Компьютерное моделирование в SYSWELD для анализа деформаций сварных конструкций

Сварка тонколистовых деталей из высокопрочной стали мартенситно-бейнитного класса (полотнищ, балок, обечаек) сопровождается изменением геометрии сборки после сварки. Это связано с потерей устойчивости конструкции ввиду малой толщины деталей и возникающих напряжений в сварных соединениях, вследствие теплового нагружения деталей сварочной дугой и структурных превращений, сопровождаемые изменением объема получаемой структуры. Распространенными методами по снижению деформации являются: использование сварочного приспособления, при котором обеспечивается максимальная жесткость фиксации элементов конструкции.

Это решение приводит к повышению остаточных напряжений в сварном соединении. При достижении их критического значения образуются трещины. Целью работы является снижение уровня остаточных сварочных деформаций без существенного повышения остаточных напряжений. Для достижения этой цели разработана схема адаптивных прижимов, которые меняют свою жесткость в зависимости от напряжений в сварном соединении. Чтобы реализовать эту схему, была выполнена оценка развития напряженно-деформированного состояние (НДС) во времени путем конечно-элементного анализа применительно к обечайке, являющейся характерной тонколистовой деталью. Рассмотрим влияние адаптивных прижимов на НДС обечайки.

При моделировании процесса сварки выполнен поиск усилия адаптивного прижима, при котором после сварки уровень деформации поверхности детали в рассматриваемом сечении будет наименьшим, при этом значение остаточных напряжений повысится незначительно, чтобы не увеличить вероятность образования трещин.

В работе изучена обечайка из высокопрочной стали 30ХГСА (аналог 14331), в которой выполняется продольный шов аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом согласно рисунку 1.

Рис. 1. Эскиз изделия

Рис. 1. Эскиз изделия

Расчет был проведен применительно к стыковому соединению пластин размерами 100х100х3 мм, что дает результаты, аналогичные обечайке при условии D/d>20, рисунок 2. Принята схема нагрева как линейный подвижный источник тепла. Заданы граничные условия 3 рода в виде теплового взаимодействия с окружающим воздухом температурой в 20 0С, при отсутствии движения воздуха.

Sysweld._Рис._2._Эскиз_исследуемой_модели

Рис. 2. Эскиз исследуемой модели

Расчеты проведены в программном комплексе SYSWELD. Для решения тепловой и механической задачи были использованы объемные элементы призматической формы, суммарно образующие расчетную сетку согласно рисунку 3. В области шва и зоны термического влияния (ЗТВ) расчетная сетка была сгущена в 10 раз по отношению к остальным участкам ввиду значительных тепловых и механических градиентов поля.

Sysweld._Рис._3._Сетка_для_решения_тепловой_и_механической_задачи

Рис. 3. Сетка для решения тепловой и механической задачи

Программная реализация прижима показана на рисунке 4. Во время сварки детали будут стремиться к угловой деформации, это перемещение ограничивает прижим. Для упрощения в модели физический прижим исключен путем повышения жесткости деталей в участках фиксации и введением условной силы трения вдоль поверхности деталей. При расширении (нагрев детали) она действует в направлении к шву, при сжатии (остывание детали) – в противоположном. 

Рис. 4. Адаптивный прижим

Рис. 4. Адаптивный прижим

Схема нагружения включает в себя усилия от тепловой нагрузки, возникающей из-за неравномерного нагрева по сечению шва и места закрепления заменены четырьмя плоскими участками действия прижима P = 0 – 5000 Н, в которых повышена жесткость согласно усилию прижима. Усилие в 0 Н соответствует свободным перемещениям, а 5000 Н соответствует отсутствию перемещения при наличии усилия от теплового расширения. На участках действия прижима с лицевой и обратной стороны пластины действует сила трения, которая зависит от силы реакции опоры (N) и коэффициента трения (m). Сила трения определена по формуле 

Поскольку вес конструкции ничтожно мал по сравнению с усилием сжатия, им можно пренебречь, N=P. Вводимые значения Р и Fтр приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Принимаемые значения Р и Fтр

Сталь 30ХГСА является типичным представителем мартенситно-бейнитного класса. В ней при сварке протекает мартенситное превращение, которое сопровождается увеличением объема металла примерно на 3%, что существенно изменяет кинетику деформаций и напряжений. Структурные изменения были формализованы в модели изменением объема металла шва. На основании термокинетической диаграммы стали 30ХГСА, соответствующей сварочному термическому циклу для различных погонных энергий сварки, были приняты количества структурных составляющих (аустенит, бейнит, мартенсит) для различных температур при охлаждении сварного соединения. Эти данные были введены в расчетный модуль в программном комплексе SYSWELD при анализе НДС.

