Анализ состояния вопроса и перспективы применения лазерной сварки в машиностроении

     СОДЕРЖАНИЕ
     
ВВЕДЕНИЕ	3
1 Анализ состояния вопроса и перспективы применения лазерной сварки в машиностроении	6
1.1 Особенности распределения сварочных напряжений и деформаций при лазерной обработке металлов	8
1.2 Анализ методов расчета микроструктуры при многократном нагреве и охлаждении	11
1.3 Модели расчета свойств металла в температурном интервале фазовых превращений	23
1.4 Анализ существующих методов учета фазовых превращений при расчете напряжений и деформаций	25
2 Алгоритм термомеханической задачи	28
2.1 Описание принятых физических и математических моделей	28
2.1.1 Температурная задача	28
2.1.2 Металлографическая задача	32
2.1.3 Механическая задача	36
2.2 Разработка метода расчета свойств металла в температурном диапазоне фазовых превращений	40
2.3 Алгоритм решения термомеханической задачи	41
3 Влияние фазовых превращений на кинетику напряжений и деформаций	44
ЗАКЛЮЧЕНИЕ	52
Список использованных источников	54




     ВВЕДЕНИЕ
     
     Без создания качественно новых материалов и технологий невозможно развитие и техническое перевооружение промышленности. Они способны обеспечить снижение металлоемкости выпускаемой продукции, увеличение эксплуатационных характеристик и экологическую безопасность. К одним из наиболее перспективных и быстроразвивающихся технологических процессов можно отнести лазерные технологии [23,37].
     Интерес к лазерному лучу обусловлен возможностью достижения высоких значений мощности и плотности потока энергии, а также легкостью транспортировки лазерного излучения. Эксперименты показывают, что лазерные технологии не только позволяют экономить, но и получать материалы с новыми свойствами, недостижимыми с помощью традиционных технологий.
     Отличительной особенностью сварки мощными концентрированными источниками энергии (лазерным и электронным лучом) является так называемое «кинжальное» проплавление, характеризующееся значительной глубиной при малой ширине шва [13].
     Вопросы прочности и работоспособности сварных конструкций являются важными и актуальными в транспортном машиностроении (автомобили, вагоны и др.). Для их решения можно использовать какрасчетные, так иэкспериментальные методы. В связи с тем, что экспериментальные методы в большинстве своемдорогостоящие итрудоемкие, для оценки напряженно – деформированного состояния сварных соединений все шире используются численные методы, такие как метод конечных разностей и метод конечных элементов. В настоящее время мощным средством решения дифференциальных уравнений, описывающих различные физические процессы, являетсяметод конечных элементов.
     Применение и развитие расчетных методов для прогнозирования работоспособности и прочности сварных конструкций позволяет свести к минимуму количество необходимых экспериментов, а, следовательно, и используемых материалов.
     Очень важно при прогнозировании прочности сварной конструкцииисследовать напряженно-деформированное состояние в объеме металла, что в отличие от экспериментальных методов позволяют сделать расчетные методы.
     Существует более двадцати коммерческих программ широкого назначения для решения задач методом конечных элементов [14,26,48,49].
     Большое влияние на напряженно-деформированное состояние, а, следовательно, и на прочность и работоспособность конструкции, также оказывают низкотемпературные фазовые превращения [50].Не только к количественным, но и к качественным ошибкам приводят расчеты напряженно-деформированного состояния без учета фазовых превращений. Поэтому в настоящее время остается актуальной проблема создания программного комплекса, позволяющего решать сварочные задачи с учетом характерных особенностей.
     Разработке математической модели напряженно-деформированного состояния с учетом низкотемпературных фазовых превращений при лазерной обработке металлов и посвящена данная работа.
     Целью данной работы является разработка математической модели напряженно-деформированного состояния с учетом фазовых превращений при лазерной обработке металлов.
     Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
     1. Проведение аналитического обзора, с целью обоснования подбора методики для разработки математической модели напряженно-деформированного состояния металла.  
     2. Разработка метода расчета свойств металла в температурном диапазоне фазовых превращений;
     3. Разработка методики расчета сварочных напряжений и деформаций с учетом фазовых превращений.
     Проблемы прочности, точности изготовления и работоспособности сварных конструкций непосредственно связаны с изменением в процессе сварки температурных полей, структуры металла и напряженно-деформированного состояния. Актуальной является проблема оценки напряженно-деформированного состояния сварных соединений с учетом фазовых превращений.


