5.2.1.2. ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СОБСТВЕННЫХ ОСН В ТИПОВЫХ СВАРНЫХ УЗЛАХ

На основании изложенной пространственно-временной схематизации процесса сварки были решены термодеформационные задачи по определению ОСН, в типовых узлах, образованных стыковым (рис. ), тавровым соединением (рис. ) и соединением подкрепления отверстия (штуцерным соединением) (рис. 5.5, в, табл. 5.1) [87]. При расчете принималось, что деформирование материала описывается идеально упругопластической диаграммой (см. раздел 1.1)]. Данное допущение связано с тем, что при сварочном нагреве эффекты изотропного и анизотропного упрочнения невелики, так как практически все формирование пластических деформаций, определяющих ОСН, происходит при высоких температурах.

На рис. 5.5 представлены схемы выполнения сварки по суперпроходам, принятые при расчете ОСН. Последовательность наложения суперпроходов соответствовала последовательности выполнения проходов в реальном процессе сварки. Основной металл (перлитная, сталь и аустенитный сварочный материал принимались для всех анализируемых соединений одинаковыми. Теплофизические свойства — теплопроводность и объемная теплоемкость принимались независимыми от температуры, равными: для основного металла и для аустенитного металла шва. Используемые при решении термодеформационной задачи зависимости температурной деформации модуля упругости (одинаковая зависимость для основного металла и металла шва) и предела текучести приведены соответственно на рис. 5.6. и 5.7. Так как аустенит не претерпевает структурных превращений, для него зависимости от температуры на стадии нагрева и охлаждения одинаковые. Основной металл претерпевает структурные превращения, и, так как сварочный термический цикл далек от равновесного (большие скорости нагрева и охлаждения) температурный интервал превращения от до (см. рис. 5.6) при нагреве не совпадает с интервалом

(кликните для просмотра скана)

превращения от до на стадии охлаждения. Предел текучести переохлажденного аустенита значительно ниже, чем у материала до превращения (рис. 5.7).

Зависимости от температуры были получены на скоростном дилатометре «FORMASTER» при характерном термическом цикле для сварки: скорость нагрева скорость охлаждения

Таблица 5.1. (см. скан) Размеры исследуемых штуцерных соединений, подкрепляющих отверстия

Варьирование скорости охлаждения в диапазоне, характерном для сварки плавлением, от 5 до не привело к существенному изменению зависимости Поэтому при расчете ОСН использовалась одна кривая независимо от скорости охлаждения материала. Зависимость от температуры при охлаждении [при нагреве получение зависимости традиционное — нагрев до заданной температуры с последующим деформированием] была получена по режиму: нагрев образца до охлаждение до заданной температуры с последующим деформированием и определением

При многопроходной сварке материал может многократно подвергаться нагреву и охлаждению. В связи с этим в расчете была принята следующая процедура определения при воздействии на материал повторных термических циклов в процессе сварки:

при нагреве исходного материала определяются по кривым 1 (см. рис. 5.6 и 5.7);

при остывании материала определяются по кривой 1, если при нагреве Гтах и по кривой 2, если

если возобновится повторный (или нагрев, то определяются по кривой 2 при нагреве и охлаждении при условии, что температуры мартенситного распада;

если при повторном нагреве текущая температура станет больше то определяемые по кривой 2, в

дальнейшем будут определяться по кривой 1 идентично процедуре при первоначальном нагреве и охлаждении.

На рис. приведены распределения ОСН (напряжения отнесены к пределу текучести основного металла при в стыковом, тавровом соединениях и соединениях подкрепления отверстия с различными диаметрами штуцеров (табл. 5.1).

Рис. 5.6. Зависимость температурной деформации от температуры при нагреве и охлаждении для основного металла и аустенитного металла шва (3): 1; 3 — нагрев; 2; 3 — охлаждение

Рис. 5.7. Зависимость предела текучести и модуля упругости от температуры при нагреве и охлаждении для основного металла и металла шва (3): 1, 3 - нагрев; 2, 3 — охлаждение

На этих рисунках показаны также траектории развития трещин в зависимости от растягивающих максимальных напряжений в цикле (напряжения равномерно распределены по толщине соединения). Подробный анализ их развития будет приведен ниже. Здесь же стоит отметить следующее. Поскольку напряжения не являются главными, о чем свидетельствует наличие касательных напряжений траектории трещин при незначительных растягивающих напряжениях могут быть криволинейными.

Проведенные расчетные исследования позволяют установить следующие закономерности формирования ОСН в исследуемых сварных соединениях.

1. Во всех исследуемых соединениях распределение собственных ОСН крайне неоднородно.

2. Поперечные (для стыкового, таврового соединений и соединения подкрепления отверстия соответственно напряжения и продольные напряжения в районе корня шва сжимающие, а в усилении и поверхностных слоях

(кликните для просмотра скана)

металла — растягивающие. Такое распределение ОСН характерно для многопроходной сварки. При выполнении корневых проходов поперечные и продольные напряжения в шве растягивающие. По мере заполнения разделки материал каждого последующего прохода при охлаждении сокращается и тем самым сжимает предыдущие проходы. При этом в текущем проходе возникают растягивающие напряжения. Таким образом, постепенное сжатие корневых проходов последующими приводит к тому, что продольные и поперечные напряжения из растягивающих переходят в сжимающие.

3. Поперечные и продольные напряжения во всех сварных соединениях становятся однородными по толщине на расстоянии в одну-две толщины сварного элемента от сопряжения усиления с основным металлом.

4. Напряжения в направлении толщины во всех исследуемых соединениях незначительны и изменяются от до где предел тёкучести основного металла. В качестве примера на рис. 5.8, 5.9 представлено распределение толщинных напряжений в стыковом и тавровом сварных соединениях.

5. Структурные превращения не оказывают значительного влияния на ОСН, так как в зоне термического влияния (в области, ограниченной интервалом от до от шва), где происходили структурные превращения, действуют поперечные и продольные напряжения, близкие к пределу текучести основного металла. Данный факт связан с многопроходностью сварки и может быть объяснен следующим образом.

При наложении первого прохода, приводящего к структурному превращению ( см. рис. 5.6) в зоне термического влияния, ОСН невелики и составляют примерно

Здесь сказывается влияние структурных превращений, приводящих к низким ОСН за счет увеличения объема металла при охлаждении в момент превращения. При выполнении следующего прохода температура в рассматриваемой области не достигает Следовательно, вторичного превращения и соответственно увеличения объема металла за счет этого превращения не будет. Тем не менее эта температура достаточно велика, чтобы при нагреве возникли такие остаточные пластические деформации укорочения, которые могут при охлаждении материала увеличить растягивающие ОСН до значений, близких к

6. ОСН в области сопряжения усиления шва с основным металлом для всех узлов практически одинаковы и составляют в поперечном и ( в продольном направлениях.

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

Рис. 5.12. (см. скан) Распределение и траектория трещины при изгибе в соединении подкрепления отверстия штуцер 3 (см. табл. 5.1)