Лазерный мир

Гоц А.Н., Гусев Д.С., Гуськов В.Ф., Люхтер А.Б.  //  Современные наукоемкие технологии. – 2019. – № 9. – С. 64-69;

Для снижения массы транспортных средств (легковые автомобили, автобусы) с целью обеспечения максимального запаса хода их в городском режиме при полной заправке используются новые материалы, а также легкие металлы, такие как алюминий и магний, составляющие в сумме около 50 % всей снаряженной массы автомобилей [1].

Кроме того, стальной облицовочный материал заменяется на алюминиевые листы, которые закрепляются на каркасах из стального металлопроката, что уменьшает собственную массу автомобиля, а также к снижению расхода топлива эксплуатационных расходов при обеспечении прочности элементов конструкции при действии эксплуатационных нагрузок [2].

Соединение алюминиевых панелей на стальном каркасе в современном производстве автобусов и легковых автомобилей осуществляемое либо с помощью различного рода клеев или сваркой.

При последнем способе соединения происходит нагрев соединяемых деталей, что приводит к появлению в них остаточных напряжений после остывания [3–5]. Даже если в эксплуатации облицовка кузова испытывает переменные напряжения невысокого уровня от действующих нагрузок, то влияние остаточных напряжений в сварных соединениях на пределы выносливости оказывается высоким [6, 7].

В связи с этим проблема повышения надежности элементов кузова транспортных средств, состоящих из листов алюминиевых сплавов, сваренных на каркасе из стали, прогнозирование ее долговечности является актуальной задачей.

Цель исследования: разработка методики расчета на долговечность элементов кузовов транспортных средств со сварными соединениями из стали и алюминиевых сплавов, что позволит прогнозировать их надежность в эксплуатации. Материалы и методы исследования

Объектом исследования является долговечность сварных составных элементов кузовов транспортных средств из стали и алюминиевых сплавов под действием инерционных нагрузок при эксплуатации с учетом остаточных напряжений в соединении после сварки. В качестве предмета исследования принята опытная крышка смотрового люка отсека силовой установки электробуса Волгабас 5270E.

Основные положения предлагаемой методики расчета на долговечность составных элементов кузовов из стали и алюминия, работающих под действием инерционных нагрузок при наличии остаточных напряжений, которые возникают в конструкции после сварки стального каркаса с алюминиевым листом, представлены в виде блок-схемы на рис. 1.

Численные методы расчета проводятся с использованием метода конечных элементов (МКЭ), и для всей конструкции конечно-элементная модель (КЭМ) должна быть достаточно громоздкой, так как состоит из значительного количества элементов и узлов, что скажется на эффективности расчета. Поэтому отработка методики проводится на контрольных образцах (рис. 2), а результаты этого исследования будут перенесены на реальную конструкцию.

После выбора способа соединения листов из алюминия со стальным каркасом для элементов конструкции на контрольных образцах проводится его экспериментальная отработка. В нашем случае в качестве способа соединения была выбрана лазерная сварка [8].

При сварке температурное поле в окрестностях сварного шва регистрируется хромель-алюмелевыми термопарами, что позволяет выбрать способ сварки с наименьшим тепловым потоком, а также для формирования начальных и граничных условий теплообмена с целью проверки сходимости расчетных и экспериментальных температур при решении нестационарной задачи теплопроводности в процессе лазерной сварки [9].

Для определения геометрии сварочной ванны и ее влияния на остаточные напряжения изготавливаются макрошлифы сварных соединений из сварных образцов, что позволяет определить объем сварочной ванны, а также характер передачи теплоты при движении лазерного луча [9]. В объеме сварочной ванны из-за воздействия лазерного луча за время сварки происходит перемешивание металлов, что позволяет принять температуру расплава равной температуре плавления стали. Такая формализация источника теплоты упрощает задание начальных и граничных условий теплообмена в процессе сварки. Расчет температурных полей в процессе лазерной сварки стальных и алюминиевых листов внахлест более подробно рассмотрен в работе [9].

Для исследования прочности сварных соединений и уточнения ГУ в качестве объекта исследования принят контрольный сварной образец (рис. 2), полученный лазерной сваркой по разработанному способу и состоящий из двух стальных и двух алюминиевых пластин, соединенных четырьмя сварными швами (прямолинейными или кольцевыми). Длина рабочей части образца составляет l0 = 120 мм, ширина рабочей части образца b = 30 ± 0,5 мм, согласно ГОСТ 6996-66.

Для определения временного сопротивления σv контрольные сварные образцы были испытаны по ГОСТ 6996-66 при статическом растяжении на разрывной машине WDW-100E, скорость нагружения составляла 5 мм/мин (что составляло в ходе экспериментов рост напряжения не более 6 МПа/с, а по ГОСТ 1497-84 для цветных металлов допускается его рост от 1 до 10 МПа/с) [10]. На контрольных образцах экспериментально проводится измерение деформации под действием тепловой нагрузки при сварке, например, с помощью рычажного тензометра.

Полное содержание статьи: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=37667