Распределение температурных полей и изменение объёма металла в сварном соединении при дуговой сварке разнородных сталей перлитного класса

Введение (постановка задачи и актуальность). По результатам ранее проведённых практических исследований химического состава сварного шва и околошовных зон, твёрдости и структуры сварного соединения перлитных разнородных сталей 45 и 17ГС при изготовлении картеров ведущих мостов автомобилей повышенной проходимости, а также статических и усталостных испытаний было предложено совершенствование технологического процесса сварки. Чтобы полностью раскрыть суть и причины положительного эффекта результатов ранее проведённых исследований и предложенного технологического процесса, в настоящей работе был выполнен расчётный анализ температурных полей и их распределение в зонах сварного соединения, анализ изменения объёма нагретого металла сварного соединения, сделано сопоставление полученных результатов с выполненными ранее исследованиями и сформулированы общие выводы.

Цель исследования – определение влияния изменения объёма металла в сварном соединении перлитных разнородных сталей на структурные и фазовые превращения путём проведения расчёта распределения температурных полей.

Методология и методы. В работе использованы теоретические основы математического моделирования теории тепловых процессов и специализированная программа расчёта свойств сварных соединений, разработанная по методологии МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Результаты и научная новизна. Различие температурных интервалов фазовых и структурных превращений в сталях 45 и 17ГС обусловлено их теплофизическими свойствами. Процесс охлаждения при сварке этих сталей между собой сопровождается увеличением объёма, оказывая при этом взаимное деформационное воздействие, из-за чего аустенитные превращения протекают при более высокой температуре. В результате происходит самоотпуск продуктов превращения и релаксация сварочных напряжений.

Практическая значимость. Методику и результаты, представленные в данной работе, возможно использовать для прогнозирования свойств сварных соединений из других марок сталей.

1. Закс И.А. Сварка разнородных сталей. – Л.: Машиностроение, 1973. – 208 с.

2. Карпухин К.Е., Ломакин В.В., Кондрашов В.Н. Тенденции развития автомобилестроения. Учебное пособие. – М.: МГТУ «МАМИ», 2008. – 70 с.

3. Шкель А.С., Загарин Д.А., Козловская М.А., Дзоценидзе Т.Д. Высокопрочные стали производства ООО «Уральская сталь» для несущих систем транспортно-технологических машин // Автомобильная промышленность. – 2016. – № 6. – С. 32–35.

4. Павленко П.Д. Расчётно-экономические исследования прочности картеров ведущих мостов грузовых автомобилей // Грузовик. – 2003. – № 6. – С. 24–26.

5. Мусиенко А.М. Повышение выносливости ведущих мостов автомобилей из перлитных разнородных сталей путём совершенствования технологии дуговой сварки плавящимся электродом в среде защитного газа: дис. … канд. техн. наук. – М.: МГИУ, 2006. – С. 105.

6. Мусиенко А.М., Шишанов С.М., Башкин А.М. Расчётный анализ и результаты практических исследований свойств комбинированного сварного соединения картеров ведущих мостов // Труды НАМИ. – 2024. – № 4 (299). – С. 91–101. DOI: 10.51187/0135-3152-2024-4-91-101.

7. Королёв Н.М. Расчёты тепловых процессов при сварке, наплавке и термической резке. Учебное пособие. – Екатеринбург: УГТУ, 1996. – 156 с.

8. Aglan H.A., Ahmed S., Prayakarao K.R., Fateh M. Effect of preheating temperature on the mechanical and fracture properties of welded pearlitic rail steels // Engineering. – 2013. – V. 5. – No. 11. – P. 837–843. DOI: 10.4236/eng.2013.511101.

9. Bodude M., Momohjimoh I. Studies on effects of welding parameters on the mechanical properties of welded low-carbon steel // Journal of Minerals and Materials Characterization and Engineering. – 2015. – V. 3. – No. 3. – P. 142–153. DOI: 10.4236/jmmce.2015.33017.

10. Bose-Filho W.W., Carvalho A.L.M., Strangwood M. Effects of alloying elements on the microstructure and inclusion formation in HSLA multipass welds // Materials Characterization. – 2007. – V. 58. – No. 1. – P. 29–39.

11. Banerjee A., Ntovas M., Da Silva L., Rahimi S., Wynne B. Interrelationship between microstructure evolution and mechanical properties in inertia friction welded 8630 low-alloy steel // Archives of Civil and Mechanical Engineering. – 2021. – V. 21. – Art. no. 149. DOI: 10.1007/s43452-021-00300-9.

12. Belkahla Y., Mazouzi A., Lebouachera S.E.I., Hassan A.J., Fides M. Hvizdos P., Cheniti B., Miroud D. Rotary friction welded C45 to 16NiCr6 steel rods: statistical optimization coupled to mechanical and microstructure approaches // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2021. – V. 116. – P. 2285–2298. DOI: 10.1007/s00170-021 –07597-z.

13. Кархин В.А. Тепловые основы сварки: учебное пособие. – Л.: ЛГТУ, 1990. – 100 с.

14. Savija I., Culham J.R., Yovanovich M.M., Marotta E.E. Review of thermal conductance models for joints incorporating enhancement materials // Journal of Thermophysics and Heat Transfer. – 2003. – V. 17. – No. 1. – P. 43–52.

15. Макаров Э.Л., Якушин Б.Ф. Теория свариваемости сталей и сплавов / под ред. Э.Л. Макарова; 2-е изд., испр. и доп. – М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018. – 549 с.

16. Смирнов И.В. Сварка специальных сталей и сплавов: учебное пособие / 3-е изд. стер. – СПб.: Лань, 2019. – 268 с.

17. Коновалов А.В., Куркин А.С., Неровный Э.Л., Якушин Б.Ф. Теория сварочных процессов: учебник для вузов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. – 752 с.