Разработка расчетно-экспериментальной методики прогнозирования микроструктуры и механических свойств различных зон сварного соединения при сварке плавлением низколегированных сталей

• Автор: Хомич, Павел Николаевич
• Шифр специальности: 05.02.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 149 с. : ил.

1 Анализ состояния вопроса, цели и задачи исследования
1.1 Анализ существующих методов расчета тепловых процессов
при сварке плавлением
1.2 Анализ существующих моделей источников теплоты
1.3 Анализ существующих методов определения параметров источника нагрева
1.4 Анализ методов определения химического состава зоны сплавления и свойств зоны термического влияния
2 Расчет температурного поля при стыковой сварке плавлением
2.1 Формулировка прямой задачи теплопроводности
2.2 Расчетные модели тепловых источников
2.2.1 Модель Р
2.2.2 Модель АЖ
2.2.3 Модель NNE
2.2.4 Модель ААА
2.3 Схемы расчета температурных полей от мгновенных источников
2.3.1 Температурное поле от мгновенного двойного эллиптическо-экспоненциального источника
2.3.2 Температурное поле от мгновенного двойного эллиптическо-параболического источника
2.3.3 Температурное поле от мгновенного двойного эллипсоидного источника
2.3.4 Температурное поле от мгновенного эллипсоидного источника
2.4 Расчет температурного поля от подвижного источника
теплоты постоянной мощности

2.4.1 Точечный подвижный источник на поверхности полубесконечного тела (неустановившееся состояние)
2.4.2 Точечный подвижный источник на поверхности
плоского слоя (неустановившееся состояние)
2.4.3 Распределенный подвижный источник на поверхности плоского слоя. Неустановившееся состояние
2.5 Расчет температурного поля от подвижного источника
теплоты периодической мощности
3 Определение параметров сварочного источника теплоты
3.1 Формулировка обратной задачи теплопроводности
3.2 Решение обратной задачи теплопроводности алгоритмом
прямого поиска
3.2.1 Методы нулевого порядка
3.2.2 Методы первого порядка
3.2.3 Методы второго порядка
3.3 Верификация полученных моделей тепловых источников
3.3.1 Лазерная сварка
3.3.2 Импульсно-дуговая сварка неплавящимся электродом
4 Макросегрегация химических элементов при сварке плавлением
4.1 Модель плавления и кристаллизации
4.2 Формулировка диффузионной задачи
4.3 Верификация модели
4.4 Влияние режима сварки на химическую неоднородность
4.5 Прогнозирование морфологии затвердевания
5 Прогнозирование свойств металла шва и зоны термического 132 влияния сварного соединения
Основные результаты и выводы
Литература

При разработке новых материалов различного класса прочности и назначения возникает проблема поиска технологии сварки, обеспечивающая оптимальные свойства сварного соединения. Поскольку технология сварки определяет большое количество параметров, влияющих на свойства сварного соединения и на работоспособность сварной конструкции в целом, это требует проведения большого количества экспериментов, в некоторых случаях весьма сложных и дорогостоящих. Чтобы сократить время и количество экспериментов, используют математическое моделирование. Кроме того, актуальность работ и исследований в области моделирования тепловых процессов при сварке определяется необходимостью прогнозирования структуры и свойств металла при формировании сварного соединения.
Для прогнозирования микроструктуры, механических свойств, диффузии, остаточных напряжений в различных зонах сварного соединения необходимы, прежде всего, сведения о термических циклах (скорость нагрева и охлаждения, максимальная температура и т.д.). Известные расчетные схемы Ры-калина H.H., Rosenthal D. позволяют достаточно точно определить температурное поле в области, где температура нагрева металла не превышает половины его температуры плавления, но приводят к значительным погрешностям в окресности сварочной ванны. Это объясняется отсутствием в упомянутых схемах учета сложных физических явлений в сварочной ванне (энергетического и механического воздействия сварочного источника теплоты, деформации поверхности ванны, конвективного теплопереноса, вызванного поверхностными и объемными силами, фазовыми превращениями металла и т.д.). Разработанные в последние десятилетия новые модели (DebRoy Т., Zhao
H., Zhang W., Roy G.G.) позволяют в принципе учитывать эти явления и рассчитывать термические циклы и форму шва при некоторых способах сварки. Однако эти модели требуют знания температурных зависимостей свойств га-

Температурное поле от мгновенного эллиптическо-экспоненциального источника в полубесконечном теле без поверхностной теплоотдачи (модель V)
Решение температурной задачи найдем методом отражения. Для этого в модели МхМуЬг-81-М-!т примем к = од, в результате чего останутся члены ряда только при п — 0 (получается модель НхИуЬг-8і-Н-Іт):
Т (х, у, л, 0 = О- /х (х, і)/у (у, ОЛі 5(2,0
(2.40)

Лі5(2Д)

/ _ • »і'Ч
л/4ш
лрШ )

лркй;

О-;*")2"
4 аі
■ехр
Ґ о
4 аі
(2.41)
Сравним поведение функций /Д5 и /Д2 (/21з) (см- Рис- 2.15). Видно, что при Ш < 10‘5 функции влияния описывают характер ввода теплоты в тело, и по мере увеличения ш теплота перераспределяется, и уже при Ш > 1 функции влияния (/гз) равны предельному значению, т.е. единице (так как границы плоского слоя адиабатические и к = 1 мм). Тогда как функция fz 5 постепенно снижается, стремится к 0. Влияние размеров тела заметно сказывается при а/> 0,1.