Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона

УДК 621.791

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Прогнозування деформацій при зварюванні і термічному правленні конструкцій на основі методів термопластичності і функції усадки

Спеціальність 05.03.06 “Зварювання та споріднені процеси і технології”

Махненко Олег Володимирович

Київ 2009

Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. Зварювання, як технологія нероз'ємного з'єднання матеріалів, отримало широке розповсюдження у багатьох галузях промисловості. У металообробних галузях промислового виробництва і у будівництві зварювання і споріднені йому процеси сьогодні є базовими технологіями з'єднання і обробки конструкційних матеріалів. Світовий досвід виробництва зварних конструкцій і виробів у різних галузях промисловості доводить, що десь біля 70% виробленого стального прокату йде на виготовлення зварних конструкцій. Виробництво сталі у світі за останні роки перевищило 1,0 млрд. т на рік.

Переваги зварних з'єднань порівняно з іншими типами нероз'ємних з'єднань є досить значними. До недоліків слід віднести залишкові деформації і напруження, які практично завжди виникають у процесі зварювання, і які можуть мати негативний вплив на якість зварної конструкції. Під час виготовлення зварювальні деформації викривляють проектні форми і розміри виробу. В умовах експлуатації залишкові деформації і напруження сприяють зменшенню міцності, корозійної стійкості, жорсткості або точності зварної конструкції. Традиційні методи зниження залишкових деформацій і напружень завдяки збільшенню товщин, проведенню термічної і стабілізуючої обробок після зварювання, великої кількості робіт з припасування, видалення припусків та правлення на сьогодні не завжди є оптимальними із міркувань праце-, енерго- і металоємності виробництва зварних конструкцій.

Сучасний етап зварювального виробництва характеризується короткими термінами розробки зварних конструкцій та високими вимогами щодо якості і службових характеристик виробу. Важливу роль починає відігравати комп'ютерне моделювання, яке дозволяє різко зменшити витрати у часі та матеріальні витрати на проектування та випробування нової зварної конструкції.

Ступінь дослідження проблеми. Прогнозування зварювальних деформацій і напружень - як дуже важливий фактор технологічної підготовки виробництва зварних конструкцій, притягує увагу спеціалістів протягом всієї історії розвитку і застосування зварювання у промисловості. Велика кількість експериментальних та теоретичних досліджень, проведених у різних державах за багато років, дозволили встановити основні закономірності в утворенні зварювальних деформацій і напружень, отримати кількісні залежності для основних видів деформацій від різних конструктивних і технологічних параметрів. Вагомий внесок у розвиток цього питання внесли такі відомі вчені, як: Є.О.Патон, Г.А.Ніколаєв, В.Н.Горбунов, Н.О.Оскероблом, Н.Н.Рикалін, В.П.Вологдін, Н.Н.Прохоров, О.А.Казиміров, Г.Б.Талипов, В.А.Винокуров, І.Н.Трочун, В.І.Труфяков, І.М.Байкова, С.А.Кузьмінов, В.С.Ігнатьєва, І.М.Жданов, С.А.Куркін, В.М.Сагалевич, Л.М.Лобанов, В.І.Махненко, В.М.Прохоренко, W.Spraragen, K.Masubuchi, Y.Ueda, K.Satoh, T.Terasaki, H.Kihara, R.Malisius, G.M.Boyd, R.Weck, H.Kunz тощо.

Сучасний рівень комп'ютерної техніки і чисельних методів дозволяє проводити моделювання достатньо складних нестаціонарних термодеформаційних процесів з урахуванням структурних перетворень при зварюванні і супутніх операціях термічної і механічної обробок, а також при наступних експлуатаційних навантаженнях.

Отримали широкий розвиток найбільш загальні методи вирішення таких задач: методи термопластичності у сполученні із методом кінцевих елементів (МКЕ). Завдяки цим методам є можливим простежувати у часі утворення і розвиток пластичних деформацій у процесі зварювального нагріву і наступного охолодження, а також визначати як тимчасові, так і залишкові напруження і деформації у зварному вузлі або зварній конструкції обмеженого розміру.

Але, під час моделювання зварювання крупногабаритних конструкцій із використанням МКЕ і методів термопластичності, виникають труднощі із отримання рішення з потрібною точністю. По-перше, крупногабаритні конструкції потребують розбивання на значно більшу кількість елементів порівняно з окремим зварним вузлом, що, в свою чергу, потребує значних комп'ютерних ресурсів і часу на розрахунок. По-друге, труднощі зростають, коли потрібно змоделювати велику кількість зварних швів. У даному разі отримання вирішення стає практично неможливим.

Прогнозування напружено-деформованого стану крупногабаритних зварних конструкцій на даний час можливо лише за допомогою наближеного методу функції усадки. Однією із перших робіт, де є використаним метод розрахунку залишкових зварювальних деформацій і напружень на основі функції усадки, є робота Є.О.Патона із співробітниками, опублікована ще у 1936 р., де наведено комплексне дослідження зварювальних залишкових напружень у циліндричних судинах від кільцевих і поздовжніх швів, а також при приварюванні днища, вварювання патрубків тощо. Тут використовувалась ідея розрахункової оцінки залишкових зварювальних напружень методами теорії пружності за заданою величиною усадкових поздовжніх деформацій, що були визначені експериментально із простих дослідів. Слабким місцем методу функції усадки є достовірне визначення параметрів функції усадки, оскільки експериментальні виміри навіть на простих зразках є досить трудомісткими. Але на сьогодні стає реальним оперативне отримання параметрів функції усадки з необхідною точністю завдяки математичному моделюванню зварювання зразка обмеженого розміру за допомогою методів термопластичності.

Перспективним є комбіноване використання загальних методів термопластичності і наближеного методу функції усадки для прогнозування зварювальних напружень і деформацій у крупногабаритних зварних конструкціях. За допомогою загальних методів термопластичності визначаються локальні напруження і пластичні деформації у зварному шві. Потім, використовуючи наближений метод функції усадки, прогнозуються загальні деформації зварної конструкції. Досить ефективним є комбіноване використання цих методів тоді, коли крупногабаритна зварна конструкція має велику кількість зварних швів одного типу різного розташування.

