Влияние характера кристаллизации сварного шва на сопротивляемость образованию горячих трещин

Язык труда и переводы:
УДК:
621.791.011
Дата публикации:
18 сентября 2021, 20:05
Категория:
А7. Технологии сварки и диагностики
Авторы
Зимаков Артем Евгеньевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Королев Сергей Анатольевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация:
Приведены результаты численного моделирования зависимости распределения высокотемпературных деформаций сварного шва, находящегося в двухфазном твердо-жидком состоянии, от схемы кристаллизации и типа первичной структуры сварного шва, применительно к условиям машинных испытаний на сопротивляемость образованию горячих трещин. С помощью математического моделирования оценивается зависимость вероятности образования горячей трещины как от характера кристаллизации (наличия равноосных кристаллитов в шве или их отсутствие), так и от параметров кристаллизации: угла срастания дендритных кристаллитов, диаметра равноосного кристаллита, величины зоны с равноосной схемой кристаллизации.
Ключевые слова:
горячие трещины, математическое моделирование, сварка, распределение деформаций, кристаллизация, сварной шов
Основной текст труда

Введение

Кристаллизационные горячие трещины (ГТ) в шве являются одной из проблем свариваемости современных алюминиевых сплавов и аустенитных материалов [1]. Трещины любой природы в сварной конструкции — это недопустимый дефект. Практика показывает, что предотвращение образования дефекта в сварном соединении всегда более выгодно, чем его исправление. Оптимальный способ предотвращения образования горячих трещин — расчетная оценка вероятности их образования на этапе принятия конструкторско-технологических решений.

Цель настоящей статьи — определить зависимости распределения деформаций в сварном шве в моменте кристаллизации от схемы кристаллизации методами компьютерного моделирования.

Существующие методики такой расчетной оценки [2, 3] опираются на физическую модель образования ГТ, предложенную профессором МГТУ им. Н.Э. Баумана Прохоровым Н.Н., являющимся основоположником теории технологической прочности металлов в процессе сварки.

Согласно этой модели, факторами, определяющими образование ГТ, являются:

  • температурный интервал хрупкости (ТИХ), °С;
  • минимальная пластичность в ТИХ, %;
  • действующий темп высокотемпературных деформаций αД, %/°C.

Величина ТИХ зависит от системы легирования, содержания основных легирующих элементов и вредных примесей. В настоящее время существуют методики ее расчетного определения [2, 3].

Действующий темп деформации зависит от особенностей геометрии свариваемой конструкции, места расположения сварного шва, условий закрепления, режима сварки и т. д. Количественно действующий темп деформации может быть определен только численными методами, например, методом конечных элементов (МКЭ) [2, 3].

Для оценки темпа деформации необходимо создание модели, позволяющей производить моделирование условий, максимально приближенных к реальным. Данная модель состоит из твердой фазы (кристаллиты) и жидкой фазы (межкристаллитные прослойки) (рис.1).

Рис. 1. Зона образования ГТ в модели с полностью столбчатыми кристаллитами:

ТИХ — температурный интервал хрупкости, °C; Тл и Тс — ликвидус и солидус, °C; ВГТИХ и НГТИХ — верхняя и нижняя границы ТИХ, °C;
B — ширина сварного шва, мм; dсm — диаметр столбчатого кристаллита, мм; Vсв — скорость сварки, м/час; — длина хвостовой части сварочной ванны, мм

Для достижения указанной цели было необходимо решить следующие задачи:

  • выбрать параметр, характеризующий геометрические особенности сварного шва с точки зрения протекающих в нем физических процессов при кристаллизации;
  • разработать математическую модель зоны сварного шва, находящейся в твердо-жидком состоянии;
  • спланировать и провести вычислительный эксперимент (математическое моделирование) для изучения влияния геометрических особенностей сварного шва на характер распределения высокотемпературных деформаций.
  • провести анализ полученных результатов.

В качестве параметра, характеризующего схему кристаллизации сварного шва, была выбрана величина, определяемая отношением длины хвостовой части сварочной ванны к ее ширине. Для анализа влияния типа первичной структуры рассматривались модели сварных швов с полностью столбчатыми кристаллитами (см. рис. 1), а также с равноосными кристаллитами на оси шва (рис. 2). Для сварных швов с полностью столбчатыми кристаллитами также рассматривалось влияние их начального диаметра. Для сварных швов с равноосными кристаллитами на оси шва рассматривалось влияние как их диаметра, так и ширины зоны с данной структурой.

