Вплив технологічних факторів на формування залишкових напружень в зварних з’єднаннях високоміцних сталей - Автореферат

Шви з бейнітно-мартенсітною (БМ) структурою при різному співвідношенні легуючих елементів забезпечують властивості наплавленого металу після зварювання, які рівноцінні їм по міцності та холодостійкості. Це сприяло проведенню в останні роки робіт, спрямованих на вивчення особливостей формування напруженого стану зєднань НЛВ сталей в залежності від зміни технологічних процесів зварювання. Всі ці дослідження були спрямовані на пошук раціональних шляхів зниження рівня залишкових напружень в зварних зєднаннях. 4. формулювати вимоги до основних параметрів дугового зварювання високоміцних сталей, що забезпечують мінімальний рівень залишкових напружень в зварних зєднаннях. Показано, що знижувати залишкові напруження в зварних зєднаннях легованих сталей можливо при такому виборі режимів зварювання та температур попереднього підігріву, коли зменшується час перебування металу ЗТВ вище температури АС3 (t`` ?6,0…6,5 c) та подовжується його перебування при температурах протікання структурно-фазових перетворень (W6/5<3,0…4,0 0C/c).Основні труднощі при зварюванні НЛВ сталей повязані з необхідністю забезпечувати властивості швів на рівні основного металу, а також запобігати уповільненому, крихкому та втомленому руйнуванню зварних зєднань. Відомо, що залишкові напруження в зварних зєднаннях легованих сталей формуються в результаті складної взаємодії нестаціонарних температурних полів, фазових перетворень та деформування як металу шва, так і ЗТВ. Збільшення може бути незначним у випадку використання ФБ швів та більш істотним в зєднаннях з БМ швами. В тих випадках, коли виконуються шви типів БМ або ФБ, цей процес відбувається достатньо складно, оскільки всі зони цих зєднань мають практично однаковий коефіцієнт лінійного розширення, а протікання структурних перетворень із збільшенням обєму в металі шва та ЗТВ може привести до того, що в поперечному напрямку метал ЗТВ таких зєднань знаходитиметься під впливом стискуючих залишкових напружень. Більш високі розтягуючі поперечні деформації у високотемпературній зоні зварного зєднання з А швом, згідно принципу Ле-Шательє, можуть призводити до того, що метал ЗТВ, який безпосередньо примикає до металу шва типу А, також буде знаходитися під впливом залишкових розтягуючих напружень.На основі результатів досліджень кінетики протіканя фазових та структурних перетворень в легованому металі швів та ЗТВ під дією термодеформаційних процесів, врахування основних закономірностей формування напружень, а також використання розрахункових методів визначено вплив технологічних процесів дугового зварювання на розподіл залишкових напружень в зварних зєднаннях НЛВ сталей з s0,2 ? 600 МПА. Результати, які отримано, дозволяють прогнозувати значення та їх розподіл в залежності від типу метала шва (БМ, ФП та А) та швидкості охолодження (при комбінованому впливі погонної енергії зварювання та попереднього підігріву). При використанні матеріалів інших систем легування (отже - зміни умов протікання в них структурних перетворень) вони будуть дещо вищими відносно відповідних границь текучості: SX`»(0,6…0,8)s0,2 в ФП швах та SX``»(0,8…0,9)s0,2 в А швах. Для швів інших систем легування умови формування напружень в ЗТВ більш сприятливі, що і обумовлює зниження їхнього рівня у порівнянні з основним технологічним варіантом. При використанні ФП матеріалів структурні перетворення в швах відбуваються при більш високих температурах (Т» 800…600 0С), що сприяє зниженню загального рівня залишкових напружень SX в ЗТВ майже в 1,4 раза.Влияние особенностей технологии сварки под флюсом на напряженное состояние сварных соединений высокопрочной стали /Л.М.Лобанов, Л.И.Миходуй, В.А.Пивторак, О.Л.Миходуй и др. Effect of weld metal type on the stressed state of high-strength steel welded joints /L.M. Неразрушающий голографический контроль элементов сотовых конструкций из композиционных материалов/В.А.Пивторак, В.Г.Тихий, Г.В.Черкашин, И.В.Киянец, О.Л.Миходуй//Международная конференция "Сварные конструкции", Киев, 18 - 22 сент.1995 г., Тезисы докладов, с.60 - 61. Влияние погонной энергии сварки и температуры предварительного подогрева на остаточные напряжения в сварных соединениях высокопрочных сталей/ Л.И.Миходуй, В.А.Пивторак, О.Л.Миходуй, В.Д.Позняков// Международная конференция "Сварные конструкции", Киев, 18 - 22 сент.1995 г., Тезисы докладов, с.29 - 30. 7.Влияние режимов ручной электродуговой сварки на формирование остаточных напряжений в сварных соединениях высокопрочных сталей/В.Д.Позняков, О.Л.Миходуй// Международная конференция "Сварка и родственные технологии - в ХХІ век". Тезисы докладов.

2. Основний зміст роботиОсновний зміст дисертації опубліковано в наступних роботах

1. На основі результатів досліджень кінетики протіканя фазових та структурних перетворень в легованому металі швів та ЗТВ під дією термодеформаційних процесів, врахування основних закономірностей формування напружень, а також використання розрахункових методів визначено вплив технологічних процесів дугового зварювання на розподіл залишкових напружень в зварних зєднаннях НЛВ сталей з s0,2 ? 600 МПА. Результати, які отримано, дозволяють прогнозувати значення та їх розподіл в залежності від типу метала шва (БМ, ФП та А) та швидкості охолодження (при комбінованому впливі погонної енергії зварювання та попереднього підігріву).

2. Використання швів з різними структурами (БМ, ФБ та А) дозволяє регулювати рівень залишкових напружень в зварних зєднаннях НЛВ сталей. Метал багатошарових швів, які виконані такими зварювальними матеріалами на обмежених тепловкладеннях, в поздовжньому та поперечному напрямках знаходиться під дією залишкових розтягуючих напружень. