Коновалов А.В., к.т.н. (МГТУ ім. Н. Е. Баумана, Москва, Росія)
В даний час в області зварюваності низьколегованих сталей (НЛС) накопичений значний теоретичний і експериментальний матеріал, проте забезпечення достатньої зварюваності НЛС як і раніше є складною технологічною задачею. Найбільш небезпечним проявом недостатньої зварюваності НЛС є холодні тріщини (ХТ). Значні труднощі викликає забезпечення заданого комплексу механічних і експлуатаційних властивостей різних зон зварного з'єднання.
Накопичений досвід свідчить, що істотні резерви забезпечення зварюваності НЛС приховані в правильному виборі теплового режиму зварювання і зварювальних матеріалів. Однак відсутність науково обгрунтованої методики такого вибору не дозволяє ефективно використовувати зазначені резерви і призводить до застосування традиційних рішень - призначенням підігріву, наступного відпуску зварних конструкцій, або застосування зварювальних матеріалів аустенітного класу, хоча існує принципова можливість досягнення позитивного результату при використанні більш дешевих зварювальних матеріалів перлітного класу .
Перераховані недоліки значною мірою пояснюються складністю і великим числом взаємозалежних процесів, що протікають в сталях при зварюванні, неоднозначною залежністю показників зварюваності від параметрів технології зварювання. Цілком очевидно, що тільки використання технічних можливостей сучасної комп'ютерної техніки для комплексного аналізу технологічних варіантів зварювання шляхом моделювання сукупності протікають в металі процесів, дозволить отримувати оптимальні технологічні рішення при значному зниженні ресурсоємності самого процесу розробки.
Технологія зварювання як об'єкт проектування
Проектування технології зварювання полягає у виборі способу зварювання, зварювальних матеріалів, визначенні параметрів режиму та умов зварювання, а також додаткових технологічних заходів, що забезпечують необхідну якість зварного вироби і необхідні техніко-економічні виробничі показники. Технічне завдання (ТЗ) зазвичай оговорює перелік і діапазон допустимих значень показників якості зварного з'єднання у вигляді технічних вимог (ТТ).
Стосовно до зварювання НЛС зазвичай регламентуються показники суцільності, геометричні характеристики і комплекс механічних властивостей різних зон зварного з'єднання; техніко-економічні показники та інші вимоги, що відображають специфіку конкретного виробництва: наявні виробничі потужності, санітарно-гігієнічні норми, галузеві норми і т.п.
У основі проектування зазвичай закладений принцип оптимізації - вибору найкращого з якогось критерієм варіанту з усіх допустимих по ТЗ рішень. Для комп'ютерного проектування необхідна формалізація об'єкта у вигляді адекватної математичної моделі (ММ), визначення функції мети і вибір методу вирішення задачі оптимізації.
Формування моделі на основі системного аналізу
ММ виду Y = M (X) є математичним аналогом об'єкта. Під оператором М розуміється повна система операцій, що описує чисельні і логічні відносини між вектором вхідних параметрів X і вектором вихідних параметрів Y (рис. 1).
Рис.1. Технологія зварювання як об'єкт проектування
Подібні моделі вирішують завдання аналізу, тобто дозволяють отримувати значення показників (Y) при заданому наборі вхідних параметрів (X). Коректність аналізу визначається ступенем адекватності моделі досліджуваного об'єкта.
Аналіз взаємозв'язків процесів, що визначають формування показників зварюваності НЛС (рис. 2) показує, що ці взаємодії можуть бути описані ветвящейся структурою з зворотними зв'язками, що приводить до ускладнення моделі. Для прийняття обгрунтованого рішення про спрощення моделі необхідний додатковий аналіз суттєвості виявлених зворотних зв'язків.