Таким чином, є реальна можливість озброїти інженерів-технологів, проектувальників ефективними засобами прогнозування зварювальних деформацій і напружень крупногабаритних зварних конструкцій завдяки відповідним розрахунковим алгоритмам і програмного забезпечення, орієнтованого на сучасні персональні комп'ютери середньої потужності.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає у створенні ефективного методу прогнозування зварювальних деформацій і напружень у крупногабаритних зварних конструкціях з великою кількістю зварних швів на базі комбінованого використання методів термопластичності і наближеного методу функції усадки.

Для досягнення поставленої мети треба було вирішити наступні задачі:

· Розробити загальний підхід для прогнозування деформацій при зварюванні крупногабаритних конструкцій на базі комбінованого застосування методів термопластичності і функції усадки;

· Запропонувати способи визначення параметрів функції усадки для характерних випадків зварювального нагріву на базі геометричної типізації об'єкту;

· Створити розрахункові алгоритми реалізації методу функції усадки для вирішення практичних задач з прогнозування загальних деформацій крупногабаритних конструкцій з великою кількістю зварних швів, при наплавленні тонких пластин за багато проходів, при тепловому правленні локальними нагрівами.

На особливу увагу заслуговує використання цього підходу при прогнозуванні теплового правлення сучасних тонкостінних конструкцій багаточисельними локальними нагрівами з позицій оптимізації і автоматизації цього технологічного процесу. Відомо, що ефективність процесу теплового правлення багато у чому залежить від досвіду працівника, що значною мірою ускладнює механізацію (автоматизацію) таких робіт.

Розробці загального підходу і відповідних розрахункових алгоритмів реалізації комбінованого застосування методів термопластичності і функції усадки для прогнозування деформацій при зварюванні (наплавленні, правленні) крупногабаритних конструкцій і присвячена ця робота.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у наступному:

1. Вперше розроблено загальний підхід прогнозування деформацій при зварюванні крупногабаритних конструкцій на базі комбінованого застосування методів термопластичності і функції усадки. Відмінним є те, що за допомогою загального методу термопластичності визначаються локальні напруження і параметри функції усадки для конкретних зварних швів, а потім, використовуючи наближений метод функції усадки, прогнозуються загальні деформації зварного вузла (конструкції) від всіх зварних швів. У роботі передбачено вирішувати цю задачу на базі геометричної типізації об'єкту.

2. Розроблено розрахункові алгоритми для балочних конструкцій і проведено дослідження кінетики загальних деформацій зварних балок за лазерного зварювання у закріпленні з багатьма опорами.

3. Розроблено розрахункові алгоритми для прогнозування зварювальних деформацій трубних решіток теплообмінників у процесі вварювання великої кількості теплообмінних трубок (10 000 і більше). Отримано нові результати щодо можливості зниження загальних зварювальних деформацій трубних решіток.

4. Розроблено розрахункові алгоритми для прогнозування загальних деформацій, пов'язаних із наплавленням за багато проходів тонких пластин зносостійким сплавом. Завдяки проведеним дослідженням було виявлено основні фактори, що впливають на залишкові деформації вигину наплавлених пласких заготовок.

5. Розроблено розрахункові алгоритми для моделювання процесу термічного правлення тонкостінних конструкцій з деформаціями бухтиноватості за допомогою різних за формою плям нагріву. Проведено дослідження можливостей підвищення ефективності процесу термічного правлення.

6. Створено керуюче програмне забезпечення для автоматизації процесу термічного правлення тонкостінних конструкцій з деформаціями бухтиноватості, яке було використано під час розробки автоматизованих комплексів обладнання.

7. Розроблені розрахунковий алгоритм і методика з визначення оптимальних параметрів термічного правлення деформацій викривлення вісі циліндричної оболонки.

Методи дослідження. Для досягнення поставленої мети у роботі було використано розрахункові і експериментальні методи. Головну роль в отриманні інформації було відведено розрахунковим методам, що базуються на сучасних підходах чисельних вирішень (МКЕ), а експериментальні методи були використані для валідаціії розрахункових даних в окремих точках виміру, можливих для досягнення. Для визначення параметрів функції усадки використовувався найбільш загальний метод послідовного простежування нелінійних задач неізотермічної термопластичності, асоційованих з умовою текучості Мізеса. Для визначення загальних деформацій крупногабаритної конструкції застосовувався наближений метод функції усадки, що працює в межах теорії пружності. Для пошуків вирішення крайових задач в разі геометрично складних конструкцій, використовувався метод кінцевих елементів, а для простих конструкцій - відомі аналітичні методи. Достовірність основних наукових результатів забезпечується використанням обґрунтованих математичних моделей, аналізом наведених у літературі даних, зіставленням із експериментальними результатами вимірів, відповідністю рішень, отриманих різними чисельними і аналітичними методами, в тому числі іншими авторами.

Практичне значення. На основі розробленого комбінованого підходу прогнозування зварювальних деформацій крупногабаритних конструкцій створено комплекс розрахункових алгоритмів і програмного забезпечення, зорієнтований на сучасні персональні комп'ютери середньої потужності.

Проведено дослідження кінетики загальних деформацій зварних балок за лазерного зварювання у закріпленні із багатьма опорами. Вивчено можливості прогнозування зусиль для утримання балки на опорах під час зварювання, а також для отримання попереднього вигину або механічного правлення після зварювання.

Отримано нові результати щодо можливості зниження загальних зварювальних деформацій трубчастих решіток теплообмінників у процесі вварювання великої кількості теплообмінних трубок. Визначено тип зварного з'єднання трубної решітки із трубками з п'яти розглянутих, який забезпечує найменші деформації трубної решітки. Встановлено, що застосування аустенітної сталі для трубок і присадки дозволяє порівняно із варіантом феритної сталі отримати більш низькі залишкові локальні напруження у зоні з'єднання, а тому знизити ризик утворення холодних тріщин і мати більш низькі залишкові загальні деформації трубної решітки. Визначено, що для конструкцій з двома трубними дошками і короткими прямими трубками приварювання у визначеній послідовності одночасно двох кінців трубок може суттєво знизити деформації трубних решіток, особливо за обмежених товщин останніх.