1 Анализ состояния вопроса и перспективы применения лазерной сварки в машиностроении

     Одним из наиболее перспективных направлений в машиностроении является лазерная сварка. Сварка в настоящее время является самым распространенным способом создания неразъемных соединений металлических конструкций. 
     Лазерная сварка металлов - это процесс высокотехнологичный и порой единственно возможный при определенных видах работ. Источником нагрева при лазерной сварке металловслужитлазерный луч. Из всех типов лазеров для сварки металлов наиболее подходят газовые и твердотельные модификации лазеров. Высокая скорость лазерной сварки по сравнению с дуговыми способами, большая концентрация тепловой энергии и тепловое воздействие на околошовную зону вследствие высоких скоростей нагрева и охлаждения металла повышают сопротивляемость большинства конструкционных материалов образованию горячих и холодных трещин. Это обеспечивает высокое качество сварным соединениям из материалов, плохо свариваемых другими способам сварки.
     Главные преимущества по сравнению с другими существующими методами сварки:
     * узкая зона термического влияния, за счет большой скорости сварки;
     * низкая деформация сварных соединений;
     * сварные швыс глубоким проплавлением;
     * возможность подачи защитного газа и легирующих элементовв зону сварки;
     * отсутствие пористости в сварных соединениях
     * экологичность (современная установка лазерной сварки позволяет обойтись без вспомогательных сварочных материалов и флюсов);
     * высокая производительность по сравнению с прочими способами сварки.


1.1 Особенности распределения сварочных напряжений и деформаций при лазерной обработке металлов

