Введение

С ростом производства появилась потребность в сборке крупногабаритных металлоконструкций. Как правило, ее осуществляют с помощью сварки, которая негативно влияет на основной металл, создавая из-за локального теплового перегрева необратимые деформации и повышенные напряжения в зоне сварного соединения. Для уменьшения напряжений в области температурного воздействия применяют предварительный и сопутствующий подогрев [1 – 4], снижающий уровень температурного градиента, либо последующую термическую обработку. Создавая механическое воздействие в области шва с помощью проковки, также понижают негативные последствия сварки. Когда речь идет о протяженном шве в толстостенной металлической пластине, применение вышеперечисленных методов становится затруднительным, поэтому целесообразнее использовать присадочный материал, чтобы выполнить сварку в один проход.

Автоматическая дуговая сварка под флюсом с порошковым присадочным материалом (ППМ) предназначена для сварки толстостенных конструкций толщиной до 60 мм. Применение ППМ увеличивает тепловую эффективность процесса и улучшает качество сварного соединения. В традиционном случае в качестве присадочного материала используют крупку, нарезанную мелкими фрагментами из сварочной проволоки диаметром 0,8 – 2,0 мм. Подача ППМ в зону сварки осуществляется путем предварительной засыпки в зазор или разделку перед сваркой, либо на вылет электрода дозаторной конструкцией, если она обладает ферромагнитными свойствами [5]. Наиболее важными преимуществами процесса являются более высокие эффективность, производительность и качество сварных соединений. Возможные варианты электродуговой многопроволочной сварки и наплавки с добавлением металлопорошка освещены в работах [6 – 9]. Также введение ППМ используется при лазерной сварке [10 – 13].

В настоящей работе в качестве ППМ исследуется алюмотермитная засыпка, поскольку алюмотермитный наполнитель в порошковой проволоке, состоящей из смеси фракций металлической окалины и алюминиевого сплава с добавлением легирующих компонентов, зарекомендовал себя с наилучшей стороны [14 – 17]. Его применение обеспечивает равномерный последующий прогрев сварного шва за счет совмещения электродугового теплового воздействия и экзотермической окислительно-восстановительной реакции, в ходе которой происходит восстановление железа из окалины [18]. Шлак, образованный в результате реакции, обладает теплоизолирующим свойством, приводит к уменьшению теплоотвода с поверхности сварного шва, увеличивая время для равномерного затвердевания, что способствует формированию мелкозернистой структуры материала.

Оптимизировать процесс электродуговой сварки без больших затрат позволяет математическое моделирование [19 – 21].

Целью работы является установление влияния комбинированного теплового воздействия алюмотермитной засыпки при сварке толстолистовых конструкций на распределение интенсивности остаточных напряжений и возможность применения данной технологии сварки при низких климатических температурах.

Основа математической модели

Принимаем, что в начальный момент времени в материале пластины отсутствуют необратимые деформации. Деформации считаем малыми dij и состоящими из обратимых eij и необратимых pij :

Соотношение Дюамеля-Неймана описывает связь между напряжением, упругой деформацией и температурой:

где λ, μ, \(K = \frac{2}{3}\mu  + \lambda \) – упругие модули; α – коэффициент линейного расширения.

Упругие модули зависят от температуры. Для данного случая применяем их линейную зависимость

где E0 , Ep – модуль Юнга при комнатной температуре T0 и при температуре плавления Tp соответственно; v – коэффициент Пуассона; v0 – коэффициент Пуассона при комнатной температуре.

Когда напряженное состояние достигает поверхности нагружения в пространстве напряжений, необратимые деформации начинают расти. Запишем ассоциированный закон

В качестве поверхности нагружения примем условие пластического течения Мизеса

где τij = σij – δij σ0 , δij – символ Кронекера, если i = j, то δij = 1, а если i ≠ j, то δij = 0; \({\sigma _0} = \frac{1}{3}\sigma_{ii} = \frac{1}{3}{\delta _{ij}}\sigma_{ij}\) k – предел текучести, зависящий от температуры k = k0θ2; при T = Tp k = 0,10 Па; η – вязкость материала.

Дополняет систему уравнений (1) – (5) уравнение равновесия

Граничные условия моделируют свободную поверхность. Решение механической задачи (1), (2), (4) – (6) по заранее заданному полю температур находим численно.

Постановка задачи

На пластину, выполненную из низкоуглеродистой и низколегированной стали (марки Ст3), находящуюся при комнатной температуре в свободном состоянии (незакрепленную), наносится порошковый присадочный материал, состоящий из алюмотермитной композиции (геометрия засыпки 40×20 мм) (рис. 1, а), в зону сварного соединения по длине будущего сварного шва. Со скоростью 20 м/ч сварочный аппарат, продвигаясь по заданной траектории, как показано на рис. 1, б, активирует от горения электрической дуги химическую реакцию в присадочном материале. Фронт горения алюмотермитной засыпки идет с той же скоростью и незначительно опережает сварку. Толщина пластины варьируется от 12 до 18 мм. Диаметр электродной проволоки марки Св-08 составляет 3 мм.

При дуговой сварке процесс распределения тепла в твердом теле описывается нелинейным дифференциальным уравнением теплопроводности с учетом действующего источника тепла

где λ(T) – теплопроводность, Вт/(м·°С); c(T) – удельная теплоемкость Дж/(кг·°С); ρ – плотность, кг/м3; q – объемная плотность мощности источника тепла, Вт/м3.

Источник тепла, исходящий от электродуговой сварки, моделируем с использованием двойного эллипсоида [22]. На рис. 2, б показана форма потока тепла в пластине при сварке.