Виявлено основні фактори, що впливають на залишкові деформації вигину наплавлених пласких заготовок при наплавленні зносостійким сплавом за багато проходів. Встановлено, що найбільш сприятливим з точки зору зниження деформацій є варіант наплавлення вздовж довгого крайка заготовки на мінімальних за тепловкладенням режимах, які забезпечують необхідну мікроструктуру у металі ЗТВ. Виявлено суттєвий ефект зниження деформацій при застосуванні закріплення у зоні наплавлення, тобто притискання цієї ділянки до плити з наступним визволенням після охолодження.

Застосування комбінованого підходу при вирішенні задач, пов'язаних із термічним правленням, довело його високу ефективність при прогнозуванні деформацій для характерних випадків правлення локальними нагрівами, а також при розробці оперативних розрахункових алгоритмів, що працюють в режимі реального часу в системі управління автоматизованим правленням. Використання прогнозування для автоматизації процесу термічного правлення тонкостінних конструкцій з деформаціями бухтиноватості дозволяє суттєво знизити енергетичні витрати під час нагріву (у 1,5-2 рази), підвищити продуктивність технологічного процесу і якість конструкцій, відмовитися від кваліфікованої ручної праці.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота проводилась в Інституті електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України у відповідності до планів науково-дослідних робіт у межах таких тем: 1.6.1.8.31.13 „Розробити та дослідити зварні оболонкові і панельні конструкції високої точності та крупногабаритні конструкції перетворюваного об'єму, створити ефективні методики їх діагностики” (2000-2002 рр.), 1.6.1.8.31.48.14 „Розробити і дослідити особливо легкі площинні і оболонкові зварні конструкції, створити нові електронно-оптичні методи оцінки їх технічного стану” (2003-2007 рр.), 1.6.1.8.33 „Розробити ефективні методи прогнозування та підвищення ресурсу зварних конструкцій на основі створення принципово нових підходів до діагностики, підвищення міцності та регулювання напружено-деформованих станів з'єднань” (2002-2006 рр.), 1.6.1.8.48.31.2 „Розробити нові типи тонкостінних зварних конструкцій, технології їх бездеформаційного зварювання та ефективні методи лазерної інтерферометрії для визначення напружено-деформованих станів”.

Апробація результатів роботи. Результати дисертаційної роботи і окремі її положення неодноразово докладались: на міжнародній конференції „Зварні конструкції”, м.Київ, 10-12 жовтня, 2000 р., на 1-ій міжнародній конференції „Математичне моделювання і інформаційні технології у зварюванні та споріднених процесах”, п.Кацівелі, 16-20 вересня, 2002 р., на 2-ій молодіжній конференції „Зварювання і споріднені технології”, с.Ворзель, 25-27 травня, 2003 р., на міжнародній конференції „Сучасні проблеми зварювання і ресурсу конструкцій”, м.Київ, 24-27 листопада 2003 р., на 2-ій міжнародній конференції „Математичне моделювання і інформаційні технології у зварюванні та споріднених процесах”, п.Кацівелі, 13-17 вересня 2004 р., на 2-ій міжнародній конференції „Лазерні технології у зварюванні і обробці матеріалів”, п.Кацівелі, 23-27 травня. 2005 р., на міжнародній конференції SYSWELD FORUM 2005, 1 September, 2005, Weimar, Germany, на 3-ій міжнародній конференції „Математичне моделювання і інформаційні технології у зварюванні та споріднених процесах”, м.Київ, 6-8 червня 2006 р., на Fourteenth International Conference On the Joining of Material, April 29- May 2, 2007, Helsingor, Denmark, на міжнародній конференції „Зварювання і споріднені технології - у третє тисячоліття”, м. Київ, 24-26 листопада 2008 р.

Публікації та особистий внесок здобувача. За результатами досліджень опубліковано 27 наукових робіт, з яких 20 статей у спеціалізованих наукових журналах і збірниках робіт. Роботи, які складають основний зміст дисертаційної роботи, отримано автором самостійно. В роботах, опублікованих із співавторами, дисертанту належить постановка або участь у постановці задачі, розробка математичної моделі і відповідних розрахункових алгоритмів пошуку, виконання або участь у проведенні чисельних досліджень, аналізі отриманих результатів і формулюванні висновків. Значна частина результатів експериментальних вимірів, що використані у дисертаційній роботі для валідації розрахункових результатів, отримано за безпосередньої участі автора.

Структура і об'єм роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел. Дисертація має загальний об'єм 288 сторінок машинописного тексту, включаючи 10 таблиць, 136 рисунків і список літератури з 202 найменувань на 20 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету роботи і визначено основні задачі дослідження, описані об'єкт і методи досліджень, викладено наукову новизну і практичне значення отриманих результатів із визначенням особистого внеску автора.

У першому розділі виконано огляд існуючих методів з визначення зварювальних деформацій зварних конструкцій.

Розглянуто основні експериментальні методи, проаналізовано їх можливості і трудомісткість при визначенні зварювальних деформацій.

Проаналізовано сучасний стан розрахункових методів визначення напружено-деформованого стану при зварюванні конструкцій. Детально розглянуто найбільш загальні розрахункові методи, що базуються на теорії термопластичності, та наближені розрахункові методи, що працюють в границях теорії пружності. Визначено їх можливості і обмеження стосовно до визначення загальних деформацій крупногабаритних зварних конструкцій з великою кількістю зварних швів.

Розглянуто різні методи керування зварювальними деформаціями і напруженнями.

Завдяки проведеному аналізу сформульовано основні задачі з розробки нового підходу щодо розрахункового визначення загальних деформацій зварних конструкцій на базі комбінованого застосування загальних методів термопластичності та наближеного методу функції усадки.

У другому розділі подано узагальнену уяву щодо функції усадки. Загалом функція усадки являє собою симетричний тензор другого рангу за типом тензору пластичних деформацій.

