Разработка технологии аргонодуговой сварки конструкций с пониженным уровнем остаточных напряжений и деформаций из профильных алюминиевых труб

Актуальность темы

.

Алюминиевые сплавы могут быть рекомендованы для каркасных конструкций, к которым предъявляются требования предельного сокращения веса.

Однако при изготовлении сварных конструкций из алюминиевых сплавов встречаются трудности, связанные, в частности со значительными деформациями. Это объясняется тем, что алюминий имеет пониженный модуль упругости, повышенную усадку при затвердевании и повышенный коэффициент линейного расширения (по сравнению со сталью). Перемещения при сварке каркасных конструкций из алюминиевых профильных труб достигают значительных по сравнению со сталью величин и требуют применения сложных технических средств по осуществлению контроля и методов борьбы с ними. Разработанные ранее методы борьбы с остаточными напряжениями и деформациями требуют значительного повышения стоимости процесса и не дают удовлетворительных результатов при их переносе на конструкции из профильных труб. Существует необходимость разработки нового способа борьбы с остаточными напряжения и деформациями в таких конструкциях.

Цель работы.

Разработка научно обоснованной технологии ручной аргонодуговой сварки конструкций из профильных труб из алюминиевых сплавов на основе исследования термодеформационных процессов при их изготовлении.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: 1. Исследовать особенности процесса распространения тепла при ручной аргонодуговой сварке конструкций из профильных труб из алюминиевых сплавов.

2. Исследовать влияние температурных полей при сварке таких конструкций на образование остаточных напряжений и деформаций.

3. Разработать технологические приёмы формирования температурного поля при ручной аргонодуговой сварке конструкций из профильных труб из алюминиевых сплавов, снижающего остаточные напряжения и деформации.

4. На основе этих приёмов разработать технологию аргонодуговой сварки таких конструкций с пониженным уровнем остаточных напряжений и деформаций.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Результаты исследований значимости основных факторов, влияющих на характер температурного поля при ручной аргонодуговой сварке соединений профильных труб из алюминиевых сплавов.

2. Результаты исследований температурного поля от ручной аргонодуговой сварки соединений профильных труб из алюминиевых сплавов.

3. Результаты исследований особенностей образования напряжений и деформаций при сварке конструкций из профильных труб.

5. Результаты исследования влияния закрепления профильных труб и их разогрева в ходе сварки на образование остаточных напряжений и деформаций в конструкциях.

Научная новизна:

1. Предложен новый метод расчётного исследования плоского температурного поля — «метод сечений», заключающийся в рассечении нагреваемого тела несколькими плоскостями в направлениях, в которых необходимо проследить изменение температурного поля во времени, температуры точек рассчитываются в зависимости от координаты точки в исследуемом сечении и от времени сварки, по окончании расчётов строится контурная диаграмма, по оси абсцисс которой откладываются координаты точек, а по оси ординат время сварки.

2. Предложена аналитическая математическая модель процесса распространения тепла при ручной сварке конструкций из профильных труб, представляющая собой сумму аналитических решений для линейных источников тепла, действующих при сварке каждого шва в зависимости от последовательности и направления наложения швов в соединении, которая учитывает периметр поперечного сечения трубы и изменение скорости ручной сварки во kt времени, выражаемой эмпирической формулой vce (t) = vnp (1-е), где vnp и к зависят от толщины стенки трубы и марки материаладля труб из АМгб с толщиной стенки 3 мм vnp=3,5.4,5 мм/сек, к=-0,15.-0,25. Использование этой модели даёт погрешность не более 15%.

3. Экспериментально установлено, что с уменьшением температурного градиента по поперечному сечению трубы снижается уровень остаточных сварочных напряжений и деформаций, максимальный эффект достигается при разогреве до температуры 350 °C, при этом сварочные напряжения и деформации снижаются на 50. .70%.

4. Предложен способ формирования температурного поля от источника сопутствующего нагрева, параметры которого определяются с учётом температурного поля от сварки, рассчитанного по предложенной выше математической модели.

Практическая ценность.

1. Предложена методика реализации в системе MathCAD математических моделей процесса распространения тепла при сварке и наглядного представления результатов вычислений по этим моделям.

2. Разработанные математические модели процесса распространения тепла при сварке и сопутствующем подогреве позволяющие проводить вычислительные эксперименты по оптимизации параметров сварки при выполнении соединений профильных труб из алюминиевых сплавов.

