Компьютерное проектирование и подготовка производства сварных конструкций

Инженерный программный комплекс «Свариваемость легированных сталей»

Инженерный программный комплекс «Свариваемость легированных сталей» предназначен для оперативного анализа технологических вариантов сварки типовых стыковых соединений жесткозакрепленных элементов из легированных сталей (см. рис. 4.1), а также для подбора значений конструк­тивно-технологических параметров, обеспечивающих стойкость сварного соединения против образования холодных трещин. Комплекс реализован на основе алгоритма, приведенного на рис. 4.2, и является плодом многолетней работы коллектива лаборатории «Свариваемость материалов» МГТУ им.

Н. Э. Баумана.

В программном комплексе реализовано имитационное моделирование физических процессов, протекающих в металле при сварке, на базе фунда­ментальных законов термодинамики, металлофизики, механики с использо­ванием статистических моделей и концептуальной модели образования хо­лодных трещин, предтоженной профессором Э. Л. Макаровым и основанной на учете соотношений действительных и критических значений трех основ­ных факторов:

структурного — соотношения структурных составляющих, содержа­ния в них углерода, размера аустенитного зерна;

водородного — концентрации диффузионно-подвижного водорода;

силового —-уровня сварочных напряжений 1-го рода.

Инженерный программный комплекс «Свариваемость легированных сталей» позволяет определить:

• основные параметры сварочного термического цикла в анализируе­мых точках околошовной зоны при одно - и многопроходной сварке;

• соотношение структурных составляющих и размер действительного аустенитного зерна околошовной зоны и шва;

• комплекс механических свойств зоны термического влияния и шва;

• концентрацию диффузионного водорода в околошовной зоне;

• уровень остаточных сварочных напряжений от поперечной усадки шва;

• сопротивляемость стали замедленному разрушению (образованию холодных трещин) в околошовной зоне и в шве сварного соединения;

• вероятность и ожидаемое время образования холодных трещин в околошовной зоне и шве;

• стойкость сварных соединений против образования холодных тре­щин в околошовной зоне и шве;

• необходимое время выдержки сварного изделия после сварки перед проведением контроля на наличие трещин.

На основе полученных оценок можно установить значения конструк­тивно-технологических параметров, обеспечивающих стойкость соеди­нений против образования холодных трещин:

• рациональный диапазон значений погонной энергии;

• требуемой температуры предварительного или сопутствующего по­догрева;

• допустимого исходного содержания диффузионного водорода в ме­талле шва;

• допустимого времени перерывов между проходами при многопро­ходной сварке;

• рациональной длительности и температуры послесварочного нагре­ва, а также допустимого времени перерыва между окончанием процесса сварки и началом послесварочного нагрева;

• рационального сочетания времени подогрева и послесварочного на­грева с учетом времени возможного образования холодных трещин;

• допустимой «жесткости» сварного соединения.

Инженерный программный комплекс «Свариваемость легированных сталей» предусматривает два варианта расчетов: исследовательский и тех­нологический.

Исследовательский вариант выполняется для однопроходной сварки применительно к стандартным условиям технологической пробы с перемен­ной жесткостью (ГОСТ 26388—84). Возможна организация цикла расчетов по изменению одного из конструктивно-технологических параметров — по­гонной энергии, температуры подогрева, времени послесварочного нагрева, исходной концентрации диффузионного водорода в шве, геометрии соеди­нения. В данном случае определяются показатели свариваемости в самых неблагоприятных условиях сварки (как это принято во всех зарубежных стандартах). Организация цикла расчетов позволяет определять диапазоны значений конструктивно-технологических параметров, гарантирующих стойкость сварных соединений против холодных трещин в указанных усло­виях сварки.

Технологический вариант выполняется для однопроходной или мно­гослойной сварки при однократном задании исходных данных. При опреде­лении требуемых технологических параметров имеется возможность ис­пользовать эффект «автоподогрева», изменяя режим сварки 1, 2, 3-го и по­следующих валиков, их длину или время между укладкой валиков (т. е. высоту валиков и межслойную температуру). При необходимости дополни­тельно подбирают минимальную температуру подогрева (с учетом результа­тов ее расчета в исследовательском варианте).

Эффективные вычислительные алгоритмы позволяют проводить опе­ративный анализ технологических вариантов. Так, анализ варианта с уклад­кой 40 валиков на компьютере С-700 требует 5...6 мин. Использование ав­томатизированной системы позволяет значительно сократить трудоемкость проектирования технологии сварки и подойти к решению задач оптимиза­ции технологических параметров процесса.

Расчет показателей свариваемости возможен для сталей, имеющих следующие пределы содержания легирующих элементов (%):

Реакция стали на термодеформационный цикл сварки зависит от ее исходного состояния (предварительной термообработки). Инженерный про­граммный комплекс «Свариваемость легированных сталей» обеспечивает расчет показателей свариваемости для сталей, имеющих следующие исход­ные состояния:

горячий прокат; нормализация;

отжиг на пластинчатый перлит;

отжиг на зернистый перлит;

закалка + низкий отпуск;

закалка + высокий отпуск (на сорбит);

закалка + высокий отпуск (на мелкозернистый перлит).

