Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
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:
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).
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; L — длина хвостовой части сварочной ванны, мм
Для достижения указанной цели было необходимо решить следующие задачи:
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.
ТИХ — температурный интервал хрупкости, °C; Тл и Тс — ликвидус и солидус, °C; ВГТИХ и НГТИХ — верхняя и нижняя границы ТИХ, °C; dр — диаметр равноосного кристаллита, мм; Вр — ширина зоны с равноосными кристаллитами, мм; Vсв — скорость сварки, м/час
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.
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).
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
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).
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).
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].