(i, j = x, y, z ) (1)

Для тонкостінних елементів зварних конструкцій, до яких є можливим застосувати основні гіпотези теорії пластин та оболонок, функція усадки від зварного шва може бути подана дуже просто

, (2)

де Дх(х), Ду(х), вх(х), ву(х) - параметри функції усадки, - дельта функція Дірака визначає, що вся деформація усадки сконцентрована у перерізі у=уw. Таке припущення спрощує математичний опис розподілу функції усадки, зберігаючи при цьому інтегральні характеристики.

Параметри функції усадки - це поперечна Ду(х), поздовжня Дх(х) усадка і кутові деформації ву(х), вх(х), які є достатньо загальноприйнятими поняттями в інженерній практиці і для кожного зварного шва на цьому матеріалі за відповідних режимів зварювання можуть визначатися, приміром, експериментально виміром нормальних компонент залишкових деформацій на верхній та нижній поверхнях зварного зразка.

У відповідності до методу функції усадки повна деформація в конструкції визначається сумою пружних деформацій і деформацій, що задані функцією усадки:

. (3)

Умови сумісності цих деформацій, рівняння зв'язку між напруженнями уij та деформаціями еij,, рівняння рівноваги між компонентами уij, а також умови на контурі розглянутої моделі конструкції визначають загалом крайову задачу по методу функції усадки, яка дає вирішення відповідно переміщень иi (або деформацій) конструкції, зумовлених заданою функцією усадки.

Вирішення таких задач у пружній постановці для будь-яких крупногабаритних конструкцій на сьогодні достатньо легко реалізуються за допомогою існуючих комерційних пакетів кінцево-елементного аналізу.

Використання експериментальних підходів для визначення функції усадки потребує у кожному конкретному випадку сполучення матеріалу, товщини, способу, режимів та умов зварювального нагріву достатньо об'ємних експериментальних досліджень. Тому у роботі для визначення параметрів функції усадки запропоновано використовувати розрахункові підходи, що базуються на методах теорії термопластичності.

В залежності від геометричних особливостей зварного з'єднання, для якого визначаються параметри функції усадки, обирається математична модель обмеженого розміру, що є ідентичною до типу зварного з'єднання, матеріалу, товщині, режиму і умовам зварювання.

У роботі подано декілька характерних прикладів такої геометричної типізації при визначенні параметрів функції усадки.

Для тонкостінних елементів зварних конструкцій розроблено математичну модель у рамках гіпотези плоского напруженого стану і припущення незначних деформацій вигину. Завдяки послідовному простежуванню розвитку пластичних деформацій під час нагріву і наступного охолодження визначаються залишкові пластичні деформації у зоні з'єднання зварюваних елементів і відповідні параметри функції усадки - поперечна і поздовжня усадки.

Для товстостінних елементів зварних конструкцій розроблено розрахунковий алгоритм з використанням гіпотези пласкої деформації, що дозволяє фактично просторову задачу привести до плоскої (двомірної). Тоді параметри функції усадки - поперечна і поздовжня усадки і відповідні кутові деформації визначаються стосовно до відповідних залишкових пластичних деформацій.

Особливий інтерес являє розрахунковий алгоритм, розроблений для отримання функції усадки щодо кільцевих зварних швів при з'єднанні різних циліндричних оболонок, де з деяким наближенням можливо прийняти, що шукана функція має властивості симетрії по вісі і для її отримання зручно використовувати циліндричну систему координат, яка дозволяє тримірну модель у системі x ,y ,z привести до двомірної моделі у циліндричній системі координат r, в, у. Функція усадки для цього типу задач формується на базі тензора залишкових пластичних деформацій у точках r, y.

Ще один розрахунковий алгоритм розроблено для визначення параметрів функції усадки щодо тонких елементів зварних конструкцій, які вигинають. Застосовувались відомі підходи зведення крайових задач деформування тонкостінних конструкцій за трьома осями до двовимірних на базі гіпотез Кірхгофа-Лява. Для отриманого рішення як функцію усадки використовували дані відповідно до характеристик залишкових деформацій в характерних точках серединної поверхні.

У третьому розділі наведені конкретні приклади використання розробленого підходу комбінованого застосування загальних методів термопластичності і наближеного методу функції усадки для прогнозування деформацій від зварювального нагріву. Приклади реалізовано з урахуванням сучасних можливостей обчислювальної техніки для оперативного отримання прогнозних результатів щодо деформацій вузлів, для яких таких розрахункових алгоритмів не існувало. Ці роботи пов'язані із вирішенням конкретних типових виробничих питань і обрані для ілюстрації широких можливостей у реалізації розробленого підходу.

Балки. Бурхливий розвиток лазерного зварювання і його широке застосування у промисловості спонукало необхідність вирішення нових задач. Однією із основних проблем лазерного зварювання є високі вимоги до точності позиціювання зварного шва. У процесі зварювання конструкція деформується і відхилення лазерного променя, який рухається заданою траєкторією, може перевищити допустиму величину від місця з'єднання.

Наприклад, допуск на відхилення лазерного променя при зварюванні балок за допомогою СО2 лазера потужністю 12 кВт складає 0,3 мм. Аби обмежити деформацію балки у процесі зварювання використовують закріплення. При зварюванні довгих балок велика кількість закріплень підвищує трудомісткість і, відповідно, знижує продуктивність технологічного процесу. Визначення оптимальних відстаней між закріпленнями експериментально є недоцільним в умовах сучасного гнучкого виробництва зварних балок малими серіями різних профілів. Тому було розроблено розрахунковий алгоритм і відповідна комп'ютерна програма для вирішення такого типу задач.

Відміною обраної розрахункової моделі є урахування статичної невизначеності, пов'язаною із місцями проміжного закріплення балки, де приріст переміщень дорівнює нулю , , . Тобто, вирішення лінеарізованої задачі при заданій функції стану матеріалу ш(x,y,z,t) із умов текучості Мізеса постає як сума двох рішень на кожній ітерації по ш. Перше відповідає вирішенню для вільної балки при заданій зміні температури. Друге відповідає деформуванню балки під дією шуканих зусиль, величини яких визначаються із умови, що сумарні переміщення на опорах закріплення дорівнюють нулю.