Рис. 2. Зона образования ГТ в модели с наличием зоны с равноосными кристаллитами на оси шва:

ТИХ — температурный интервал хрупкости, °C; Тл и Тс — ликвидус и солидус, °C; ВГТИХ и НГТИХ — верхняя и нижняя границы ТИХ, °C;  — диаметр равноосного кристаллита, мм; Вр — ширина зоны с равноосными кристаллитами, мм; Vсв — скорость сварки, м/час

Методика проведения исследований

Моделирование выполнялось методом конечных элементов при помощи программы ANSYS. Воспроизводимые внешние нагружения соответствовали условиям стандартных машинных испытаний на сопротивляемость образованию ГТ и сварке технологических проб переменной жесткости.

Результаты и их обсуждение

Моделирование показало, что для указанных условий распределение деформаций в поперечном сечении всех исследуемых сварных швов с разными схемами кристаллизации и типом первичной структуры не было гладким, а дискретно реализовывалось только по жидким прослойкам между кристаллитами. Деформирования кристаллитов не наблюдалось. Для сварных швов со столбчатыми кристаллитами основная часть деформации всегда сосредотачивалась на оси шва (рис. 3), а для сварных швов с равноосными кристаллитами в зоне с данной структурой (рис. 4).

а
б

Рис. 3. Типовое распределение деформаций поперек шва для модели с полностью столбчатыми кристаллитами при соотношении длины хвостовой части сварочной ванны к ее ширине:
Kу — коэффициент, численно равный отношению расстояния от оси шва к половине ширины шва;
а — cхема кристаллизации при высокой скорости сварки; б — cхема кристаллизации при низкой скорости сварки

Рис. 4. Типовое распределение деформаций поперек шва для модели с равноосными кристаллитами на оси шва при соотношении длины хвостовой части сварочной ванны к ее ширине:

Kу — коэффициент, численно равный отношению расстояния от оси шва к половине ширины шва

На рис. 3, 4, приведено типовое распределение максимальных пластических деформаций по сечению шва. Данный характер распределения наблюдался для всех исследуемых в данной работе схем кристаллизации. Для удобства использования максимальные деформации приведены в зависимости от коэффициента Ky (отношение расстояния от оси шва к половине ширины шва). Kу = 0 соответствует оси шва, значение Kу = 1 — линии сплавления.

Также было установлено, что для сварных швов со столбчатыми кристаллитами с разной схемой кристаллизации, испытывающих одинаковое внешнее воздействие, имеет место разный уровень деформаций в центре шва. Более высокий уровень локальных деформаций наблюдается для сварных швов с более длинной хвостовой частью сварочной ванны. Также этот уровень увеличивается при увеличении начального диаметра столбчатых кристаллитов (рис. 5).

Рис. 5. Влияние схемы кристаллизации со столбчатым строением кристаллитов на деформацию центральной части сварного шва

Кроме того, установлено, что максимальный уровень локальных деформаций сварных швов с равноосными кристаллитами на оси шва значительно меньше по сравнению со швами со столбчатыми кристаллитами для аналогичных схем кристаллизации (см. рис. 3, 4). Величина этого уровня снижается с уменьшением диаметров равноосных кристаллитов и увеличением ширины зоны с данной структурой (рис. 6).

Рис. 6. Влияние диаметра равноосного кристаллита и ширины зоны с равноосной первичной структурой на деформацию центральной части сварного шва

Заключение

Полученные закономерности согласуются с имеющимися практическими данными и могут быть использованы при подборе режимов сварки, а также при разработке сварочных материалов и других технологических способов, влияющих на схему кристаллизации и структуру сварных швов. Одним из методов снижения вероятности образования ГТ является введение веществ модификаторов в сварочную ванну. Это приводит к появлению зоны с равноосной структурой кристаллитов, что значительно снижает максимальное значение деформации, сосредоточенной в точке, которая и вызывает разрушение сварного шва, путем образования ГТ. Это доказано практически. Дополнительное легирование скандием Al-Li-сплавов повышает их прочностные свойства, улучшает свариваемость [4].

Литература
  1. Теория свариваемости сталей и сплавов / Э.Л. Макаров, Б.Ф. Якушин; под ред. Э.Л. Макарова. 2-е изд., испр. и доп. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018. 552 с.
  2. Королев С.А. Оценка стойкости сварных швов конструкций из алюминиевых сплавов против образования горячих трещин // Известия вузов. Машиностроение. 2007. № 3. С. 51–56.
  3. Макаров Э.Л., Королев С.А. Методика расчетной оценки стойкости сварных швов алюминиевых листовых конструкций против образования горячих трещин // Сварка и диагностика. 2009. № 2. С. 11–16.
  4. Колобнев Н.И. Алюминиево-литиевые сплавы со скандием // Металловедение и термическая обработка металлов. 2002. № 7. С. 30–32.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.