№ 1 (2023)

Одним из важных параметров, обеспечивающих получение сварного соединения при сварке трением с перемешиванием без дефектов сплошности, является обеспечение в зоне соединения металлов требуемой температуры. При экспериментальном определении температуры непосредственно в зоне перемешивания металлов с помощью термопар возникают значительные трудности. В связи с этим актуальным представляется использование численных методов, описывающих распределение температурных полей при сварке трением с перемешиванием. В работе выполнено численное моделирование температурных полей при сварке трением с перемешиванием на основе метода конечных элементов с использованием программного обеспечения Abaqus/Explicit. Моделирование выполнялось на основе связанного подхода Эйлера – Лагранжа, модели пластичности материала Джонсона – Кука и закона трения Кулона. С помощью метода конечных элементов построены модели детали, подложки и инструмента с учетом их теплофизических свойств. Для сокращения времени вычислений использовался подход масштабирования массы путем пересчета плотности материала и его тепловых свойств. Были подобраны коэффициенты масштабирования теплоемкости и массы материала для выбранных параметров режима сварки. Для оценки адекватности результатов численного моделирования температурных полей при сварке трением с перемешиванием были проведены экспериментальные исследования температурных полей с использованием термопар. Показана возможность численного моделирования температурных полей при сварке трением с перемешиванием с помощью связанного подхода Эйлера – Лагранжа и программного обеспечения Abaqus/Explicit. Благодаря применению подхода, связанного с масштабированием массы материала, время вычислений сокращено более чем в 10 раз.

Существует устойчивое мнение, что водород, поглощаемый магниевыми сплавами в процессе коррозии, может вызывать их коррозионное растрескивание под напряжением. Одним из характерных признаков участия диффузионно-подвижного водорода в механизме разрушения металлов является отрицательная скоростная зависимость степени охрупчивания. В недавних исследованиях было показано, что потеря пластичности образцов сплава ZK60, подвергнутых кратковременному (1,5 ч) воздействию коррозионной среды, действительно уменьшается с ростом скорости деформации. Однако после удаления продуктов коррозии с поверхности образцов скоростная зависимость потери пластичности становится положительной, что свидетельствует об отсутствии водорода в объеме металла. При кратковременной выдержке в коррозионной среде глубокое проникновение водорода в металл могло быть ограничено недостаточным для диффузии водорода временем. В работе исследовано механическое поведение сплава ZK60, подвергнутого более длительной (12 ч) предварительной выдержке в коррозионной среде с последующим испытанием на растяжение в атмосфере воздуха при различных скоростях деформации. Рассмотрено влияние скорости деформирования, длительной выдержки в коррозионной среде и последующего удаления продуктов коррозии на прочность, пластичность, стадии деформационного упрочнения и локализованной деформации, а также на состояние боковой поверхности и изломов образцов. Установлено, что потеря пластичности образцов, выдержанных в течение 12 ч в коррозионной среде, уменьшается с ростом скорости деформирования независимо от того, были удалены продукты коррозии с их поверхности или нет. Показано, что в данном случае отрицательная скоростная зависимость потери пластичности связана не с водородом, растворенным в объеме металла, а с наличием глубоких коррозионных повреждений поверхности образцов. Предложено объяснение влияния коррозионных повреждений на механические свойства и чувствительность этих свойств к изменению скорости деформации.

Ротационная сварка трением (РСТ) используется при производстве бурильных труб для геологоразведки на твердые полезные ископаемые. Потребность в создании облегченных колонн бурильных труб для высокоскоростного алмазного бурения сверхглубоких скважин диктует необходимость более пристального внимания к изучению зоны сварного шва и назначению технологических параметров РСТ. В работе приведены результаты экспериментальных исследований сварного соединения бурильной трубы типоразмера H по ISO 10097 из сталей 30ХГСА (тело трубы) и 40ХМФА (замковая часть) в условиях воздействия циклических нагрузок. Оценивалось влияние силы, прикладываемой к заготовкам в процессе трения соприкасающихся поверхностей (силы при нагреве), и послесварочного отпуска при температуре 550 °С на циклическую долговечность сварных соединений в условиях знакопеременного растяжения-сжатия при напряжении амплитуды цикла ±420 МПа. Установлено, что с увеличением силы при нагреве в зоне термомеханического влияния происходят изменения микроструктуры, способствующие повышению усталостной прочности сварных соединений. Выявлено негативное влияние послесварочного отпуска на усталостную прочность сварных соединений, выражающееся в снижении количества циклов до разрушения на 15–40 % в зависимости от величины силы при нагреве. Определен оптимальный режим РСТ указанного сочетания сталей, обеспечивающий наибольшее количество циклов до разрушения: сила при нагреве (при трении) F_н=120 кН, сила проковки F_пp=160 кН, частота вращения при нагреве n=800 об/мин и осадка при нагреве l=8 мм. Проведена серия усталостных испытаний при различных значениях напряжения амплитуды цикла сварного соединения, полученного на оптимальном режиме, и основного металла стали 30ХГСА; построены кривые ограниченной выносливости. Показано, что различия в кривых ограниченной выносливости материала тела трубы (сталь 30ХГСА) и сварного соединения незначительны. Полученные результаты дополнены данными измерений микротвердости и фрактограммами разрушенных образцов, раскрывающими механизм распространения трещин в условиях воздействия циклических нагрузок.