Расчетная оценка влияния погонной энергии на образование холодных трещин в зоне термического влияния сварного шва

Abstract

Работа посвящена оценке возможности современных инженерных компьютерных технологий для оперативной численной оценки параметров сварочного процесса, влияющих на образование холодных трещин в зоне термического влияния (ЗТВ). Холодные трещины являются типичным дефектом сварных соединений среднелегированных и высоколегированных сталей. Широкое распространение компьютерных средств позволяет применять вычислительные возможности MathCAD для решения технологических вопросов на основе классической модели тепловых сварочных процессов. Установлено, что наибольшие значения мгновенной скорости охлаждения в зоне термического влияния возникают на границе оплавления, причем по мере снижения погонной энергии происходит увеличение мгновенных скоростей охлаждения. Поэтому образование холодных трещин (отрывов) между швом и ЗТВ обусловлено в значительной степени образованием закалочных структур. При увеличении погонной энергии в 10 раз ширина зоны оплавления возрастает примерно в 3 раза, а мгновенная скорость охлаждения снижается на порядок, что позволяет предотвращать образование холодных трещин путем выбора режимов с увеличенной погонной энергией. Увеличение погонной энергии режима сварки в 10 раз ведет к десятикратному увеличению продолжительности и трехкратному увеличению ширины зоны перегрева, что снижает прочностные характеристики металла и потому ограничивает возможности регулирования погонной энергии для снижения величины мгновенной скорости охлаждения. На периферии ЗТВ, где максимальная температура не превышала 150 °С, низкие мгновенные скорости охлаждения не могут явиться причиной образования закалочных структур, поэтому основными причинами образования холодных трещин в указанной зоне являются остаточные сварочные напряжения или диффундирующий водород. При разных значениях погонной энергии наблюдаются устойчивые соотношения радиус-векторов с соответствующими им изотермами, что может быть использовано на практике для оценки размеров ЗТВ в зависимости от ширины сварного шва. Использование вычислительных возможностей MathCAD позволяет в оперативном порядке оптимизировать режим сварки с тем, чтобы предотвратить образование холодных трещин и исключить перегрев металла в зоне термического влияния. The possibilities of modern computer technologies to efficiently calculate the parameters of the welding process that influence the formation of cold cracks in the heat affected zone were studied. Cold cracks are typical defects of the welds in medium and high-alloy steels. MathCAD software can be used to solve technological problems on the basis of the classical model of thermal welding processes. It is found that the highest values of the instantaneous cooling rate in the heat-affected zone are on the melting boundary. When heat input decreases, instantaneous cooling rates increase. Therefore, the formation of cold cracks between the weld and HAZ is largely due to the formation of hardening structures. If the heat input increases tenfold, the width of the melting zone increases about three times, but the instantaneous cooling rate reduces in order to prevent the formation of cold cracks by selecting modes with the increased heat input. The tenfold increase of the heat input of the welding mode leads to a tenfold increase in time and to the three times increase of the width of the overheating zone. This reduces the strength characteristics of the metal and, therefore, limits the possibility of regulating heat input to reduce the magnitude of the instantaneous cooling rate. On the HAZ periphery, where the maximum temperature does not exceed 150 °C, low instantaneous cooling rates can not be the cause of hardening structures appearance. So, the main reasons for the formation of cold cracks in this area are residual welding stresses or diffusible hydrogen. With different values of heat energy a sustainable ratio of radius-vectors with the corresponding isotherms is observed. This can be used in practice to estimate the size of the HAZ depending on the width of the weld. The use of the MathCAD software allows to quickly optimize the welding mode in order to prevent the formation of cold cracks and avoid overheating of the metal in the heat affected zone.