Воронежский государственный

технический университет

УДК 621.791

А.М. Болдырев, В.В. Григораш

ЗАМЕЧАНИЯ О ПРИМЕНИМОСТИ ТЕОРИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ И ТРЕЩИНОУСТОЙЧИВОСТИ ПРИ СВАРКЕ

В существующих теориях, определяющих сопротивления сплава образованию горячих трещин, не учитывается неоднородный характер процесса кристаллизации при сварке.

Так, теория технологической прочности оперирует с понятиями деформационная способность, максимально допустимый темп деформаций и максимальный запас технологической прочности в температурном интервале хрупкости, которые являются функциями от доли жидкой фазы в расплаве. Как показали наши исследования, для жидкой фазы при кристаллизации зависит от времени и места положения переднего фронта кристаллизации, а деформационная способность уменьшается в местах скопления примесей. Содержание примесей по двухфазной зоне при сварке распределяется неоднородно, увеличиваясь за время одного цикла кристаллизации в направлении ее задней границы. Следовательно, деформационная способность должна быть так же неоднородной, периодически повторяющейся во времени и в пространстве. Кроме того, как следует из теории, пластическая деформация сплава на задней границе двухфазной зоны в течение очень короткого интервала времени значительно уменьшается (примерно в 7 раз) по сравнению со средним значением запаса пластичности. Вероятность образования горячих трещин здесь очень велика.

В связи с этим, становится понятным несогласованность теории технологической прочности с экспериментом, когда наблюдаются горячие трещины в сплавах, в которых они не должны образовываться по теории, не учитывающие неравномерности процесса кристаллизации сварочной ванны.

Теория трещиноустойчивости исходит из макрореологических свойств сплава в температурном интервале кристаллизации. Основной причиной образования трещин является концентрация напряжений и деформаций, обусловленная сильной зависимостью упругих реологических характеристик сплава от температуры. Для оценки напряжений, развивающихся в затвердевшем сплаве, необходимо учитывать не только температурные дилотационные изменения, но и обусловленные фазовым переходом расплав-кристалл. Последним, как известно, пренебрегают в обеих теориях.

Чем выше скорость кристаллизации, тем выше и усадочные напряжения, развивающиеся в межкристаллизационных промежутках, при одинаковой способности в фильтрации (циркуляции) расплава по этим промежуткам. Отсюда следует, что причинами концентрации напряжений и деформаций при формировании сварного соединения является как неоднородность уравнений кристаллизации по поверхности сварочной ванны, так и отклонение скорости кристаллизации от скорости сварки.

Учет особенности периодической кристаллизации сварочной ванны является одной из проблем уточнения указанных теорий.

Один из возможных путей такого уточнения – учет деформационности и склонности к трещинообразованию в сплавах, не усредненный по всему объему, а позонный с учетом периодичности процесса кристаллизации. Однако такой путь является весьма сложным.

Воронежская государственная

архитектурно-строительная академия

УДК 621.791.92

А.М. Болдырев, В.В. Григораш

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ХАРАКТЕРА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

О характере перемещения межфазной границы двухфазной зоны сварочной ванны свидетельствуют многочисленные публикации в печати. Этот интерес вызван не случайно, так как известно, что технологическая прочность определяется состоянием двухфазной зоны. Полученные и опубликованные в ранних наших работах сведения о характере перемещения двухфазной зоны сварочной ванны свидетельствует о дискретном характере ее перемещения.

При переходе вещества из жидкого состояния в твердое возникает целый ряд сопутствующих физических процессов: изменение объема и связанное с ним течение расплава; изменение химического состава вследствие переноса растворенных компонентов сплава; возникновение растягивающих напряжений. Для описания этих процессов нами была предложена математическая модель двухфазной зоны бинарного сплава в условиях сварки: дифференциальные уравнения сохранения массы каждого химического компонента с учетом переноса вследствие фильтрации; известный закон фильтрации Дарси, связывающий объем междендритного пространства с перепадом давления; уравнение состояния; кинетическое уравнение, линейно связывающее массовую скорость кристаллизации с переохлаждением; условие стационарности движения заднего фронта двухфазной зоны.