где Q – эффективная тепловая мощность источника нагрева (для дуговой сварки Q = ηIU, Вт); τ – время, прошедшее с начала действия источника, с; t – текущее время, с; v – скорость перемещения источника нагрева (скорость сварки), м/с; x, y, z – полуоси эллипсоида в координатных направлениях OX, OY, OZ, м; fs и fl – коэффициенты, определяющие соотношения для теплоты, вводимой в переднюю и заднюю части эллипсоида; as , al , b, c – соответствующие радиусы нормального распределения. Исходя из вышеуказанного, существует следующая связь между коэффициентами fs и fl :

\[{f_s} = \frac{{2{a_s}}}{{{a_s} + {a_l}}};{\rm{ }}{f_l} = \frac{{2{a_l}}}{{{a_s} + {a_l}}};{\rm{ }}{f_s} + {f_l} = 2.\]

В области фронта горения алюмотермита граничные условия задаем в виде

где qw (x, y, z) – тепловой поток от химической реакции, составляет 58 Вт.

На поверхности, свободной от источника тепла, граничные условия моделируют теплоотвод в окружающую среду:

где kof – коэффициент теплообмена с окружающей средой, равен 6 Вт/(м2ꞏ°С). В области сварного шва шлак, образованный в результате исследуемого способа сварки, уменьшил теплоотвод от поверхности пластины до 3,5 Вт/(м2·°С).

Поскольку λ и c константы, то систему уравнений (7) – (10) решаем методом прогонки.

Результаты расчета

Рассмотрим стальные пластины размером 500×150 мм с толщинами 12, 14, 16, 18 мм и следующими физико-механическими характеристиками: плотность ρ = 785 кг/м3; модуль Юнга при комнатной температуре E0 = 210 ГПа; Ep = 0,3 ГПа при температуре плавления Tp =  1400 °C; коэффициент Пуассона 0,27; предел текучести при комнатной температуре 255 МПа; коэффициент линейного теплового расширения 11,1·10\(^–\)6 1/°С; теплопроводность 55,5 Вт/(м·°С); удельная теплоемкость 482 Дж/(кг·°С); КПД источника 90; сила тока 300 А; напряжение 35 В.

Для проведения анализа влияния порошковой засыпки произведем сравнение тепловых полей. Для этого на рис. 3 приведено распределение поля температуры, образованного в результате автоматической электродуговой сварки с применением алюмотермитной засыпки и без нее. Вольт-амперные характеристики и скорость сварки при этом идентичные. Как видно, в зоне расположения сварочной дуги поле температур при использовании присадочного материала повышено на 500 °С. Это дает возможность применения алюмотермитной засыпки при низких температурах окружающей среды в качестве предварительного подогрева.

Если за основу взять время остывания сварного шва, полученного с использованием электродуговой сварки при комнатной температуре, и говорить о качественном соединении, то это время может быть достигнуто и при отрицательной температуре. На рис. 4 показано время остывания пластины толщиной 12 мм в зависимости от температуры окружающей среды. Сплошная линия – с использованием присадочного материала, штриховая линия без него.

Время остывания сварного соединения, выполненного с использованием электродуговой автоматической сварки при 20 °С, такое же, что и при –25 °С с использованием присадочного материала в виде алюмотермитной засыпки. Это дает возможность применять представленный сварочный процесс при отрицательной температуре окружающей среды.

Далее рассмотрим влияние толщины пластины на интенсивность остаточных напряжений в ней, образованных в результате электродуговой сварки при комнатной температуре с использованием присадочного материала в виде алюмотермитной засыпки. На рис. 5 продемонстрированы поля остаточных напряжений в верхнем и нижнем слоях пластины. Видно, что при увеличении толщины пластины увеличивается и интенсивность остаточных напряжений в материале. Если посмотреть в поперечном направлении по центру пластины, то наибольшие значения интенсивности остаточных напряжений расположены в зоне синеломкости и возрастают с увеличением толщины пластины, при этом в центре сварного шва значения малы (рис. 6).

Для доказательства того, что при применении алюмотермитной засыпки при электродуговой сварке уменьшаются области с высокими значениями интенсивности остаточных напряжений, сравним рис. 6, а с рис. 7, где изображено распределение интенсивности остаточных напряжений в сварном шве, полученном без использования присадочного материала в пластине толщиной 12 мм. Видно положительное влияние использования алюмотермитной засыпки, поскольку в сварном соединении, полученном без применения присадочного материала, высокий уровень интенсивности остаточных напряжений охватывает обширную область (практически в половину толщины сварного шва) и уменьшается к периферии. Этого нельзя сказать о сварном соединении, образованном с помощью присадочного материала в виде алюмотермитной засыпки, там незначительная область высокой интенсивности остаточных напряжений расположена на расстоянии от сварного шва в зоне синеломкости. Картину (эффект) такого расположения можно сравнить с предварительным подогревом, тем более области с высоким температурным градиентом будут находиться именно по бокам от сварного шва в зоне сплавления.

Выводы

Проведены исследования автоматической сварки под слоем флюса с применением присадочного материала в виде алюмотермитной засыпки для соединения толстолистовых конструкций. Установлено, что применение алюмотермитной засыпки понижает уровень интенсивности остаточных напряжений по сравнению с традиционной сваркой. С повышением толщины пластины интенсивность остаточных напряжений возрастает и область их распространения увеличивается.

Из-за выделения дополнительной теплоты в ходе химической реакции температура в материале при автоматической электродуговой сварке с использованием алюмотермитной засыпки повышается на 500 °С по сравнению со сваркой без данного присадочного материала. Это позволяет предположить, что при низкой температуре окружающей среды можно проводить сварочные работы, которые гарантировали бы такое же качество сварного соединения, которое бы получилось при комнатной температуре.