3. Разработан способ получения сварных соединений профильных труб из алюминиевых сплавов со сниженными на 50.70% деформациями. Предложенный способ основан на снижении градиента температурного поля по поперечному сечению трубы в месте сварки путём применения сопутствующего подогрева.

4. Разработаны способ и компьютерная программа построения номограмм для определения параметров сопутствующего подогрева при практическом применении предложенного способа.

5. Предложенный способ внедрён на Чебоксарском филиале Волжского Закрытого Акционерного Общества «Гидроспецсторой» при производстве сварных частей разборной мачты бурового станка, экономический эффект составил 94 тыс. руб. (в ценах 2000 года) на одно изделие, доля автора 20%.

6. Предложен способ правки конструкций из профильных труб из алюминиевых сплавов и устройство для его осуществления (Патент на изобретение № 2 165 814 от 27 апреля 2001 года, приоритетная справка № 99 104 313/02(4 104) от 25.02.99). Предложенный способ внедрён на предприятии НПФ «Лада-ПАРСЕК» при производстве сварных каркасов-кузовов автомобиля ДСЕ.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Технология и оборудование современного машиностроения» (Уфа, 1988 и 2000), «Сварка и смежные технологии» (Москва, 2000), на научном семинаре кафедры сварки Тольяттинского политехнического института (2001 г.), на научном семинаре кафедры сварки ВолгГТУ (2001 г.). 8.

Публикации.

По теме диссертаций опубликовано 11 научных работ, в том числе 1 патент и получено 1 положительное решение по заявке на выдачу патента РФ.

Структура и объём работы.

Диссертационная работа состоит из аннотации, введения, 4 глав, выводов по работе, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 191 страницу. В том числе 80 рисунков и 4 таблицы, список литературы из 91 наименований. В приложении приведены акты внедрения предложенных технологий.

Сварочные процессы в металле, определяющие производительность сварки и качество сварных соединений, протекают под действием тепла в условиях быстро изменяющейся температуры. Пределы изменения температуры весьма широки: от 20 градусов до температуры кипения металла. Таким образом, процесс сварки не может не вызвать возникновения в основном металле неравномерного температурного поля, градиент которого зависит от свойств материала и способа и режима сварки. Поскольку температурное поле различно в каждой точке изделия и изменяется во времени, то возникает сложная зависимость от координат и от времени процессов, сопровождающих нагрев. Такими процессами являются тепловое расширение материала, фазовые и структурные превращения, изменение теплофизических свойств основного и наплавленного металла. Расширение и сокращение металла в процессе нагрева и остывания при сварке сопровождаются образованием деформаций. При этом вследствие неравномерного нагрева деформации, как правило, не протекают беспрепятственно. В теле образуются напряжения, которые часто достигают значений предела текучести. Процесс нагружения металла в этом случае сопровождается пластической деформацией. Деформации металла в отдельных точках приводят к образованию перемещений в сварных конструкциях, в результате чего нарушаются их формы и размеры. Неравномерное тепловое расширение материала, вызванное изменяющимся температурным полем приводит к образованию в изделии временных и остаточных деформаций и напряжений, которые в ряде случаев могут оказать отрицательное влияние на качество сварной конструкции. Между тем, правильное построение технологического процесса сварки, а так же выбор рациональных режимов сварки, как правило, позволяют уменьшить деформации.

Алюминиевые сплавы могут быть рекомендованы для каркасных конструкций, к которым предъявляются требования предельного сокращения веса. Например, стрел для подъёмных кранов, сборно-разборных мостов, гидротехнических затворов и т. д. Наибольшее применение для несущих конструкций имеют сплавы АМгб, АМг61, АВТ, В92Т, АДЗЗТ1 [1,2,3]. Применение алюминиевых сплавов в каркасных конструкциях позволяет уменьшить их массу в 1,5.2,5 раза по сравнению со стальными [1]. В настоящее время в автомобилестроении наблюдается тенденция к увеличению доли сварных деталей из алюминиевых сплавов автомобиле [4,5], причём большая их часть приходится на сварные детали каркаса кузова [6,4]. Как правило, каркасные конструкции сваривают аргонодуговой сваркой, реже — контактной. Опыт эксплуатации показал надёжность сварных узлов из сплава АМгб, работающих в условиях повторно-переменных вибрационных нагрузок [7]. В настоящее время при сварке каркасных конструкций из алюминиевых сплавов наибольшее распространение получили профильные трубы, которые благодаря своему прямоугольному сечению позволяют формировать простые стыковые и угловые соединения. Анализ развития современного машиностроения показывает, что в ближайшие 10 лет ожидается рост использования алюминиевого проката в машиностроении, причём значительно повышается доля конструкций из алюминиевых профильных труб в транспортной индустрии [5].

