Алгоритм компьютерной программы расчета показателей свариваемости легированных сталей

Основу расчетного метода оценки свариваемости составляет анализ физико-химических процессов в металлах при сварке, от которых зависят показатели свариваемости. Этот анализ выполняется с учетом свойств мате­риалов и основных конструктивно-технологических параметров процесса образования сварных соединений. Такая система компьютерного анализа свариваемости и технологии сварки легированных сталей разработана в МГТУ им. Н. Э. Баумана.

В основу анализа свариваемости положены установленные опытным путем представления о том, что показатели свариваемости сталей опреде­ляются структурой металла сварного соединения (SB), величиной аустенит­ного зерна (рз), концентрацией диффузионного водорода (Яд) и уровнем сварочных напряжений (осв). Совокупность этих факторов принято рассмат­ривать как структурно-водородно-напряженное состояние (СВИС) металла к моменту завершения охлаждения после выполнения сварки.

Для анализа процесса образования холодных трещин введены понятия о действительном и критическом СВИС металла сварного соединения. Кри­тическое СВИС соответствует такому сочетанию факторов, при которых металл проявляет склонность к замедленному хрупкому межкристаллитно - му разрушению, т. е. образованию очагов холодных трещин. Сравнение ука­занных состояний возможно по критериям действительного и критического напряжений, что позволяет сделать вывод о возможности образования хо­лодных трещин, если имеет место превышение действительного напряже­ния над критическим.

В качестве объекта расчета принято элементарное типовое стыковое соединение жестко закрепленных элементов, выполняемое одно - или много­проходной сваркой (рис. 4.1).

Алгоритм компьютерной программы расчета показателей свариваемости легированных сталейПодобные соединения име­ют сварочные жесткие тех­нологические пробы (ГОСТ 26388—84) и многие сварные конструкции. Этот тип со­единений позволяет модели­ровать локальные процессы (тепловые, диффузионные, сгруктурообразование) в рам­ках единой расчетной схемы.

Конструктивные особенности Рис. 4.1. Расчетная схема сварного соединения

Алгоритм компьютерной программы расчета показателей свариваемости легированных сталей

Рис. 4.2. Алгоритм расчета показателей свариваемости легированных сталей

изделий, определяющие уровень сварочных напряжений, учитываются задани­ем соответствующего размера Dj, обеспечивающего эквивалентную «жесткость закрепления» свариваемых элементов изделия. Алгоритм расчетной части компьютерной программы приведен на рис. 4.2.

4.2. Модели для расчета теплового поля, структуры металла, концентрации диффузионного водорода и уровня напряжений при сварке

Решение тепловой задачи выполняется аналитическим методом с использованием теории распространения теплоты при сварке. Предвари­тельно по эмпирическим зависимостям определяются геометрические пара­метры сварного шва в зависимости от способа и режима его сварки и формы разделки кромок. Затем решается задача по определению параметров моде­ли источника теплоты из условия обеспечения заданной формы и размеров зоны проплавления, причем в качестве моделей используются сосредото­ченные, распределенные или комбинированные подвижные источники, дей­ствующие в плоском слое. Полученные модели источников теплоты исполь­зуются для последующего расчета основных параметров сварочного терми­ческого цикла в анализируемых точках зоны термического влияния. Экспериментальная проверка показала, что такой методический подход по­зволяет корректно использовать аналитические решения Н. Н. Рыкалина для анализа тепловых процессов вблизи линии сплавления (в точках околошов - ной зоны с максимальной температурой нагрева Ттах = 1350 °С).

Расчет условного среднего диаметра аустенитного зерна (Д) вы­полняется с использованием соотношения металлофизики:

где Do — начальный размер зерна при 1000 °С на стадии нагрева; Т— те­кущая температура сварочного термического цикла, К; t0, t — время дости­жения температуры 1000 °С на стадии нагрева и охлаждения соответственно; к — постоянная Больцмана, Дж/К; А — постоянная, зависящая от поверхно­стной энергии, см2/с; Q — энергия активации роста зерна, Дж.

Значения Do, A, Q в выражении (4.1) определяются в зависимости от состава стали по моделям, полученным обработкой эксперименталь­ных данных большой группы спокойных легированных сталей. Домини­рующее влияние на эти коэффициенты оказывает содержание в стали уг­лерода и серы.

Расчет действительной структуры металла зоны термического влияния и шва базируется на определении критических значений скорости охлаждения в диапазоне температур 600...500 °С, обозначаемый как W6/5, соответствующих образованию 1 и 94 % мартенсита (Wmi и WM2). Значения Wmi и WM2 рассчитываются исходя из предпосылки, что они являются па­
раметрами прокаливаемое™ стали, которая может быть охарактеризована обобщенным химическим составом с помощью эквивалента углерода (Сэкв):

WM = A(C3KBf, (4.2)

где A vi В —- опытные коэффициенты.

