная библиотека - онлайн публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.