Эта система уравнений сводится к дифференциальному гипергеометрическому уравнению Гаусса и допускает квазиустановившиеся периодические решения, получаемые с помощью ПК, не противоречащие наблюдаемым фактам. Важнейшим результатом этих решений с позиций прочности сварного шва является следующий: для жидкого на задней границе двухфазного слоя периодически уменьшается, а затем увеличивается до первоначального значения. Обращает на себя внимание то обстоятельство, что падение доли жидкого в расплаве происходит очень быстро, в то время как ее рост длится в 30 раз медленнее. Почти скачкообразное падение доли жидкого объясняется скачкообразным ростом кристаллов на первой стадии перемещения переднего фронта двухфазного слоя.

Наличие такого резкого, почти разрывного уменьшения доли жидкого в затвердевшем расплаве, возможная вследствие этого закупорка междендритных потоков и резкое падение давления в протоках до давления насыщенных паров (практически приходящееся на тот же период времени) дает основание предположить, что на этом малом интервале времени очень велика вероятность образования дефектов в сварном соединении термодеформационного происхождения. Таким образом, сам процесс неравновесной кристаллизации является внутренней причиной потери прочности сварного соединения. Однако ни в одной из существующих теорий, определяющих сопротивление сплава образованию горячих трещин, неоднородный характер процесса кристаллизации при сварке не учтен.

Воронежская государственная

архитектурно-строительная академия

УДК 621.791

В.В. Григораш, В.И. Кольцов

К ВОПРОСУ О ГОРЯЧИХ ТРЕЩИНАХ

Одна из основных проблем сварки плавления образование несплошности металла шва в виде горячих трещин, резко снижающих технологические и служебные характеристики сварных соединений и изделий в целом.

Разработке теорий образований горячих трещин при кристаллизации оливок и металла шва сварных соединений посвящены работы многих русских и зарубежных ученых – это в первую очередь работы А.А.Бочвара, И.И.Новикова, Н.Н.Прохорова, М.Х.Шоршорова и др.

На современном этапе существуют две теории технологической прочности. Первая – теория технологической прочности (ТТП), сформированная Н.Н.Прохоровым, строится на сопоставлении действующих деформаций и деформационной способности сплавов в температурном интервале хрупкости. Вторая – теория трещинообразования (ТТО) Баландина – Каширцева исходит из особенностей реологических свойств в целом всего кристаллизующегося сплава.

Обе эти теории органически дополняют друг друга. С одной стороны, ТТП позволяет установить зависимость пластичности от параметров формирующейся структуры: размера и формы кристаллов, состояния их границ, распределения жидкой фазы и т.д. Однако не позволяет определить ни место, ни степени локализации деформаций. С другой стороны, ТТО количественно определяет локализацию деформаций и напряжений, но не в состоянии прогнозировать изменение реологических свойств от структурных и других параметров. Совместному развитию этих теорий на данном этапе препятствует противоречивость их исходных положений.

Однако разработанные теории технологической прочности сплавов, исключая выше перечисленные недостатки, а так же макрореологической модели и макреологических параметров, наиболее приемлемы для объема кристаллизующегося сплава при малых скоростях затвердевания и градиентах температур.

При сварке же эти величины во много раз превосходят существующие при литье. Критерии горячеломкости – пластичность, темп деформаций и т.д. дают лишь сравнительную оценку склонности сплавов к образованию горчи трещин, а при определенных условиях затвердевания развитие напряжений в кристаллизующемся сплаве может определятся не только торможением свободной линейной усадки, но так же дилатационными изменениями фазового прехода и условиями фильтрации расплава в зону кристаллизации.

Представленные теории дают макро картину процесса и не учитывают ряд существенных деталей и особенности процесса кристаллизации металла шва.

Во-первых, кристаллизация сварочной ванны в большинстве случаев носит направленный характер. Кристаллы растут от линии сплавления к центру шва. Поэтому схема заклинивания кристаллов и снижения пластичности, разработанная и пригодная для условий литья, для сварки вряд ли правомерна.

Во-вторых, линейная усадка твердого металла на 1-2 порядка меньше, чем усадка при переходе из твердого в жидкое состояние. Поэтому неправомерно наблюдаемые усадки осреднять на ширину шва. Действительные деформации и напряжения сосредоточены на весьма малых участках фазового перехода жидкость-кристалл.

В-третьих, существующие теории предполагают сравнительно ограниченный арсенал средств борьбы с горячими трещинами, слабо учитывают элементарные термо-диффузионные и гидравлические процессы в двухфазной зоне кристаллизаций металла.

