Компьютерное проектирование и подготовка производства сварных конструкций

Расчетная система для выбора условий сварки низколегированных сталей в СОг

Качественное формирование шва всегда является необходимым усло­вием обеспечения надежной работоспособности сварной конструкции. Для получения качественного сварного соединения низколегированных конструк­ционных сталей необходимо главным образом обеспечить хорошее форми­рование шва, заданные уровни механических свойств и не допустить образо­вания холодных трещин. Задача выбора режима сварки и электродной прово­локи, обеспечивающих получение требуемого комплекса свойств сварного соединения, особенно высокопрочных сталей, не всегда имеет очевидное и однозначное решение. Кроме того, точность и достоверность рекомендаций часто зависят от квалификации и опыта сварщика-технолога.

Предлагаемая расчетная схема облегчает пользователю решение ука­занной задачи, дает возможность сравнивать различные варианты и выби­рать параметры технологии сварки, близкие к оптимальным.

Выбор технологии сварки должен прежде всего основываться на по­лучении сварных швов заданной формы и размеров. При выполнении этого условия можно осуществлять оптимизацию технологии и по другим критериям. Для решения задач оптимизации необходимы расчетные мо­дели, описывающие зависимости свойств сварных соединений от ос­новных технологических факторов. Сварочные процессы отличаются сложностью и многообразием физико-химических явлений, что препят­ствуют созданию адекватных моделей на основе лишь имеющихся фи­зических представлений.

Площадь и размеры зоны проплавления зависят главным образом от теплового и механического воздействия дуги на металл. Известно, что на основе теории распространения теплоты можно относительно точно рассчи­тать длину ванны, а также площадь проплавления. Рассчитать ширину и глубину проплавления с достаточной точностью удается лишь в некоторых отдельных случаях. Следует отметить, что возможности теоретического расчета ограничиваются принятыми упрощениями характера распределения источников теплоты, сложностью учета зависимости теплофизических свойств металла от температуры, недостаточной изученностью процессов теплопередачи в жидкой ванне и взаимодействия дуги с плавящимся метал­лом. Все это вызывает серьезные трудности при решении задачи формиро­вания шва теоретическим путем.

Еще более значительные трудности возникают при попытке построе­ния зависимостей механических свойств сварных соединений от состава ме­талла и основных технологических параметров сварки на основе имеющих­ся физических представлений.

В настоящее время для описания зависимостей свойств сварных соеди­нений от основных технологических факторов целесообразно использовать регрессионные модели, которые достаточно хорошо отражают основные коли­чественные соотношения и метут быть получены на основе обработки экспе­риментальных данных. Однако необходимо учитывать, что эти модели имеют локальный характер и их можно использовать лишь в той области факторного пространства, в которой проводились экспериментальные исследования.

Предлагаемая система предназначена для выбора режима сварки в СО2, оценки механических свойств зоны термического влияния и металла шва, с использованием регрессионных моделей.

Система создавалась для выбора технологических параметров автома­тизированной сварки в СОг, однако она может оказаться полезной и при других способах сварки плавлением.

Расчетная система состоит из двух связанных между собой подсис­тем, предназначенных для:

• выбора режима сварки из условия получения требуемых размеров шва;

• оценки механических свойств зоны термического влияния и ме­талла шва.

Структурная схема расчетной системы и информационные связи в ней представлены на рис. 4.5.

Первая подсистема предназначена для выбора режима однопроходной сварки из условия получения требуемых размеров шва стыковых и угловых соединений. Свариваемый материал — листы углеродистых и низколегиро­ванных (в том числе высокопрочных) сталей без разделки кромок толщиной

3.. .12 мм для стыковых и 3...20 мм для угловых соединений. Угловые соеди­нения могут свариваться в горизонтальном и наклонном положениях. В по­следнем случае сварка производится «в лодочку» на спуск, угол наклона может изменяться от 30 до 90°.

Подсистема содержит две группы моделей. Первая используется для оценки режима однопроходной сварки, исходя из заданных технологиче­ских условий: вида соединения, толщины металла, зазора, диаметра элек­тродной проволоки. Расчетные режимы сварки обеспечиваю! приемлемое формирование шва. Вторая группа моделей служит для оценки размеров швов в зависимости от технологических условий и режима сварки. Эти мо­дели применяются, в частности, при выборе пользователем других режимов сварки, отличных от расчетных.