При визначенні функції усадки для випадку деформації вигину під час зварювання балок, що шарнірно сперті по кінцях або при заданих на крайках зусиль по вісі та моментів вигину, потрібно лише розглянути характерний переріз х=const, у межах якого відоме температурне поле нагріву і охолодження Т(у, z, t) та зовнішнє зусилля по вісі Nxx(t) і моменти Myy(t) та Мzz(t). Це є статично визначена задача, коли на кожному кроці простежування приріст кривизни Дчyy(t) та Дчzz(t) і поздовжнього скорочення визначаються в рамках балочних гіпотез із рівнянь рівноваги.

Параметри функції усадки як після закінчення процесу ітерації по використовують для обчислення перемінної ДUy(x, t), ДUz(x, t), ДUx(x, t), які у часі, починаючи із t = 0, дають повну інформацію стосовно переміщень Uy(x, t), Uz(x, t), Ux(x, t) точок х = const на вісі балки у процесі нагріву та охолодження.

Розроблена математична модель дозволяє:

· Прогнозувати як тимчасові деформації вигину при лазерному зварюванні балок різного профілю з великою кількістю опор закріплень, так і залишкові зварювальні деформації після зняття закріплення.

· Оптимізувати відстань між опорами закріплень для забезпечення у допуску величини максимального переміщення балки у моменти проходження лазерного джерела нагріву.

· Визначати величини оптимального попереднього вигину або вигину після зварювання, створеного за допомогою закріплень, коли залишкові деформації вигину балки стають мінімальними.

Описаний розрахунковий алгоритм було використано для визначення переміщень Uz и Uy точок лінії вісі балки, яка проходить через центр тяжкості перерізів, при лазерному зварюванні поздовжніх швів балок прецизійного призначення із нержавіючої сталі А304. Робота виконувалась у рамках співробітництва з фірмою INNOSTAHL GmbH (ФРН). Розглядали зварні балки довжиною 4000 мм різних профілів: як таврові, так і двотаврові за різних відстаней між опорами закріплення. Розрахунок виконано для таврової балки (Н1=80 мм, Н2=80 мм, D1=8 мм, D2=8 мм, S=36 мм) завдовжки 4000 мм. Профіль балки і зварювальний нагрів - симетричний щодо вісі Y, тому переміщення Uz дорівнюють нулю. Кількість опор закріплення - п'ять, що відповідає відстані у 1000 мм між опорами. Результати розрахунку довели, що величина максимального переміщення точок ліні вісі балки у моменти проходження джерела нагріву складає -0,34 мм, що перевищує вимоги допуску на відхилення лазерного променя (0,30 мм) і потребує збільшення кількості опор закріплення. Залишковий прогин балки після зняття закріплення склав 25,8 мм на довжині 4000 мм, тому балка потребує правлення.

Також було виконано зіставлення розрахункових та експериментальних даних кінетики поперечного переміщення балки таврового профілю (сталь А304) (Н1=100 мм, Н2=100 мм, D1=8 мм, D2=8 мм) та балки двотаврового профілю (сталь А304) (Н1=80 мм, Н2=77 мм, D1=8 мм, D2=8 мм) у точках між двома опорами із защемленням, що розташовані на відстані 500 мм, за лазерного зварювання поздовжнього шва. Експериментальні результати довели близький збіг із розрахунковими даними як за характером розподілу, так і за величиною.

Завдяки розробленим розрахунковим алгоритмам проведено дослідження кінетики загальних деформацій зварних балок завдовжки 4000 мм із нержавіючої сталі А304 для п'яти балок таврового профілю з одним поздовжнім швом і різними співвідношеннями ширини полки Н1 та висоти Н2: 80х160 мм, 80х80 мм, 80х40 мм, 80х25 мм, 40х40 мм, а також для трьох балок двотаврового профілю з двома поздовжніми швами: 80х160 мм, 80х80х80 мм та 80х40х80 мм (товщини всіх елементів балок дорівнюють D1= D2= D3=8 мм) при лазерному зварюванні при закріпленні багатьма опорами, що дозволило вирішити проблему позиціювання лазерного джерела у процесі зварювання із урахуванням зварювальних деформацій. Проведене розрахункове дослідження довело:

· Із зменшенням відстані між опорами закріплення різко знижується величина максимального переміщення балки у моменти проходження джерела нагріву. При відстані між опорами закріплення у 500 мм ці максимальні переміщення усіх розглянутих балок не перевищували допуск у 0,3 мм. При відстані між опорами закріплення у 2000 мм максимальні переміщення балок у моменти проходження джерела нагріву сягають 1-7 мм.

· Чим вища жорсткість балки, тим нижча величина максимального переміщення балки у моменти проходження джерела нагріву.

· Із збільшенням швидкості зварювання у 1,5-2 рази при збереженні постійної величини погонної енергії для таврового профілю балки (Н1=80 мм, Н2=80 мм, В1=В2=8 мм) незначно (на 10-15%) зменшується величина максимального переміщення балки у моменти проходження джерела нагріву. Для балки двотаврового профілю (Н1=80 мм, Н2=80 мм, Н3=80 мм, В1=В2=В3=8 мм) вплив швидкості зварювання є практично відсутнім, оскільки другий зварний шов виконується, коли балка набуває залишкові зварювальні деформації від першого шва, які за величиною перевищують тимчасові деформації від зварювання другого шва.

· Закріплення балки під час зварювання є неефективним технологічним заходом щодо зниження залишкового прогину балки, а саме для балок двотаврового профілю, які досліджувались, зварювання у закріпленні спонукає різке зростання залишкового прогину порівняно із зварюванням у вільному стані.

· За абсолютною величиною зусилля в опорах закріплення при зварюванні балок можуть сягати високих значень (до 30000 Н для розглянутих балок) і це потрібно враховувати під час розробки пристроїв закріплення.