Рис. 2. Схема взаємозв'язків показників зварюваності НЛС з процесами, що протікають в металі при зварюванні
Зворотне вплив структурних перетворень на протікання теплових процесів пов'язано зі зміною теплофізичних властивостей матеріалу при перетвореннях, а також з тепловими ефектами цих перетворень. Облік цього взаємозв'язку можливий шляхом спільного розв'язання температурної і структурної завдань.
Якщо підходи до обліку впливу структурних перетворень на ПДВ добре відомі (через величину фазової дилатації і властивості матеріалу), то кількісний опис зворотного впливу не дозволяє врахувати його належним чином. З тієї ж причини не враховується вплив ПДВ на дифузію водню (пунктирні лінії на рис. 2).
У результаті вжитих допущень в ММ відсутні зворотні зв'язки, і моделювання зводиться до послідовного аналізу процесів у порядку, визначеному структурою зв'язків на рис. 2. Для зменшення трудомісткості ММ формування показників зварюваності розглядається не в усьому обсязі вироби, а лише в ОШЗ зварного з'єднання, найбільш небезпечною з точки зору освіти ХТ. На основі розробленої ММ був створений інженерний програмний комплекс «Зварюваність легованих сталей» [2,4].
Математичне формулювання мети проектування
Як правило, метою проектування технології зварювання є досягнення найкращих техніко-економічних показників зварювального виробництва за обов'язкової умови забезпечення необхідного рівня якості виробу. Оскільки виконання комплексу ТТ є неодмінною умовою придатності проектного рішення, то ступінь виконання кожного з умов працездатності виду yj <TTj повинна враховуватися при обчисленні цільової функції. Для усунення проблем, пов'язаних з різною розмірністю і фізичною суттю показників, що входять в умови працездатності, доцільно використовувати безрозмірні величини, що враховують розкид вихідних параметрів об'єкта [3]:
де zj - запас працездатності по j-му вихідному параметру;
aj - коефіцієнт, який відображає важливість вихідного параметра;
TTj - нормативне значення вихідного параметра; yj - поточне значення вихідного параметра; j - величина, що характеризує розкид параметра.
Максимізація мінімальної з оцінок zj підвищує ймовірність виконання того з умов працездатності, яке характеризується в даний момент найменшою вірогідністю виконання [3]. Таким чином, синтез параметрів технології зварювання НЛС зводиться до наступної математичної формулюванні: для об'єкта, що описується моделлю Y = M (X) визначити такий вектор вхідних параметрів X *, що лежить в області допустимих рішень ХД, щоб, по-перше, досягти максимуму цільової функції мінімального запасу працездатності і, по-друге, забезпечити в -околі точки Х *, яка визначається можливими збуреннями за вхідними параметрами, стійке по вихідних параметрах стан:
F (X *) = max min zj
X ХД j = [1: m]
F (X * + X) = min zj> 0
j = [1: m]
Вибір методу розв'язання задачі синтезу
Важливою властивістю цільових функцій є їх гладкість, зокрема, відсутність гребенів. Складність пошуку екстремуму гребньовій функції полягає в тому, що при переході через гребінь градієнт цільової функції різко змінює свій напрямок на майже протилежне, у той час як найкращим напрямком пошуку є дотична до гребеня. Це приводить звичайно до «заклинювання» пошуку в околицях гребеня.
Аналіз фізичної сутності ТТ, що пред'являються до зварному з'єднанні НЛС, показує, що вони є суперечливими: поліпшення одного показника, наприклад, підвищення міцності, призводить до погіршення іншого - зниженню пластичності. У залежності від пропонованих ТТ можливо навіть відсутність прийнятного проектного рішення. Область пошуку проектних рішень визначається як прямими обмеженнями на вхідні параметри, так і функціональними (відсутність ХТ, необхідний комплекс властивостей). Отже, при виборі методу розв'язання необхідно орієнтуватися на методи умовної оптимізації з обмеженнями.
Враховуючи конфліктність вихідних параметрів моделі, можна зробити висновок про неминучість виникнення гребньовій ситуації в процесі пошуку, що дозволяє розглядати завдання оптимізації за максимінної критерієм як завдання пошуку при наявності обмежень типу рівностей. Для вирішення таких завдань є ефективний метод пошуку - метод проекції градієнта. При його використанні траєкторія пошуку проходить уздовж вершини гребеня, чим забезпечується істотно більш швидке просування до мети, ніж при застосуванні градієнтних методів чи методів прямого пошуку [3].
Алгоритм рішення задачі проектування
Найбільшою гнучкістю мають інтерактивні засоби проектування, що дозволяють використовувати досвід фахівця при аналізі проміжних результатів та прийнятті рішень. Алгоритм такої інтерактивної процедури стосовно до синтезу параметрів технології зварювання НЛС в середовищі захисних газів представлений на рис. 3.
Рис. 3. Алгоритм розв'язання задачі синтезу параметрів технології дугового зварювання НЛС в середовищі захисних газів
На етапі перевірки коректності вихідних даних оцінюється і принципова можливість досягнення прийнятного рішення. Оскільки показники зварюваності є структурно-залежними характеристиками, визначається допустимий діапазон структурних станів НЛС, які забезпечують виконання ТТ до комплексу властивостей ЗТВ. У разі неможливості виконання зазначених ТТ вони визнаються несумісними і підлягають коригуванню.
Для зменшення трудомісткості синтезу доцільно зробити декомпозицію моделі по зв'язку шов - ЗТВ і вирішувати завдання послідовно: спочатку знайти рішення для основного металу без варіації складу металу шва (ТТ до основного металу, як правило, є більш жорсткими), а потім вибрати зварювальний дріт.
Оптимізація теплового режиму зварювання проводиться для забезпечення необхідного комплексу властивостей ЗТВ. На цьому етапі розрахунку визначаються параметри режиму зварювання та підготовки кромок з'єднання, що забезпечують отримання зварного шва заданих розмірів, а також температура підігріву для досягнення необхідного структурного стану ЗТВ і стійкості до утворення ХТ (рис. 4).
Рис. 4. Побудова області якості при оптимізації теплового режиму зварювання
Після вибору теплового режиму робиться спроба підбору стандартної зварювального дроту з бази даних, що забезпечує при визначених раніше параметрах режиму зварювання отримання необхідного комплексу властивостей металу шва. Вибір визнається вдалим, якщо все ТТ до металу шва (у тому числі по стійкості до ХТ) виконуються, і при цьому показник опірності ЗТВ не опускається нижче заданого рівня. За відсутності підходящої стандартної дроту може бути розрахований її необхідний хімічний склад і сформульовано ТЗ на виготовлення спеціального дроту.
Останнім етапом є перевірка стійкості знайденого рішення при коливаннях вхідних параметрів у межах їх природного розкиду. Рішення визнається стійким, якщо перевірка методом найгіршого випадку не виводить його за межі області якості; в іншому випадку необхідне коригування рішення, або (за вузькості області якості) зменшення розкиду параметрів (за рахунок вибору зварювального устаткування, стабілізації параметрів режиму тощо) .
Список літератури
1. Макаров Е.Л. Холодні тріщини при зварюванні легованих сталей .- М.: Машинобудування, 1981 .- 247 с.
2. Макаров Е.Л., Коновалов А.В. Система комп'ютерного аналізу зварюваності та технології зварювання конструкційних легованих сталей / / Зварювальне виробництво, 1995 .- N3 .- С. 6-9.
3. Анісімов Б.В., Бєлов Б.І., Норенков І.П. Машинний розрахунок елементів ЕОМ .- М.: Вища школа, 1976 .- 336 с.
4. Комп'ютерне проектування і підготовка виробництва зварних конструкцій: Учеб. посібник для вузів / Під ред. С. А. Куркіна і В. М. Ховова .- М.: Із МГТУ ім.Н.Е.Баумана, 2002 .- 464 с.