Модели построены на основе обработки экспериментальных данных, полученных при сварке образцов роботом, который с достаточной степенью точности и стабильностью выдерживал заданные параметры технологиче­ского процесса. Теплофизические характеристики низколегированных ста­лей практически не зависят от их состава. Это дает возможность использо­вать полученные модели для любых марок низколегированных сталей.

Для оценки механических свойств металла шва и зоны термического влияния (вторая подсистема) используются расчетные модели зависимостей «состав — свойства», также построенные на основе обработки эксперимен­тальных данных.

Основными фазовыми компонентами, оказывающими наибольшее влияние на механические свойства зоны термического влияния, являются мартенсит (М), бейнит (Б) и суммарное количество феррита и перлита (ФП). В системе используются следующие модели для оценки доли фазовых ком­понентов в структуре зоны термического влияния, полученные на основе анализа более 100 термокинетических диаграмм распада аустенита низколе­гированных сталей:

М(0 = [1 - F ((In t - In? м)/1п 5м)],

ФП(0 = F[(ln t - In? фп)/1п 5ФП],

Б(0= 1-М(0-ФП(0,

где t — длительность, с, охлаждения от 850 до 500 °С; F — интегральная функция нормального распределения; tu и Ада — длительность охлаждения, при которых образуются соответственно 50 % мартенсита или ферритно - перлитной структуры; 5М и 5фП — константы, характеризующие крутизну кривых изменения содержания мартенсита или ферритно-перлитной струк­туры при увеличении длительности t.

Для низколегированных сталей, содержащих С < 0,3 %, Мп < 2 %, Si < 0,8 %, Сг < 2 %, Mo < 1 %, Ni < 2 %, V < 0,3 % параметры? м, 5М, Ада и 5ФП можно оценить следующим образом:

In tu = -2,1 + 15,5С + 0,96Mn + 0,84Si 4 0,65Сг +

+ 0,5 5Ni + 0,30V - 13,5С2 - 0,55Si2,

R = 0,95, S0 = 0,70;

In 5M = 0,56 - 0,41C + ОДОМп + 0,14Cr - 0,30Mo + 1,7C • Mo,

R = 0,70, S0 = 0,32;

In ґфП = 0,34 + 5,2C + l,8Mn + 0,53Si + 0,33Cr + 2,9Mo + 0,86Ni - -6,0C - V-5,lC2 + 0,50Si2,

R = 0,83, S0 = 0,96;

In 5ФП = 0,91 - 0,90C + 0,09Mn + 0,08Cr + 0,34Mo + 0,15Ni + 0,85 V,

R = 0,61, S0 = 0,43,

где R и S0 — соответственно величины множественной корреляции и оста­точного отклонения.

Твердость и показатели прочности зоны термического влияния в зави­симости от фазового состава металла можно оценить с помощью следующих регрессионных моделей:

HV = (310 + 494С + 620С2 + 18Mn) М + (234 + 122С)Б +

+ (98 + 275С + 15Мп)ФП,

R = 0,95, S0 = 15;

св = (800 + 1 ІООлІС ) М + (590 + 960С + 40 Mn + 200У)Б +

+ (300 + 1360С + 60Мп + 140У)ФП,

R = 0,91, SG = 140; do,2 = (660 + 1250С ) М + (500 + 460С - 120С2 + 150У)Б +

+ (190 + 926С + 47Мп + 90У)ФП,

R = 0,90, 50= 100;

6 = (12,2 - 67С - 1,5Мп + 0,761п ОМ + (21,3 - 35,6С - 4,0Мп - 5,0У +

+ 1,81л ОБ + (36,5 - 127С + 153 С2 - l,2Mn - 8,0V + 0,661п ОФП,

/г = 0,91,5с = 3,4;

у = (48,5-158С + 116С2+ 1,01пОМ + (53,3- 132С + 103С2-5,1Мп-

- 10V + 3,41п О Б + (65,4 - 88С - 82С2 - 6,7Mn + 18V + 0,61п () ФП,

R = 0,86, S0 = 7,0,

где М, Б, ФП — доли мартенсита, бейнита и феррита + перлита в структуре металла.

Для оценки механических свойств низколегированного металла шва в относительно узком диапазоне значений длительности охлаждения от 850 до 500 °С (10...40 с) можно использовать следующие регрессионные моде­ли, описывающие зависимость свойств от химического состава:

ов = 350 + 1720С + 171МП - 23,6Si + 202Cr + 147Мо + 97Ni + 426V +

+ 170С • Mn + 1330С ■ Si + 870С ■ Cr - 160C - Mo + 3 IOC • Ni -

- 694C • V - 23,5Mn • Ni + 64,5Si • Cr - 43Cr • Mo - 25,5Cr ■ V -

- 20,7Mo • Ni - 50,7Mo • V + 16,lNi ■ V + 86C2 - 17Mn2 - 500* -

- 4,5Mo2 + 5,4Ni2 - 255V2 - (23,0 + 290C + 3Mn + 2,5Si + 14Cr -

- 13Mo + 10,8Ni + 13V )ln t,

R = 0,98, S0 = 68;

a0,2 = 290,0 + 1660C + 164Mn + 17,4Si + 103Cr + 190Mo + 92Ni + 324V - - 32,3C • Mn + 712C • Si + 291C • Ni + 470C • V - 24,lMn • Ni +

+ 65,1 Si • Cr - 64,2Si - Ni + 201 Si • V - 24Mo ■ Ni - 59,2Mo • V +

+ 15,3Ni • V - 161C2 - 31,3Mn2 - 15Mo2 - 4,5Ni2 - 275V2 - (27,5 +

+ 350C + 4,lMn + 4,3Cr + 3,4Mo + 2,2Ni + 6,6V )ln t,

R = 0,98, S0 = 64;

6 = 37 - 103C - 3,94Mn + l,61Si - 8,59Cr - 9,0Mo - 20,6V + 9,2C • Mn +

+ 11C • Cr + 20C • Mo - l, lMn • Si + 1,64Mn • Mo + 0,557Cr • Ni -

- 18(S + P) + 0,826Mo • Ni + 3,8Mo - V + 78C2 + 0,27Ci^ + 0,686Mo2 +

+ 2,12V2 + ( 8,4C + 0,905Cr - 0,596Ni + 4,9V )ln t,

R — 0,85, S0 = 1,8;

8 - 6705

v|/ = 86 - 213 + 2,86Мп + 10,5 Si - 11,9Сг - 11,4Мо - 52,2V - 23(S + Р) +

+ 4,45С • Сг - 1,38Мп • Мо-0,592Мп • Ni - 2,76Мп • V - l,52Ni • V +

+ 110С2 + 0,3ІСг2 + 4,IV2 + (-2,83 + 18,8С - l,76Mn-4,36Si + l,76Cr +

+ 3,9Мо + 0,54Ni + 18V )ln t,

R = 0,83, S0 = 3,5;

In [KCV(7)] = 0,28 + l,56Mn - l,57Si - 0,877Cr - l,98Mo- 7,25P -

- 0,196Mn - Ni + 0,25Ni • V - 11,5C2 + 0,05 lMn2 - 0,22Mo2 +

+ 0,141Ni2 + 0,533V2 + (0,386 - 0,7C - 0,5 l4Mn + 0,415Si + 0,217Cr +

+ 0,703Mo - 0,12Ni + 0,715V - 8,IN - 3,440 )ln t + (0,0183 - 0,043C -

- 0,0018Mn - 0,002Mo - 0,0025Ni - 0,0068V)7’+ 0,0039Г In t,

R = 0,74, S0 = 0,69,

где KCV — ударная вязкость в диапазоне температур Тот -30 до -70 °С.

При расчете состава металла шва учитывается доля основного металла, которую можно оценить, исходя из размеров шва и разделки кромок.

Работа с компьютерной системой. На первом шаге пользователь вы­бирает вид соединения, затем система требует ввода информации об исход­ных технологических условиях. Для стыковых соединений вводятся толщина основного металла, ширина зазора и диаметр электродной проволоки, а для угловых — еще толщина шва и угол наклона, если сварка осуществляется в наклонном положении. При вводе этой информации система задает ограниче­ния на вводимые технологические факторы. Эти ограничения могут быть свя­заны с областью действия используемых моделей, где они обеспечивают дос­таточную точность, а также с допусками на ширину зазоров при сборке со­единения под сварку и с рядом других технологических требований. Например, приемлемый диапазон значений ширины зазора и длины катета определяется главным образом толщиной основного металла, максимально допустимый диаметр электродной проволоки зависит от длины катета и т. д.

После ввода данных об исходных технологических условиях система рассчитывает режим сварки (сварочный ток, напряжение на дуге, скорость сварки, скорость подачи проволоки) и ожидаемые размеры шва: глубину проплавления, ширину и толщину шва, площадь сечения наплавленного ме­талла, а также потери на разбрызгивание. Кроме того, система оценивает удельные расходы электродной проволоки и защитного газа (С02).