Трубна дошка. Розроблений комбінований підхід прогнозування загальних зварювальних деформацій та інших характерних явищ під час зварювання плавленням був застосований на досить типовому прикладі приварювання трубок до трубної решітки теплообмінників. Зварні вузли типу трубної решітки із трубками є досить характерними для сучасних теплообмінних апаратів. Іноді при приварюванні трубок можуть виникати проблеми деформацій трубної решітки. Зазвичай ці питання вирішують експериментально, що потребує досить великих матеріальних витрат і часу. Тому виникає інтерес до використання математичного моделювання хоча б часткового вирішення згаданих питань за допомогою сучасної комп'ютерної техніки і, таким чином, скорочення об'ємів дорогих експериментальних досліджень під час відпрацювання технології. Завдяки співробітництву ІЕЗ ім. Є.О.Патона НАНУ, фірм SLV M-V GmbH та INFRACOR GmbH (ФРН) для цієї роботи було створено комп'ютерну програму, в основу якої покладено розрахункові алгоритми математичного моделювання основних фізичних явищ, що супроводжують процес електродугового приварювання трубок до трубної решітки, у сполученні із банком даних основних розрахункових характеристик (теплофізичні властивості, характеристики мікроструктурних перетворень, механічні властивості) для типових матеріалів труб та трубних решіток, що використовуються у теплообмінниках. Характерною ознакою цієї програми є те, що результати визначення деформацій трубної решітки від приварювання одної трубки використовують потім як функцію усадки при прогнозуванні загальних деформацій трубної решітки від приварювання великої кількості трубок.

В роботі розглядаються декілька прикладів використання згаданої програми для отримання інформації, що необхідна під час оцінки альтернативних варіантів технології. Вузол являє собою теплообмінник із трубної дошки діаметром 384 мм із феритної сталі Р265GH (по EN 10028-2 1992) із 58 отворами для кінців трубок діаметром 30 мм (товщина стінки 2,5 мм). У першій серії розрахунків як матеріал трубок обирали сталь Р235Q2ТН по EN 100281-2. У другій серії матеріалом трубок була аустенітна сталь Х5CrNi18-10 по DIN8556 Teill. За присадку у першій серії обирали матеріал SG2, у другій серії - SG-X2CrNi199. Зварювання виконувалось за два проходи в середовищі аргону неплавким електродом із пульсацією зварювального струму. Середня за довжиною кільцевого шва погонна енергія на кожному проході qп =320 Дж/мм. Розглядались варіанти теплообмінника з одною трубною дошкою та різними типами з'єднань, а також варіант із двома трубними дошками і різною довжиною трубок , що приварюються одночасно з обох торців.

Зварювання йде без попереднього підігріву. Наведені дані демонструють кінетику зростання прогину центра трубної дошки від поступового приварювання трубок першої серії зварного з'єднання типу 1 за одної трубної дошки. Бачимо, що максимальний прогин у кінці приварювання усіх трубок складає 0,47 мм. Слід зазначити, що цей результат достатньо добре сполучається із експериментальними даними для такого варіанту сполучення геометричних розмірів, матеріалів та режимів зварювання.

На маючи можливості більш досконально зупинятися на особливостях для кожного типу зварного з'єднання, зазначимо тільки, що найбільш раціональним із цих позицій є перший тип з'єднання.

У другій серії ці деформації десь на 15% є нижчими аніж для першого типу з'єднань.

Для інших типів з'єднань ця різниця є ще біль значною: 40% для другого і третього типів, на 35% для четвертого типу та на 16% - для п'ятого. Згадане зниження загальних деформацій трубної решітки спонукано тим, що у другій серії явища усадки під час приварювання трубок значною мірою йдуть у аустенітній зоні (трубка і зона проплавлення), де матеріал має більшу податливість, що зумовлює більш низький рівень залишкових напружень і деформацій трубної решітки. Найбільш суттєво це явище є помітним щодо з'єднань типу 2 та 3, коли завдяки обробці кромок трубного отвору значна частина активної зони усадки має аустенітний метал.

Вплив довжини трубок LT на прогини і рівень напружень у трубках у конструкції теплообмінника із двома трубними дошками досліджувався на прикладі з'єднання типу 1 другої серії. Результати довели, що при LT 4 м взаємний вплив трубних дощок незначний, а при LT 1 м помітно зменшуються деформації, але йде зростання напружень у трубках по вісі. Розподіл напружень між трубками тут суттєво залежить від порядку їх зварювання з трубною решіткою.

Максимальні напруження стискання по вісі виникають за цього порядку виконання зварювання у центральних трубках, які заварюються першими. Це є ефективним з позицій зниження деформацій трубної решітки, але спричиняє значне навантаження по вісі у центральних трубках, що може призвести до втрати стійкості. Дійсно, критичне навантаження для ідеально прямої трубки із жорстко закріпленими кінцями є можливим визначити завдяки залежності

, (4)

де - поздовжня жорсткість, = радіус моменту інерції І перерізу трубки, FT - площа перерізу трубки, у нашому випадку RI = 3,88 мм.

Відповідно до залежності кр від LT отримаємо:

Розрахункові данні, отримані в роботі, показали, що при порядку приварювання трубок від центру трубної решітки до крайків при довжині трубок LT = 2000 мм і довше ризик втрати стійкості центральних трубок є досить значним.

Розрахунковий алгоритм і розроблена комп'ютерна програма використані у цій роботі для обрахунку великого теплообмінника із 3900 трубками. Діаметр трубної дошки 1674 мм, товщина - 50 мм, матеріал P235GH по EN (вітчизняний аналог - сталь 16ГФТ). Трубки діаметром 16 мм із товщиною стінки 1,6 мм. Матеріал X2CrNiMoN 22-5-3 (вітчизняний аналог - сталь 08Х22Н5М3). Присадка - SG-x2CrNiMoN 22-9-3 (тобто приблизно 08Х22Н9М3). Зварювання кутовим швом за два проходи, катет шва 0,8 мм. Погонна енергія дугового зварювання у аргоні неплавким електродом qп = 185 Дж/мм для кожного проходу.

Наплавлення великих листів. Наплавлення електродуговим способом великої поверхні тонких стальних листів з метою надання одній з них певних службових властивостей (зносостійкості) при подальшому використанні як заготовки для відповідних деталей обладнання (приміром, лопотів спеціальних вентиляторів), пов'язана з великими технологічними труднощами, зумовленими деформацією заготовки у процесі наплавлення.

Між тим, за відповідного вибору технологічних параметрів наплавлення, а також умов охолодження (приміром, водою із зворотного боку), є можливим у досить широких границях регулювати загальні деформації. Але, за інтенсивного охолодження тонкостінної заготовки помітно змінюється структура у металі ЗТВ, виникає ризик появи холодних тріщин. Пошук компромісного варіанту технології зручно вести засобами математичного моделювання.