Однако при изготовлении сварных конструкций из алюминиевых сплавов встречаются трудности, связанные, в частности со значительными деформациями. Это объясняется тем, что алюминий имеет пониженный модуль упругости, повышенную усадку при затвердевании и повышенный коэффициент линейного расширения (по сравнению со сталью). Перемещения при сварке каркасных конструкций из алюминиевых профильных труб достигают значительных по сравнению со сталью величин и требуют применения сложных технических средств по осуществлению контроля и методов борьбы с ними [8]. Описанные в работах Касаткина Б. С., Николаева Г. А., Винокурова В. А., Куркина С. А., Сагалевича В. М.,.

Окерблома Н.О. и др. авторов предложенные ранее методы борьбы с остаточными напряжениями и деформациями требуют значительного повышения стоимости процесса и не дают удовлетворительных результатов. Существует необходимость разработки нового метода устранения сварочных напряжений и деформаций, имеющего в своей основе новый подход к уже давно существующей проблеме.

Наиболее перспективной в настоящий момент является разработка такой технологии сварки, которая позволяла бы получать соединение со сниженным уровнем остаточных напряжений и деформаций в ходе сварки. Новая технология должна основываться на расширенных и углублённых знаниях природы возникновения напряжений и деформаций в теле конструкции, опираться на особенности теплового поля сварки в конструкции из профильной трубы. Для разработки подобной технологии необходимо детальное изучение теплового поля от сварки в изделии и поля напряжений, нахождение тех их особенностей и закономерностей, присущих профильным трубам, которые можно использовать для устранения остаточных напряжений и деформаций.

Цель работы — разработка научно обоснованной технологии ручной аргонодуговой сварки конструкций из профильных труб из алюминиевых сплавов на основе исследования термодеформационных процессов при их изготовлении.

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ АРГОНОДУГОВОЙ СВАРКИ КАРКАСНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Из анализа литературных данных следует, что при сварке соединений труб прямоугольного сечения максимальные напряжения и деформации возникают при наложении поперечных угловых швов в тавровых соединениях. При этом уровень поперечных напряжений в таких швах значительно превосходит уровень продольных напряжений, что объясняется особенностями температурного поля и характера закрепления при сварке таких конструкций.

2. Экспериментально установлена эмпирическая зависимость скорости сварки соединений профильных труб от времени vCB (t), выражаемая частным случаем экспоненциальной зависимости вида.

— kt vce (t) = vnp (1-е), где Упр и к зависят от толщины стенки трубы и марки материаладля труб из АМгб с толщиной стенки 3 мм vnp=3,5.4,5 мм/сек, к=-0,15.-0,25.

3. Предложена аналитическая математическая модель процесса распространения тепла при ручной сварке конструкций из профильных труб, представляющая собой сумму аналитических решений для линейных источников тепла, действующих при сварке каждого шва в зависимости от последовательности и направления наложения швов в соединении, которая учитывает периметр поперечного сечения трубы и изменение скорости ручной сварки во времени, использование этой модели даёт погрешность не более 15%.

4. Экспериментально установлено с использованием указанных приборов, что при сварке соединений профильных труб из алюминиевых сплавов увеличение температуры разогрева их поперечного сечения в месте сварки приводит к снижению общего уровня сварочных напряжений и деформаций, положительный.

183 эффект максимален при температуре нагрева 350 °C и при отсутствии закрепления деталей при сварке.

5. С учётом вышеприведённых особенностей процесса предложен новый способ сварки с сопутствующим подогревом. При её осуществлении происходит сопутствующий дополнительный разогрев трубы таким образом, чтобы с учётом температурного поля от сварки, рассчитанного по предложенной математической модели, температура всех точек поперечного сечения трубы в месте сварки была равна 300.350 °С. При этом на 50.70% снижаются остаточные напряжения и деформации, повышается стабильность конструкции во времени. Это свидетельствует о том, что цель работы достигнута.