Состав смешанной структуры при WM1 < W6/5 < WM2 определяется с помощью уравнения Авраами, применяемого для оценки кинетики поли­морфных превращений. Для более точного расчета (с учетом металлургиче­ской природы стали) возможно использование результатов дилатометриче­ского исследования, полученных с помощью компьютерного анализатора материалов КАМАТ, представляющего собой светолучевой дилатометр, по­зволяющий в образцах малого размера моделировать сварочные термиче­ские циклы и по изменению термической и фазовой деформаций оценивать состав структуры зоны термического влияния при сварке конкретных сталей.

При многопроходной сварке в результате многократного повторного нагрева структура металла сварного соединения формируется в условиях частичного отпуска структуры, образовавшейся в результате первичного теплового воздействия. В этом случае ее состав рассчитывается с помощью имитационной модели, описывающей кинетику процесса отпуска. В основу расчета положена модель, определяющая скорость выделения углерода из пересыщенного твердого раствора в зависимости от состава стали, темпера­туры и времени. Окончательная структура после завершения сварки опреде­ляется интегральным воздействием повторных нагревов, достижением ими характеристических областей существования типовых структур отпуска и временем пребывания металла в этих температурных областях.

Расчет концентрации диффузионного водорода в анализируемых точ­ках сварного соединения выполняется путем численного интегрирования дифференциального уравнения 2-го закона Фика, описывающего неизотер­мическое перераспределение диффузионного водорода в металле в резуль­тате концентрационной и термической диффузии с учетом перехода оста­точного (металлургического) водорода в диффузионно-подвижный и обрат­но. В инженерном варианте расчета используется интерполяционная модель, полученная на базе результатов масштабного вычислительного экс­перимента по расчету концентрации диффузионного водорода в околошов - ной зоне сварного соединения, подверженной образованию холодных тре­щин (приведены лишь первые члены модели):

Подпись:Нв = (0,42 - 0,01 ■ Тп) ■ Н0 + 0,07 • Нт + 0,006 • 5 + + 0,026 • h - 0,002 ■ h ■ q/v + ...,

где Но — исходное содержание диффузионного водорода в металле шва, определенное хроматографическим методом, мл/100 г; Нт — содержание остаточного (металлургического) водорода в стали (определяется вакуум - плавлением), мл/100 г; q/v — погонная энергия сварки, кДж/см; Тп — тем­пература сопутствующего подогрева, °С; 5, h — толщина свариваемых пла­стин и высота шва, мм.

Анализ НДС сварного соединения в условиях многопроходной сварки выполняется на базе решения с помощью МКЭ термомеханиче­ской задачи в соответствии с положениями неизотермической теории те­чения. Однако такой подход не позволяет проводить оперативный анализ технологических вариантов. Поэтому в инженерном варианте расчета реализован подход, базирующийся на основных положениях теории сва­рочных напряжений и деформаций. Расчет поперечной компоненты сва­рочных напряжений выполняется с использованием балочной модели со­единения, учитывающей размеры и условия закрепления свариваемых элементов, положение шва в разделке, объемный эффект фазовых пре­вращений в шве и зоне термического влияния, затрудненность усадки шва при выполнении каждого прохода и механические свойства металла шва и зоны термического влияния.

Уникальная модель для расчета критических (разрушающих) напря­жений, позволяющая сделать вывод о вероятности образования холодных трещин путем сравнения действующих сварочных напряжений с критиче­ским значением, получена на базе результатов нескольких тысяч испытаний образцов стали на замедленное разрушение после их обработки имитиро­ванным сварочным термическим циклом и электролитического насыщения водородом (приведены лишь первые члены модели):

Окр = сто,2 (2,68 - 5,46 • С - 0,5 • Яд - 0,004 • Sr - 4,02 ■ D, + ...), (4.4)

где С — содержание углерода, %; Sr — содержание мартенситной состав­ляющей структуры, %; D3 — условный средний диаметр аустенитного зерна, мм; Яд — концентрация диффузионного водорода, мл/100 г; о0,2 — услов­ный предел текучести металла исследуемой зоны при нормальной темпера­туре, МПа.

Учет зависимости значений критических напряжений от температуры и времени и сопоставление их со значениями действительных сварочных напряжений позволяют определять момент образования холодных трещин как в процессе сварки, так и после ее завершения.

Комментарии закрыты.