Аби отримати загальні деформації при наплавленні заготовки великих розмірів використовується метод функції усадки. Необхідні для цього методу вихідні дані стосовно функції усадки отримано відповідним вирішенням задачі термопластичності для обмежених розмірів заготовки. Одночасно можуть бути вирішені і інші локальні питання, пов'язані із оцінкою зони проплавлення, хімічним складом цієї зони, визначенням мікроструктурного стану зони проплавлення та зони термічного впливу (ЗТВ) тощо.

Далі такий підхід демонструється на прикладі оптимізації умов і режимів технологічного процесу електродугового наплавлення порошковим дротом хромистого чавуну на заготовку плаского листа з розмірами 2000х3000х10 мм зі сталі S690Q. Робота виконувалась у кооперації із фірмою SLV M-V GmbH (ФРН). Для таких заготовок оптимальним вважається наплавлення зносостійкого шару завтовшки приблизно у 3 мм. Із урахуванням поперечних коливань при наплавленні застосовується різноманітне сполучення сили зварювального струму І, напруги на дузі U та швидкості наплавлення v, за яких забезпечується потрібна товщина наплавленого шару.

Розглянемо декілька можливих сполучень I, U, v і величини поперечної амплітуди коливань електроду, що характеризується шириною B і кроком H наплавлення, які забезпечують товщину наплавленого шару у 3 мм (Табл.1). Всі локальні явища, пораховані вище, виключаючи лише загальні деформації заготовки, моделюються на відносно невеликих зразках (аналогічно до експериментального відпрацювання технології), що дозволяє досить ефективно використати чисельні методи аналізу при розумних витратах коштів і часу, тобто з використанням доступних персональних комп'ютерів.

Суттєвий ефект зниження деформацій спостерігається при застосуванні закріплення у зоні наплавлення, тобто притискання цієї ділянки до плити із наступним вивільненням після охолодження. Як бачимо із отриманих даних, для варіанту №3 прогин за такого технологічного прийому є можливим зменшити із 255 мм до 88 мм, тобто майже у три рази.

деформація зварювання термічний правлення

Таблиця 1. Результати розрахунку максимальних величин прогину Uz для різних варіантів режимів наплавлення пластин

Четвертий розділ стосується розробки ефективних розрахункових алгоритмів у рамках розробленого підходу для прогнозування деформацій за термічного правлення сучасних тонкостінних конструкцій багаточисельними локальними нагрівами з метою оптимізації та автоматизації цього технологічного процесу.

Досвід виготовлення зварних тонколистових конструкцій доводить, що місцеві деформації, які часто трапляються, - це жолоблення (бухтиноватість) металу листа, яке утворюється внаслідок втрати стійкості від напружень стискання, спонуканих поздовжньою усадкою зварних швів від приварювання ребер жорсткості. Якщо ця деформація перевищує припустимий рівень, то зазвичай використовують термічне правлення, завдяки якому у металі листа виникають пластичні деформації усадки, які видаляють „зайвий” метал.

Термічне правлення зварних тонколистових конструкцій є можливим розглядати як непродуктивні витрати. Так, на суднобудівних заводах об'єми термічного правлення згідно витрат на кваліфіковану робочу силу складають 10-15% від сумарного об'єму витрат на збирання і зварювання корпусних конструкцій, а у деяких випадках при правленні тонкостінних конструкцій можуть сягати 40-45% і навіть більше.

Досить великими є і об'єми робіт під час правлення конструкцій на вагонобудівних заводах. При виробництві корпусів вагонів деформації бухтиноватості складають приблизно 50% від усього об'єму зварювальних деформацій формозміни, а витрати на термічне правлення можуть сягати 20% від вартості виготовлення корпусу вагона. Є і інші приклади у цьому переліку, які доводять, що термічне правлення займає значний об'єм трудових витрат у виробництві зварних конструкцій. До цього часу ми не маємо даних щодо застосування у промисловості автоматизованого термічного правлення зварних тонкостінних конструкцій. Ефективність термічного правлення залежить від великої кількості параметрів, що є основною проблемою при автоматизації такої технологічної операції.

Одним із шляхів вирішення цієї проблеми є обрання оптимальних параметрів нагріву, кількість і розташування плям нагріву на базі математичного моделювання процесу термічного правлення для кожної конкретної конструкції. Сучасний рівень комп'ютерної техніки та розрахункових методів прогнозування напружено-деформованого стану тонколистових конструкцій дозволяє проводити таке моделювання і визначати оптимальні параметри процесу термічного правлення оперативно, у режимі реального часу. Моделі для процесу термічного правлення є раціональним будувати на базі застосування методів функції усадки. Це дозволить достатньо оперативно визначати об'єми зайвого металу, які потрібно перетворити пластичним деформуванням, та обрати якісні та кількісні параметри нагрівів.

Для вирішення задачі з визначення оптимальних параметрів нагріву було розроблено розрахункові алгоритми для моделювання (напружень та пружнопластичних деформацій) нагріву круглої плями та смуги у листі металу. У моделях прийнято такі припущення - це рівномірна температура по товщині листа і плаский пружний стан або відсутність переміщень із площини. Відповідно для нагріву круглої плями з урахуванням симетрії у площині листа розроблено одновимірну модель, а для нагріву смуги - двовимірна модель.

Моделі додатково мають можливості урахування процесу місцевої втрати стійкості. Тут використовували наближений енергетичний метод, у відповідності до якого ризик втрати стійкості у деякій вільній області є досить високим за умов:

А + В 0, (5)

де А - потенційна енергія вигину, В - робота зварювальних напружень.

Таким чином, розрахункові алгоритми дозволяють прогнозувати кінетику температурних розподілень, пластичних деформацій, напружень і переміщень у площині листа металу. Завдяки послідовному простежуванню розвитку пластичних деформацій під час нагріву і охолодження визначаються сумарні залишкові пластичні деформації усадки у листа металу. Площина залишкових пластичних деформацій у площині металу листа визначається інтегруванням відповідних компонент пластичних деформацій по площині листа:

(6)

Завдяки послідовному уточненню визначаються оптимальні параметри нагріву, за яких є можливим отримати максимальні за величиною залишкові пластичні деформації усадки при відсутності місцевої втрати стійкості листа металу.