В четвертых, огромный теоретический, экспериментальный материал, подтверждающий тот факт, что одной из характерных особенностей кристаллизации при интенсивном теплоотводе является периодичность процесса кристаллизации. При этом неравномерность затвердевания обуславливается не только неравномерностью теплообмена в зоне кристаллизации при сварке, но и присуща этому процессу даже при высокой стабильности внешних тепловых условий в частности, кристаллизация сварочной точки. Как известно, характер кристаллизации определяет распределение ликватов, размер структуры, химическую неоднородность, а именно эти факторы, как упоминалось выше весьма значительно влияют на технологическую прочность. Кроме того, наличие неравновесной периодической кристаллизации приводит к периодическим нарастанием растягивающих напряжений и деформаций с большей скоростью в неравновесной двухфазной зоне, что совершенно не учитывается современной теорией.

Из всего выше сказанного следует, что параметры кинетики кристаллизации во многом должны определять склонность сплавов к образованию кристаллизационных трещин. В то же время изучение обширного литературного материала показало, что данные о влиянии характера кинетики кристаллизации на образование кристаллизационных трещин отсутствуют.

Воронежская государственная

архитектурно-строительная академия

УДК 669.017: 621.791

Ю.С.Ткаченко

РЕДУКЦИЯ ЗАДАЧИ СИНТЕЗА СВАРИВАЕМЫХ МИКРОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ И ИХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Стремление применять высокопрочные стали в сварных конструкциях в значительной мере ограничивается сегодня проблемой удорожания ресурсов и энергии. Одним из путей ее решения является более активное использование улучшенных низколегированных сталей с микролегирующими добавками активных элементов.

Существенная система разработки составов сталей и сварных соединений методом проб и ошибок перестала удовлетворять современным требованиям, она поглощает все больше времени и средств и дает все более скромные результаты. Единственным путем окончательного выбора состава свариваемых сталей и сварочных материалов в настоящее время является опыт. Решить эту задачу путем перебора всех возможных комбинаций элементов практически невозможно. В этих случаях системный анализ предписывает редукцию, т.е. расчленение всей задачи на части, которые поддаются решению. Их решают последовательно, а сложение их позволяет решить задачу целиком.

Задачу синтеза свариваемых сталей и их сварных соединений с микролегирующими добавками целесообразно разделить на следующие подзадачи:

1.Формулировка задания на состав стали или ее сварного соединения. Она осуществляется совместно заказчиком и разработчиком с четкой формулировкой технологических и эксплуатационных свойств конструкции и ее соединений.

2. Выбор рядов легирующих элементов и определение вредных примесей. Ряд легирующих элементов представляет собой последовательность химических элементов, которые в понижающей и повышающей степени могут изменить свойство данной основы сплава. При этом все элементы, входящие в ряд, должны быть недефицитны и экономически целесообразны. Особое место в этом ряду занимают микролегирующие элементы, которые находясь в сплавах в малых количествах (менее 0,1 % мас.), могут существенно влиять на эксплуатационные и технологические свойства стали и ее сварных соединений. Подзадача решается средствами физико-химического анализа с использованием двойных диаграмм железо-элемент.

3. Выбор легирующих комплексов. Легирующий комплекс представляет собой группу совместно вводимых легирующих элементов. Такие элементы должны воздействовать на различные свойства из числа указанных в подзадаче на состав стали и ее сварных соединений или взаимно усиливать эффективность друг друга. Эта подзадача может решаться опытным путем совместно с решением следующей подзадачи. Существенную роль при этом могут сыграть данные о взаимной растворимости легирующих элементов и многомерные диаграммы состояния при их наличии.

4. Выбор состава основы стали. В этой подзадаче решается вопрос о выборе конкретного оптимального состава основы сплава и наложением на него допусков по содержанию легирующих элементов, а также ограничений на вредные примеси. Подзадача решается путем планирования эксперимента, построения математической модели и ее оптимизации.

Решение предыдущих подзадач позволяет свести число легирующих элементов основы стали до приемлемого минимума.

5. Выбор окончательного состава микролегированной стали и ее сварных соединений. Закрепляя концентрации легирующих элементов (основы стали) на постоянных оптимальных уровнях, изучают влияние микролегирующих элементов. Это изучение целесообразно проводить с помощью исследований, основанных на методе непрерывного изменения параметров (НИП) – сплавах переменного химического состава, изменяющимся параметром является содержание исследуемого микролегирующего элемента или их комбинации. Эффективность решения данной подзадачи усиливается с применением методов экспресс-анализа служебных или технологических свойств. Выполнение данного этапа позволяет окончательно определить оптимальный состав микролегированной стали и ее сварных соединений.

