Применение математических методов для исследования температурно-временных условий процесса дуговой наплавки при изготовлении сталеалюминиевых композиций

Разработана и верифицирована математическая модель для исследования температурно-временных условий процесса дуговой наплавки при изготовлении сталеалюминиевых композиций. При моделировании в базу данных программного комплекса «СВАРКА» добавляли зависимости теплофизических свойств (теплопроводности и теплоемкости единицы массы вещества при постоянных давлении и объеме) исследуемых материалов от температуры нагрева. Геометрическую модель объекта при моделировании процесса дуговой наплавки задавали в виде единого тела, которое, например, в случае формирования функциональных покрытий на основе цветных сплавов на стальных основаниях, может состоять из различных материалов. Параметрами тепловых нагрузок источника нагрева являются: скорость движения, мощность, распределение вдоль и поперек шва, а также наличие и марка наплавочного материала. Расчет распространения тепла для процесса аргонодуговой наплавки неплавящимся электродом проводили по схеме с нормально-круговым источником, расположенным на поверхности плоского слоя и испытывающим ограничивающее влияние нижней плоскости листа. Выбранная расчетная схема отражает все основные особенности процесса аргонодуговой наплавки, в число которых входят: введение тепла сварочной дуги в массивное тело с его поверхности; малая величина давления сварочной дуги; незначительное погружение активного пятна дуги в жидкий металл. Показано, что за счет учета теплофизических свойств интерметаллидного слоя системы Fe – Al, расположенного в диффузионной зоне, математическая модель позволяет с неопределенностью не более 8 % определять температуру нагрева не только на границе раздела сталь – алюминий, но и в любой точке образцов как при соединении переходных биметаллических сталеалюминиевых элементов с алюминиевыми или стальными конструкциями, так и при формировании методами наплавки функциональных алюминиевых покрытий, в том числе из композиционных материалов.

1. Рябов В. Р. Применение биметаллических и армированных сталеалюминиевых соединений. — М.: Металлургия, 1975. — 283 с.

2. Гуревич Л. М., Проничев Д. В., Трудов А. В., Трыков Ю. П., Трунов М. Д. Исследование влияния режимов сварки взрывом и термической обработки на структуру и свойства биметалла АД1 – сталь Ст3 / Известия Волгоградского технического университета. 2014. № 9. С. 17 – 21.

3. Кузьмин В. И., Лысак В. И., Кузьмин С. В., Харламов В. О. Исследование влияния термической обработки на структуру и свойства сталеалюминиевого композита с диффузионным барьером / Физика металлов и металловедение. 2015. № 11. С. 1153 – 1159.

4. Silvayeh Z., Domitner J., Sommitsch C., Hartmann M., Karner W., Götzinger B. Mechanical properties and fracture modes of thin butt-joined aluminum-steel blanks for automotive applications / Journal of Manufacturing Processes. 2020. Vol. 59. P. 456 – 467. DOI: 10.1016/j.jmapro.2020.09.050

5. Guan Q., Long J., Yu P., Jiang S., Huang W., Zhou J. Effect of steel to aluminum laser welding parameters on mechanical properties of weld beads / Optics & Laser Technology. 2019. Vol. 111. P. 387 – 394. DOI: 10.1016/j.optlastec.2018.09.060

6. Рябов В. Р. Алитирование стали. — М.: Металлургия, 1973. — 240 с.

7. Rong J., Kang Z., Chen S., Yang D., Huang J., Yang J. Growth kinetics and thickness prediction of interfacial intermetallic compounds between solid steel and molten aluminum based on thermophysical simulation in a few seconds / Materials Characterization. 2017. Vol. 132. P. 413 – 421. DOI: 10.1016/j.matchar.2017.09.012

8. Das A., Shomeb M., Goecke S.-F., De A. Joining of aluminium alloy and galvanized steel using a controlled gas metal arc process / Journal of Manufacturing Processes. 2017. Vol. 27. P. 179 – 187. DOI: 10.1016/j.jmapro.2017.04.006

9. Sachin R., Sumesh A., Upas U. S. Study of mechanical properties and weldability of aluminium alloy and stainless steel by gas metal arc welding / Materials Today: Proceedings. 2020. Vol. 24. P. 1167 – 1173. DOI: 10.1016/j.matpr.2020.04.430

