Лазерный мир

А.Б. Иванченко канд. техн. наук, А.В. Жданов канд. техн. наук// Опубликовано в: Научно-технический вестник Поволжья. 2019. № 2. С. 34-37.

В статье описана методика для определения остаточных сварочных напряжений в условиях лазерной сварки. Проведена оценка их влияния на статическую прочность сварного соединения. Результаты экспериментальных исследований подтвердили высокую эффективность предложенных моделей.

Ключевые слова: лазерная сварка (ЛС), остаточные сварочные напряжения (ОСН), метод конечных элементов (КЭ).

Сварные соединения широко применяются в современной технике. ОСН, возникающие на разных стадиях технологического процесса изготовления конструкционных элементов, часто оказывают значительное негативное влияние на статическую и усталостную прочность конструкций. Точный расчет действительного распределения ОСН на стадии проектирования сварных конструкций и определения технологических параметров сварочного процесса открывает новые возможности повышения эксплуатационной надежности сварных конструкций. Прогресс в этом направлении зависит от наличия надежных расчетных методик определения ОСН в зонах термического влияния сварных швов (СШ) и их воздействие на статическую и усталостную прочность конструкций в условиях эксплуатации.

Растягивающие ОСН, концентрация напряжений, вносимая сварным соединением, существенно снижают статическую прочность соединения, что подтверждают сравнительные испытания на разрыв сварных и цельных образцов из стали 3 ГОСТ 19903-74 на испытательной машине WDW-100E. Результаты испытаний и геометрические характеристики образцов приведены в таблице 1.

Снижение предела прочности сварных образцов на 95…153 МПа связано, в основном, с появлением ОСН, вклад структурных изменений стали в снижение прочностных характеристик соединения для условий ЛС не превышает 10% [1]. Для оценки влияния технологических параметров лазерного излучения на статическую прочность СШ при

однопроходной ЛС листов из однородных материалов предлагается следующий алгоритм:

(1) моделирование теплового состояния свариваемых образцов на основе решения нестационарной задачи теплопроводности методом КЭ с использованием современных CAE–комплексов; (2) моделирование напряженного деформированного состояния (НДС) свариваемых образцов, вызванного температурным воздействием, на основе решения задачи теории термоупругости методом КЭ; (3) определение пластических температурных деформаций в зоне термического влияния СШ на основе обобщенного принципа Нейбера для температурных напряжений и уравнений Дж. Морроу, определяющих связь амплитуд упругой и пластической деформаций с количеством циклов до образования усталостной трещины; (4) определение ОСН в зоне термического влияния по результатам расчета пластических температурных деформаций.

Рассмотрим подробнее каждый шаг предлагаемого алгоритма. Решение нестационарной задачи теплопроводности осуществляется в трехмерной постановке методом КЭ. Движение источника тепла при ЛС учитывается последовательными вложениями теплоты по длине СШ. Для этого в модели область СШ разбивается на участки в виде последовательности отдельных объемов, геометрические размеры которых сопоставимы с размерами сварочной ванны (СВ). Время подвода теплоты на каждом участке зависит от длины СВ и скорости перемещения луча лазера. Температура объема СВ во время подвода теплоты принимается постоянной и равной температуре на границе СВ и основного металла, т.е. температуре плавления, далее следует остывание, обусловленное процессом теплопередачи в металл и окружающую среду. Для определения геометрических параметров СВ приемлемую точность обеспечивают зависимости [2]. Численное моделирование процесса ЛС проводилось для пластин из стали 3 толщиной 1,5 мм встык. Режим ЛС определялся на основании расчета параметров СВ [2]: мощность P = 0,8 кВт, скорость ЛС n = 0,03 м/с при нулевом положении фокальной плоскости лазера. Были получены следующие геометрические характеристики СВ: длина L = 1,2 мм, ширина провариваемой зоны B = 1,3 мм, максимальная глубина проплавления H = 1,9 мм. Таким образом, СШ длиной 30 мм состоял из 25 участков. Время прохождения лучом каждого участка составило t = 0,04 с. Для каждого из участков последовательно решалась нестационарная задача теплопроводности. При решении полученное на последнем шаге температурное поле являлось начальными условиями для последующего временного интервала. Теплоотвод с поверхностей свариваемых образцов моделировался граничными условиями 3 рода (коэффициент теплоотдачи – 300 Вт/м2К, температура окружающей среды – 19 0С), которые соответствовали условиям обдува инертным газом зоны сварки. Теплофизические свойства стали (теплоемкость, теплопроводность) задавались как функции от температуры. КЭ-модель состояла из 148249 узлов и 804472 четырехузловых объемных КЭ, средний размер ребра КЭ – 0,2 мм. 3D модели создавались в среде CAD – комплекса Solid Works, расчеты проводились в CAE–комплексе SolidWorks Simulation.

полное содержание статьи: https://www.elibrary.ru/contents.asp?id=36971277