Після того, як визначено оптимальні параметри круглої плями нагріву для цього матеріалу і цієї товщини листа металу, треба визначити потрібну кількість таких плям нагріву та їх розташування для цієї конструкції з урахуванням ширини та довжини зони бухтиноватості, кількості хвиль бухтиноватості і максимальної величини бухтиноватості. Для оцінки величини „зайвої” площі F листа, яку потрібно прибрати при термічному правленні у рамках зони бухтиноватості 0 x a, 0 y b,у загальному вигляді використовують формулу:

, (7)

де - Uz - переміщення точок листа у нормальному до поверхні напрямку.

Таким чином, якщо відома величина Fпл.деф. зменшення площини листа металу від одної плями нагріву, то потрібна кількість плям нагріву в першому приближенні пропорційна величині „зайвої” площі листа металу.

При визначенні оптимального розміщення плям нагріву по площині листа металу з бухтиноватістю використовується набір правил, які вибрані з практики термічного правлення, а також були визначені при проведенні чисельних експериментів з правлення.

За допомогою розроблених розрахункових алгоритмів було проведено розрахункове дослідження, спрямоване на підвищення ефективності термічного правлення завдяки оптимізації параметрів нагріву. Величина залишкових пластичних деформацій при термічному правленні залежить від цілої низки параметрів, а саме - форма плями нагріву, потужність джерела і час нагріву, матеріал та товщина листа конструкції, умови охолодження, максимальна величина і розподіл температури нагріву. Для оцінки ефективності термічного правлення (ЕТП) тонколистових конструкцій було обрано величину відношення об'єму залишкових пластичних деформацій усадки в площині листа VПЛ до вкладеної енергії нагріву EН

(8)

Оскільки при термічному правленні деформації бухтиноватості тонкого листа обшивки визначальним є усадка у площині листа, то об'єм залишкових пластичних деформацій усадки буде дорівнювати площині залишкових пластичних деформацій усадки в площині листа FПЛ помноженій на товщину листа h. Відповідно, вкладену енергію нагріву є можливим подати як потужність джерела PН помножену на час нагріву tН

(9)

Результати дослідження дозволили зробити наступні висновки:

· За рахунок скорочення часу нагріву до максимальної температури і збільшення діаметру круглої плями до максимально можливого без виникнення місцевої втрати стійкості листа металу є можливим підвищити ЕТП круглими плямами приблизно у 2 рази порівняно із параметрами нагріву, що зазвичай використовують зараз при газополум'яному нагріві, і наблизитися з ЕТП до термічного правлення довгими смугами.

· Оскільки ЕТП довгими смугами коли рухається джерело нагріву значно вища (у 1,5-2 рази), аніж при використанні розподіленого джерела нагріву, то газополум'яний нагрів, що зараз широко використовується, є цілком ефективним. Підвищити ЕТП при рухливому джерелі нагріву можливо тільки завдяки збільшенню швидкості джерела нагріву, тобто підвищення його потужності, а також завдяки зменшенню ширини смуги нагріву. Якщо ж використовувати розподілене джерело нагріву, то підвищення швидкості нагріву (скорочення часу нагріву смуги до максимальної температури) і зменшення ширини смуги призводить до зниження ефективності термічного правлення. Якщо ж використовувати рухливе джерело, то є можливість нагріти значно довші смуги без загрози локальної втрати стійкості листа металу.

· При нагріві плями з формою кільця завдяки збільшенню зовнішнього діаметру і зменшенню ширини кільця є можливим досягти високих значень ЕТП як за допомогою розподіленого, так і за допомогою рухливого джерела нагріву. Тоді ЕТП нагрівом кільця можна порівняти з ЕТП довгими смугами з використанням рухливого джерела нагріву.

· Якщо обшивка має сферичну форму бухтиноватості, то зручним є здійснювати правлення місцевим нагрівом по спіралі, який характеризується високими значеннями ефективності термічного правлення. ЕТП зростає тоді із підвищенням швидкості джерела нагріву, зменшенням ширини нагріву і збільшенням кроку спіралі.

· Таким чином, завдяки оптимізації параметрів нагріву є можливим суттєво підвищити ЕТП, що пов'язано із значною економією енерго- та працевтрат. Кругла пляма нагріву, кільцевий нагрів, нагрів по спіралі, а також довгі смуги нагріву при використанні рухливого джерела є досить перспективними для підвищення ЕТП із урахуванням їх реалізації за допомогою сучасних більш потужних концентрованих джерел нагріву, приміром, лазерного або плазмового.

· Сформульовані висновки є справедливими за умов достатньо рівномірного прогрівання листа при термічному правленні, тобто за умов незначних кутових деформацій, що виникають внаслідок локального нагріву.

За участі автора було проведено роботи з автоматизації процесу термічного правлення тонколистових зварних конструкцій. За основу було покладено математичне моделювання процесу термічного правлення з метою вибору оптимальних параметрів нагріву, кількості і розташування плям нагріву для кожної конкретної конструкції. Математичне моделювання вирішує дві основні проблеми. По-перше, це визначення оптимальних параметрів нагріву, за яких є можливим отримати максимальні за величиною залишкові пластичні деформації усадки при відсутності місцевої втрати стійкості листа металу. По-друге, це визначення потрібної кількості таких нагрівів та їх розташування для того, аби видалити чи знизити деформації бухтиноватості конструкції у межах допуску. Математичне моделювання процесу термічного правлення виконується оперативно, у режимі реального часу.

Для цієї мети використовували програмне забезпечення, створене на базі розроблених математичних моделей термічного правлення тонкостінних конструкцій з деформаціями бухтиноватості завдяки виконанню локальних нагрівів різної форми (кругла пляма, смуга, кільце, спіраль). Програмне забезпечення було адаптоване для роботи під контролем оператора у автоматичному режимі обміну інформацією із системою контролю деформацій і керування джерелом нагріву.