10. Mikheev R. S., Kalashnikov I. E., Bolotova L. K., Kolmakov A. G. Research of the intermetallics formation mechanism during the synthesis of functionally graded layered steel-aluminum compositions / IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 848. N 012056. P. 1 – 7. DOI: 10.1088/1757-899X/848/1/012056

11. Орыщенко А. С., Осокин Е. П., Павлова В. И., Зыков С. А. Биметаллические сталеалюминиевые соединения в судостроительных корпусных конструкциях / Автоматическая сварка. 2009. № 10. С. 43 – 47.

12. Szczepaniak A., Fan J., Kostka A., Raabe D. On the correlation between thermal cycle and formation of intermetallic phases at the interface of laser-welded aluminum-steel overlap joints / Advanced Engineering Materials. 2012. Vol. 14. N 7. P. 464 – 472. DOI: 10.1002/adem.201200075

13. Novák P., Knotek V., Voděrová M., Kubásek J., Šerák J., Michalcová A., Vojtěch D. Intermediary phases formation in Fe – Al – Si alloys during reactive sintering / Journal of Alloys and Compounds. 2010. Vol. 497. P. 90 – 94. DOI: 10.1016/j.jallcom.2010.03.028

14. Novák P., Knotek V., Šerák J., Michalcová A., Vojtěch D. Synthesis of Fe – Al – Si intermediary phases by reactive sintering / Powder Metallurgy. 2011. Vol. 54. N 2. P. 167 – 171. DOI: 10.1179/174329009X449314

15. Li Y., Hashimoto H., Sukedai E., Zhang Y., Zhang Z. Morphology and structure of various phases at the bonding interface of Al/steel formed by explosive welding / Journal of Electron Microscopy. 2000. Vol. 49. N 1. P. 5 – 16. DOI: 10.1093/oxfordjournals.jmicro.a023791

16. Mikheev R. S., Kobernik N. V., Kalashnikov I. E. Effect of the process of production of functional gradient layered steel-aluminum compositions on their structure and properties / Russian Metallurgy (Metally). 2020. Vol. 9. P. 1020 – 1026. DOI: 10.1134/S0036029520090104

17. Куркин А. С., Макаров Э. Л. Программный комплекс «Сварка» — инструмент решения практических задач сварочного производства / Сварка и диагностика. 2010. № 1. С. 16 – 24.

18. Котович А. В., Станкевич И. В. Решение задач теплопроводности методом конечных элементов. Методические указания к решению задач по курсу «Сеточные методы». — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2010. — 87 с.

19. Розанов Д. С. Моделирование свойств материалов для расчета диффузии водорода при сварке / Инженерный вестник. 2013. № 11. С. 75 – 82.

20. Зиновьев В. Е. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах. — М.: Металлургия, 1989. — 384 с.

21. Чиркин В. С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. Справочник. — М.: Атомиздат, 1968. — 484 с.

22. Березовский Б. М., Стихинин В. А. Расчет параметров распределения теплового потока поверхностной сварочной дуги / Сварочное производство. 1980. № 2. С. 1 – 4.

23. Коновалов А. В. и др. Теория сварочных процессов: учебник для вузов. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2007. — 752 с.

24. Рыкалин Н. Н. Расчет тепловых процессов при сварке. — М.: МАШГИЗ, 1951. — 296 с.

25. Cerjak H. Mathematical modelling of weld phenomena. — London: IOM Communications Ltd, 1998. — 697 p.

26. Reddy B. V., Deevi S. C. Thermophysical properties of FeAl (Fe – 40 at. % Al) / Intermetallics. 2000. Vol. 8. N 12. P. 1369 – 1376. DOI: 10.1016/S0966-9795(00)00084-4

27. Zienert T., Leineweber A., Fabrichnaya O. Heat capacity of Fe – Al intermetallics: FeAl, FeAl2, Fe2Al5 and Fe4Al13 / Journal of Alloys and Compounds. 2017. Vol. 725. P. 848 – 859. DOI: 10.1016/j.jallcom.2017.07.199