книги / Теория сварочных процессов

Несколько неожиданные результаты были получены при фрактальном анализе зоны сплавления сварных швов. Вообще, в некоторых случаях зона сплавления очень мала и представляет собой, в сущности, линию сплавления, структура этого участка – неоднородна. Тем не менее, показатели фрактальной размерности достаточно высокие, что говорит о высокой степени гомогенности и однородности структуры. Объяснение подобного факта, очевидно, заключается в том, что наличие линии сплавления приводит к тому, что изображение такого структурного участка в целом утрачивает признаки фрактальности, т.е. перестает соответствовать требованию фрагментарности. В связи с этим для дальнейшего анализа и решения задач оптимизации выбирали только фрактальные размерности структуры центра швов.

Более наглядно структурная чувствительность фрактальной размерности проиллюстрирована на фотоизображениях структур центра швов при большем увеличении (рис. 4.28 и 4.29). Наиболее грубая структура на рис. 4.28 характеризуется фрактальной размерностью Df = 1,60, наиболее гомогенная – размерностью Df = 1,84. В целом, фрактальная размерность структур сварных швов характеризуется значениями от 1,60 до 1,89.

Таким образом, фрактальный анализ структурообразования сварных швов позволил установить количественные критерии гомогенности и фрагментарности структуры по значению фрактальной размерности:

– для грубой структуры, с выделением широких фрагментов видманштеттова феррита через все поле зерна первичного аустенита характерно значение фрактальной размерности Df = 1,60…1,78;

– для более гомогенной структуры, приближающей к классической феррито-перлитной характерно значение фрактальной размерности

Df = 1,79…1,89;

Необходимо отметить, что корректность сравнения подразумевает, что сравниваемые фотоизображения выполнены при одном увеличении.

153

155

156

4.7.3.Взаимосвязь фрактальной размерности структуры

суровнем свойств металла шва

Полученные значения фрактальных размерностей Df для центра шва, являющиеся показателями фрагментарности структуры были использованы для установления структурных факторов хладостойкости металла сварных швов.

Критерием хладостойкости является критическая температура хрупкости, т.е. температура, при которой ударная вязкость металла по-

нижается до уровня 40 Дж/см2. Критическую температуру хрупкости определяли по эскпресс-методике, разработанной на кафедре СПиТКМ.

Статистическая обработка экспериментальных данных пока- D f зывает, что существует хорошая корреляция между значениями фрактальной размерности струк-

фрактальной размерности структуры характеризуются швы, имеющие лучшую хладостойкость (крити-

ческая температура перехода в хрупкое состояние лежит в области более отрицательных температур: –40…–60 °С). И наоборот, металл шва, структура которого характеризуется меньшими значениями фрактальной размерности, охрупчивается в большей степени, для него критическая температура хрупкости вблизи нуля.

Однако, как будет указано далее, гомогенность структуры не является единственным фактором, определяющим хладостойкость металла шва. Необходимо учитывать и второй фактор – уровень загрязненности металла шва неметаллическими включениями типа оксидов, сульфидов и др.

4.7.4. Фрактальная размерность в задачах оптимизации состава электродного покрытия

Значения фрактальных размерностей Df были введены в задачи моделирования влияния состава покрытия электродов на хладостойкость металла сварного шва. Решение этих задач на основе метода регресси-

157

онного анализа позволило оптимизировать состав электродного покрытия по критерию хладостойкости металла шва.

Состав электродных покрытий варьировался в соответствии с матрицей планирования эксперимента. Использовали дробную реплику

плана второго порядка типа 25–1 при композиционном планировании. Большим преимуществом таких планов является возможность их полу-

чения из планов 2k . Для построения их используется «ядро» плана 2k , план дополняется некоторым количеством специально подобранных, «звездных» точек. Интервалы и уровни варьирования факторов приведены в табл. 4.4.

Таблица 4.4

Интервалы варьирования факторов – содержания компонентов электродных покрытий серии 17, мас.%

Хладостойкость швов электродов с покрытием серии 17 с уральским силикомарганцем в целом находится на более высоком уровне, чем швов электродов с покрытием серии 13. Это объясняется отсутствием в покрытии электродов серии 17 компонентов группы алюмосиликатов (каолин), при диссоциации которых, в основном, происходит за-

грязнение металла шва неметаллическими включениями SiO2 и Al2O3 экзогенного происхождения (из покрытия). Введение силикомарганца в состав электродных покрытий в паре с ферротитаном обеспечивает эффект комплексного раскисления.

Для оптимизации состава покрытия электродов серии 17 с уральским силикомарганцем методом регрессионного анализа использовали

158

тот же критерий оптимизации: критическую температуру хрупкости Ткр. Для установления структурных факторов хладостойкости металла шва вводили два дополнительных критерия: фрактальную размерность структуры Df – показатель однородности структуры, и число неметаллических включений W – показатель загрязненности металла шва крупными (размером более 10 мкм) включениями.

Данные по хладноломкости и загрязненности включениями приведены в табл. 4.5.

В результате реализации плана второго порядка были получены уравнения регрессии, адекватно описывающие область оптимума составов электродного покрытия по критерию хладостойкости Š, по критерию однородности структуры Df и по критерию загрязненности неметаллическими включениями W.

Определение дисперсии и параметра оптимизации, дисперсии и доверительных интервалов коэффициентов регрессии и проверка адекватности модели по критерию Фишера проводилась по алгоритму, приве-

денному выше для плана 24.

Уравнения регрессии для каждого из критериев имеют следующий вид:

Ткр = –53 – 0,7X1 – 1,2X2 – 8,8X3 – 3,4X4 – 2,7Х5 + 6,4X12 + 7,1X32 +

+ 2,6X42 + 2,5Х52 + 5,4X1·X2 + –0,9X1·X5 + 5,2X1·X4 + 2,7X2·X3 + 5,2X2·X4 +

+ 9,5X2·X5 + + 1,4X3·X4 + 1,7Х3·X5 – 2,3Х3·X5;

Df = 1,84 + 0,02X3 + 6 10–3·X4 – 1,6 10–3·Х5 – 0,017(X12 + X22) – 5 10–3·X32 −

– 9,5 10–3·Х52 – 0,038X1·X2 – 6 10–3·X1·X4 + 5 10–3·X1·X5 –7 10–3·X2·X3 –

– 0,035X2·X4 –0,034X2·X5 + 8 10–3·X3·X4 – 0,03Х3·X5 – 8 10–3·X4·X5;

W= 8,8 – 0,6X1 – 1,4X2 – 5X3 – 2X4 – 2,8Х5 + 1,5X12 + 0,9X22 + 2,4 X32 –

–1,3X42 + 0,3Х52 + 3,6X1·X2 – 1,6X1·X3 +0,3X1·X4 +2,4X1·X5 + 1,6X2·X3 +

+3,3X2·X4 +1,6X2·X5 + 3,6X3·X4 – 0,4Х3·X5 – 0,8X4·X5.

Модели адекватны по критерию Фишера для уровня значимости

5 % (Fр= 4,1; 3,8 и 4,4 при Fтаб = 4,7).

Анализ уравнений регрессии показывает, что в наибольшей степени снижению Ткр металла шва способствует добавка в покрытие электрода ферротитана (коэффициент регрессии 8,8). Вместе с тем, совместное введение слюды и мрамора приводит к повышению Ткр (коэффициент регрессии 9,5).

На фрактальную размерность Df в большей степени оказывает влияние содержание ферротитана (коэффициент регресии 0,02): чем больше ферротитана, тем выше Df, тем однороднее структура. Высокое

159