     Неравномерный высокотемпературный нагрев, кристаллизационная усадка швов, структурные изменения металла шва и околошовной зоны при сварке является причиной внутренних тепловых напряжений и деформаций. Чем ниже теплопроводность металла и выше температура нагрева, тем будут выше напряжения и температурные деформации в сварном соединении.
     В период остывания наблюдается обратная картина: укороченные волокна металла стремятся принять свои новые размеры, но этому сопротивляются те же не нагревавшиеся участки конструкции. Такое сопротивление при остывании конструкции приводит к появлению в нагревавшемся участке соединения напряжений растяжения, которые также достигают предела текучести и вызывают пластические деформации обратного знака (растяжения). Появившиеся пластические деформации растяжения не могут полностью компенсировать укорочение. Поэтому на участке сварного соединения остаются деформации укорочения и соответствующие им активные напряжения растяжения, вызывая появление уравновешивающих их напряжений сжатия в смежных (не нагревавшихся) участках. При уравновешивании напряжений происходит видимое формоизменение незакреплённой (свободной) конструкции, то есть её деформирование.
     Напряжения, возникающие при сварке, относятся к собственным напряжениям, существующим в сварной конструкции при отсутствии внешних нагрузок. Собственные напряжения разделяют на макро- и микронапряжения. Макронапряжения в пределах размера зерна металла изменяются незначительно, имеют определённую ориентацию и уравновешены в пределах конструкции. Микронапряжения претерпевают значительные изменения в пределах зерна металла.
     Изучение процесса образования деформаций и сварочных напряжений очень важно для решения следующих задач:
     * оценка вероятности появления трещин в процессе изготовления конструкций;
     * определение поля остаточных напряжений с целью учета их при оценке работоспособности конструкции;
     * решение вопросов, связанных с проблемой точности изготовления конструкций.
     Сварочные напряжения бывают одноосными (в элементах стержневого типа), двухосными (в пластинах и оболочках) и трёхосными (в массивных изделиях). Их классифицируют по следующим признакам:
     ? по времени существования – временные (существуют при нагреве и остывании конструкции) и остаточные (остающиеся после полного остывания конструкции);
     ? по направлению действия – продольные (параллельные оси сварного шва) и поперечные (перпендикулярные оси шва);
     ? по причине появления – температурные (от неравномерного распределения температур), структурные (от структурных превращений в металле) и деформационные (обусловлены упруго-пластическими деформациями металла);
     ? по характеру действия – активные, уравновешивающие (собственно сварочные напряжения), реактивные (от действия внешних связей).
     Сварные конструкции в результате появления упругопластических деформаций в сварных соединениях могут изменить свои размеры и претерпеть общие деформации. Последние могут быть продольными и поперечными, деформациями изгиба, скручивания и потери устойчивости.
     В результате продольных и поперечных деформаций происходит сокращение элементов по длине и ширине. Эти деформации образуются при симметричной укладке сварных швов.
     Деформации изгиба образуются при несимметричном расположении сварных швов в конструкциях и сопровождаются продольным сокращением элементов - продольной усадкой швов и поперечным сокращением - поперечной усадкой швов. Этот вид деформации в практике встречается довольно часто.
     Деформации скручивания образуются вследствие несимметричного расположения швов в поперечных сечениях элементов.
     Деформации потери устойчивости вызываются сжимающими напряжениями, которые образуются в процессе нагревания и остывания изделий.
     Таким образом, имеют большое практическое значение вопросы расчетного определения сварочных деформаций и напряжений, оценка их влияния на работоспособность конструкции, а также оптимизация технологического процесса изготовления сварных конструкций.
     На временные и остаточные напряжения и деформации при сварке оказывают значительное влияние фазовые превращении. Это влияние обусловлено изменением объема и свойств металла при фазовых превращениях. Оценка напряженно-деформированного состояния без их учета приводит к существенным качественным и количественным ошибкам [13].


1.2 Анализ методов расчета микроструктуры при многократном нагреве и охлаждении

     Вопросам, посвященным металловедению сварки, в литературе уделяется большое внимание [8,9,18,19].
     Под действием температурного поля источника теплоты в металле сварного соединения происходят физико-химические и термодеформационные процессы.
     Физико-химические процессы при сварке характеризуются фазовыми и структурными превращениями. Полнота и степень этих превращений зависит от параметров сварочного термического цикла и химического состава материала
     К фазовым превращениям относятся:
     а – полиморфные превращения (образование в зависимости от скорости охлаждения перлита, сорбита, троостита, бейнита и мартенсита) (рисунок 1.6);
     б– растворение (при нагреве) и выделение (при охлаждении) новых фаз при изменении растворимости примесей.
     К структурным превращениям относятся:
     а – рост зерна в условиях сварочного термического цикла;
     б– рекристаллизация (рост новых зерен в области низких температур).
     Металл сварного соединения неоднороден [16,19]. При сварке плавлением в сварном соединении можно выделить три ярко выраженных зоны: закристаллизовавшийся металл шва, металл зоны термического влияния и основной металл. Зоной термического влияния называют примыкающую к сварному шву зону основного металла с измененной в процессе сварки структурой. Общий размер зоны термического влияния при лазерной сварке в 3-5 раз меньше, чем при аргонодуговой.
     Рассмотрим строение этой зоны для однопроходной сварки плавлением сплавов с полиморфным превращением на примере низкоуглеродистой стали. Для этого сопоставим кривую максимальных температур с диаграммой состояния железо-углерод (рисунок 1.1). По положению критических точек на кривой максимальных температур в зоне термического влияния можно выделить несколько участков с различной структурой:
     I – зона сплавления (TC