Пределы содержания легирующих элементов в сварочных материалах (ферритно-перлитного типа) аналогичны таковым пределам для основного металла. Для ручной сварки покрытым электродом необходимо задать хи­мический состав наплавляемого металла; в остальных случаях — состав сварочной проволоки.

Программный комплекс реализован в виде пакета взаимосвязанных программных модулей.

1. Диспетчерский модуль (WELDAB. EXE). Организует взаимодейст­вие и обмен данными между всеми остальными модулями.

2. Модуль (WELDPR. EXE) предоставляет заставку и первичную спра­вочную информацию о возможностях комплекса «Свариваемость легиро­ванных сталей».

3. Модуль ввода и корректировки исходных данных для расчета пока­зателей свариваемости (INPUT. EXE).

4. Модуль построения компьютерной модели типовой диаграммы ани - зотермического распада аустенита для выбранной стали (ARA. EXE).

5. Модуль расчета параметров физико-металлургических процессов, показателей свариваемости и рекомендуемых конструктивно­технологических параметров процесса сварки (ANALYSE. EXE).

6. Модули просмотра и распечатки результатов расчетов технологиче­ского (MLTPASSR. EXE) и исследовательского (ONEPASSR. EXE) вариантов.

Кроме того, программный комплекс использует следующие файлы:

WELDPR. HLP — файл, содержащий первичную справочную инфор­мацию о возможностях инженерного программного комплекса «Сваривае­мость легированных сталей»; используется модулем WELDPR. EXE;

WELDPRM. CFG — файл конфигурации для INPUT. EXE;

MAINWELD. DSK — рабочий файл параметров для INPUT. EXE (ав­томатически создается при работе комплекса);

VARIABLE. TBL — файл диапазонов переменных для INPUT. EXE;

SYS8X16.FON, SYS8X14.FON, SYS8X8.FON,

SVGA. FNT, EXOTIC. FNT — загружаемые шрифты;

ONEPASS. HLP — help-файл для ONEPASSR. EXE;

MLTPASS. HLP — help-файл для MLTPASSR. EXE;

INPUTHLP. HLP — help-файл для INPUT. EXE;

BASE. OKN — используется модулем INPUT. EXE;

VGWELDAB. PCX — используется модулем WELDPR. EXE;

INPUT. PRM — файл параметров для INPUT. EXE;

RESULT. PRM — файл параметров для ONEPASSR. EXE;

RESULTM. PRM — файл параметров для MLTPASSR. EXE.

Исходные данные для расчета включают в себя:

• химический состав и исходное состояние основного металла;

• теплофизические и механические свойства основного металла;

• концентрацию остаточного водорода в основном металле (опреде­ленную методом «вакуум-плавления»);

• химический состав сварочных материалов (проволоки, флюса) или наплавленного электродного металла;

• геометрические параметры сварного соединения;

• параметры технологии сварки:

способ сварки;

диаметр электрода (проволоки); параметры режима сварки; схема заполнения разделки;

исходная концентрация диффузионного водорода в шве (определенная хроматографическим методом);

параметры режима подогрева; параметры режима послесварочного нагрева;

данные металлографического исследования структуры стали для двух специально выбранных сварочных термических циклов (для выпол­нения уточненного расчета с учетом металлургической природы иссле­дуемой стали).

Результатами анализа технологического варианта являются:

• химический состав металла шва;

• размеры и площадь сечения сварного шва;

• параметры расхода сварочных материалов (коэффициент наплавки);

• размеры зоны термического влияния и координаты точек околошов­ной зоны, в которых наиболее вероятно образование холодных трещин;

• параметры термического цикла многослойной сварки для каждой опасной точки околошовной зоны и шва (корень и поверхность каждого ва­лика):

максимальные и минимальные температуры, достигнутые за время каждого теплового воздействия (укладки очередного валика или послесва­рочного нагрева);

время пребывания металла выше 1000 °С (в интервале температур ин­тенсивной гомогенизации аустенита и роста зерна) во время каждого теп­лового воздействия;

время охлаждения от 800 до 500 °С в околошовной зоне; скорость охлаждения околошовной зоны в интервале температур

600.. .500 °С во время каждого теплового воздействия; время пребывания металла выше 200 °С;

• параметры трещинообразования для околошовной зоны и шва: соотношение структурных составляющих;

условный средний диаметр действительного аустенитного зерна; значения сварочных и критических (вызывающих образование холод­ных трещин) напряжений;

распределение максимальной концентрации диффузионного водорода в околошовной зоне и допустимая концентрация исходного водорода в шве; вероятность образования холодных трещин;

ожидаемый момент появления холодных трещин (если они воз­можны);

• механические характеристики металла шва и зоны термического влияния:

условный предел текучести; предел прочности; твердость HV; относительное удлинение; относительное сужение; ударная вязкость KCU.

Результаты анализа технологического варианта могут быть представ­лены в виде таблиц или графиков.