На основании проделанной работы выполнена экспериментальная проверка влияния жесткости прижима на напряженно-деформированное состояние пластин, при погонной энергии сварки в 500 Дж/мм, которой соответствуют параметры сварки Iсв=120 А,     Uд=11,9 В, Vсв = 2 мм/с. Сварка выполнена в автоматическом режиме на сварочной колонне серии MBL 2.0x2.0 с источником питания Lorch V40 AC/DC при точности в 5 %. Сварка произведена для трех образцов. Проверены три случая: сварка в свободном состоянии, с изменяющейся жесткостью прижима и в сварочной оснастке, обеспечивающая жесткое закрепление пластин во время сварки. Для обеспечения равных условий охлаждения всех образцов во время эксперимента под пластины и прижимы было уложено асбестовое полотно.

Грузы в 20 кг, установленные на каждой пластине, имитировали прижимы, обеспечивающие постоянство давление на деталь. Для оценки уровня остаточных напряжений выбраны испытания на статический изгиб и растяжение согласно ГОСТ 6996-66.

В результате решения термомеханической задачи были определены максимальные напряжения и деформации в зависимости от заданного усилия, приведенные на рисунке 5. При анализе данных выявлено, что существует такое критическое значение усилия Ркр, при котором область максимальных деформации меняет свою локализацию. По графикам рисунка 5 видно, что наименьшие деформации наблюдаются при усилии 600 Н, остаточные деформации снизились на 45%, по сравнению со случаем сварки в свободном состоянии, а напряжения повысились всего на 3%. 

Рис. 5. Изменение максимальных остаточные напряжений и деформаций в зависимости от Р

Рис. 5. Изменение максимальных остаточные напряжений и деформаций в зависимости от Р

Механические испытания показали, что при сварке в свободном состоянии прочность и пластичность сварного соединения увеличены в сравнении с жестким закреплением. Предположительно, связано это с благоприятным условием кристаллизации металла шва. Прочность сварного соединения на растяжение с применением прижима увеличена на 67%, угол изгиба – на 20%, в сравнение с жестким закреплением.

Рентгенографический контроль показал отсутствие трещин в сварных соединениях, т.е. уровень напряжений не достиг предела прочности ни в одном случае. Деформации при сварке в свободном состоянии составили 0,55 мм, с применением прижима – 0,45 мм, при жестком закреплении – 0,4 мм. Расхождение расчетных и экспериментальных данных не превысило 11%.

На основании проделанной работы предложено оснащение прижимами сварочных приспособлений с изменяемой жесткостью согласно рисунку 4. 

Прижимы с изменяемой жесткостью в сварочной оснастке обеспечивают согласование по обратным связям упругости прижимов и уровня напряжений в сварном соединении в интервале значений, близких пределу прочности. Это позволяет уменьшить воздействие на свариваемую деталь во время сварки, что эффективно снижает уровень деформации и вероятность образования горячих трещин. Если деталь из-за теплового расширения начинает противодействовать прижиму с усилием, большим заданного, прижим обеспечивает некоторый ход для деформации изделия. Это позволит релаксировать напряжения в сварных соединениях и околошовной зоне, а также ограничить деформации детали во время сварки. Например, обратные связи могут быть реализованы в пневматическом прижиме установкой обратного клапана. Это позволяет снизить давление воздуха в гильзе, уменьшая усилие на деталь при сварке. Деталь деформируется, релаксируя остаточные напряжения. А при исчезновении упругих деформаций в гильзе пневматического прижима повышается давление выравниваясь с подающей системой. Такая схема обеспечивает воздействие на деталь с определенной силой, которая не изменяется с течением времени.

Полученные результаты можно применять как при расчете НДС двух пластин при выполнении стыкового шва, так и при сваркt продольного соединения обечайки.

Разработана модель деформации тонколистовой конструкции из высокопрочной стали при сварке путем компьютерных расчетов в SYSWELD.

Расхождения между расчетами и экспериментальными данными не превысили 11%.

Экспериментальная проверка влияния адаптивного прижима на НДС пластин показала схожее значение деформации, а отсутствие трещин на рентгеновских снимках указывает на то что остаточные напряжения в пластинах ниже предела прочности.

По результатам расчетов выявлено снижение деформации пластин на 45% при применении прижима с изменяемой жесткостью, при этом незначительно увеличилась величина остаточных напряжений составившие 3%. Предположено, что вероятность трещинообразования останется на прежнем уровне.

Согласно полученным данным можно судить об уровне остаточных напряжений и деформации как при сварке стыкового шва пластин, так и при сварке продольного шва обечайки. Адаптивный прижим можно реализовать в пневматических, гидравлических, а также в механических сварочных приспособлениях.

Авторы: Георгий Биленко, технический специалист «ПЛМ Инжиниринг» (ГК «ПЛМ Урал»), Хайбрахманов Радик Ульфатович, ассистент УрФУ имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, Коробов Юрий Станиславович, заведующий лабораторией института физики металлов М.Н. Михеева УрО РАН.