Воронежский государственный

технический университет

УДК 681.3

А.С.Белякин, А.И.Часовских

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ

НА МНОГОПРОФИЛЬНОМ ПРЕДПРИЯТИИ

Качество продукции оценивается уровнем потребительских свойств и стоимостью изделий в сравнении с аналогичными объектами других изготовителей.

На стоимость продукции влияет дефектность продукции и вызванные этим дополнительные затраты на устранение погрешностей. В многопрофильном предприятии, где часть изделий выполняется в интересах обороны, необходимо использовать различные критерии определения качества: для изделий спецтехники применяют многоуровневую структуру контроля с документальным оформлением участия исполнителя в каждой контрольной операции; при выпуске товаров нефтехимии - создана система оперативной оценки качества на запланированных этапах создания продукции с возможностью быстрой корректировки технологического процесса на любом участке появления брака; для товаров народного потребления качество поддерживается по результатам сдаточных испытаний с использованием информационной системы, определяющей возможные причины появления брака.

Структура управления системой повышения качества включает организационные и экономические аспекты воздействия на исполнителей. Сюда входит научно-обоснованное оснащение производства технологическими средствами, возможности которых соответствуют заданному уровню качества, объем работ по отработке технологичности изделий, обучение и подготовка персонала всех уровней, создание структуры взаимодействия со смежниками, системы объективной интегральной оценки информации потребителей.

Любая рекламация может вызвать потерю авторитета изготовителя и привести к ухудшению экономического состояния предприятия. На заводе сформирована система управления качеством через материальное воздействие на подразделения и непосредственных исполнителей. Учет дефектов на всех стадиях производства изделий позволяет создать базу данных, дающую адресную информацию о виновниках материальных потерь, причем по мере увеличения величины выборки повышается достоверность получения истинного результата о причинах появления дефекта, его значимости, виновниках.

Управление процессом повышения качества включает организационные действия со стороны дирекции и контрольные - со стороны соответствующих служб и непосредственных исполнителей. Структура организации контроля включает все этапы от маркетинга до подтверждения достигнутого уровня на стадии эксплуатации изделий.

Воронежский механический завод

УДК 681.3

А.В. Клочко

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА СБОРОЧНЫХ УЗЛОВ

В процессе сборки гидро-пневмоузлов проявляются дефекты, допущенные при изготовлении деталей. В частности возникают течи, вызывающие нарушение работы таких узлов.

На предприятии накоплен большой опыт создания гидросистем специальных изделий, где в процессе многолетних испытаний и доводок удалось добиться высокой надежности функционирования узлов. Проведение подобного объема исследований с продукцией необоронного профиля, которая достигает в настоящее время около половины заказов, нереально из-за высокой стоимости стендов и большой длительности сроков испытаний превышающих прогнозируемый период выпуска испытуемых изделий. Для оценки достоверности имеющихся для специальной техники результатов при использовании их на другие машины требуется обосновать критерии подобия, учитывающие условия эксплуатации сравниваемых объектов и опыт доводки изделий оборонного профиля. В частности известно, что в летательных аппаратах разгерметизация магистралей и узлов наступает под действием знакопеременных нагружений и, как правило, не выявляется при опрессовке с повышенным давлением в процессе сдаточных испытаний гидро и пневмоузлов, например, нефтехимических устройств. В то же время известны методики расчета типовых узлов, работающих при вибрациях. К ним относятся резьбовые соединения, фланцы, присоединяемые болтами, уплотнения в узлах типа “шток-цилиндр” и другие.

Критерием подобия типовых сборочных узлов служит близость геометрической формы и размеров присоединительных элементов, параметров внешних воздействий, рабочих сред.

Автор перенес на испытание гидросистем оборудования условия формирования гидравлического удара в момент полета тел с ускорением на аналогичное поведение гидросмесей в системах станков при быстром подводе и отводе инструмента, спутника, особенно по командам программного управления.

Используя зависимости для определения зоны постоянного контакта поверхностей в болтовых соединениях, автор предложил методы расчета количества болтов во фланцах и минимально необходимое их количество, необходимое для стыковки магистралей без сдвига под действием известных импульсных нагрузок. При этом принято, что надежность соединений зависит от характеристик всего сборочного узла, в частности от его способности не входить в автоколебательный режим, вызывающий не только разгерметизацию, но и разрушение узлов.