Естественно, что требования к размерам шва могут быть различными в зависимости от назначения сварной конструкции. Поэтому система дает возможность пользователю изменять режим сварки, если ожидаемые разме­ры шва или рекомендуемый режим сварки не удовлетворяют его. Для ново­го режима система опять оценивает ожидаемые размеры шва и дает реко­мендации по приемлемому диапазону значений размеров шва. Для облегче­ния подбора подходящего режима сварки предусмотрен вывод на экран схематического изображения сечения шва.

Система ограничивает пользователя при задании режима сварки. В ча­стности, не допускаются режимы, приводящие к плохому формированию шва (например, при очень низких значениях погонной энергии) и прожогу. При сварке угловых швов в наклонном положении для исключения стекания ванны жидкого металла ограничивается ее объем.

При оценке воспроизводимости размеров шва необходимо учитывать, что тепловая мощность дуги не дает достаточно полного представления о ее технологических возможностях. В частности, изменение формы кривой тока (например, при замене источника питания) может оказать существенное влияние на глубину проплавления и разбрызгивание электродного металла.

После выбора режима сварки система переходит к решению следую­щей задачи — оценке механических свойств металла зоны термического влияния (твердость, временное сопротивление, предел текучести, относи­тельное удлинение и сужение) и металла шва (временное сопротивление, предел текучести, относительное удлинение и сужение, ударная вязкость образцов Шарпи при отрицательных температурах). Кроме того, оценивает­ся фазовый состав зоны термического влияния. Эти оценки рассчитываются исходя из химического состава металла и скорости охлаждения в интервале температур фазовых превращений.

Химические составы основного металла и электродной проволоки пользователь может вводить поэлементно или использовать имеющийся в системе каталог и информацию о марках и средних составах сталей и про­волок. Если ожидаемые значения механических свойств не удовлетворяют пользователя, он может изменить марку электродной проволоки и в опреде­ленных пределах режим сварки, после чего получить новые расчетные оценки свойств. Ниже приведены типовые результаты расчетов.

Исходные технологические условия:

TOC o "1-5" h z толщина металла, мм............................ 10,0

диаметр электродной проводки, мм..... 1,2

зазор в соединении, мм.......................... 2,0

Расчетные значения параметров режима сварки:

сварочный ток, А.................................... 251

напряжение на дуге, В........................... 25,3

скорость сварки, м/ч............................... 21,6

расчетная скорость подачи проволоки, м/ч 441

Ожидаемые размеры шва:

глубина проплавления, мм.................... 7,5

ширина шва, мм...................................... 7,8

коэффициент формы усиления шва....... 0,29

потери на разбрызгивание, %.................................... 6

площадь сечения наплавленного металла, мм2 .... 21,8

расход электродной проволоки, кг/м..................... 0,21

расход защитного газа, л/м........................................ 50 (или 18,1 л/мин)

марка свариваемой стали.............................................. 09Г2С

марка сварочного электрода..................................... Св-08Г2С

Ориентировочный фазовый состав зоны термического влияния:

TOC o "1-5" h z мартенсит, %................................................................... 6

бейнит, %......................................................................... 93

феррит + перлит, % ...................................................... 1

Механические свойства зоны термического влияния:

временное сопротивление, МПа............................... 721

предел текучести, МПа................................................ 538

относительное удлинение, % .................................... 17

относительное сужение, % ........................................ 45

твердость, HV................................................................. 247

Механические свойства металла шва:

временное сопротивление, МПа............................... 659

предел текучести, МПа................................................ 475

относительное удлинение, %..................................... 27

относительное сужение, %......................................... 55

ударная вязкость, МДж/м2:

при Т= 20 °С....................................................... 1,33

при 7’=-20 °С...................................................... 0,85

при Т~ --40 °С..................................................... 0,55

По желанию пользователя на экран можно вывести графики зависимо­стей фазового состава (содержания мартенсита, бейнита и ферритно-перлитной структуры) и механических свойств зоны термического влияния от длительно­сти t охлаждения от 850 до 500 °С (интервал температур фазовых превращений в низколегированных сталях). Величина t, соответствующая выбранному ре­жиму, на графиках указывается вертикальной стрелкой. Эти графики аналогич­ны термокинетическим диаграммам распада аустенита, которые широко ис­пользуются для описания свойств зоны термического влияния.

В процессе работы система дает возможность пользователю из любой точки программы вернуться к любому предыдущему шагу расчета, скоррек­тировать соответствующие данные и продолжить анализ. Это позволяет вы­бирать приемлемые параметры технологии сварки для получения желаемого комплекса свойств сварного соединения.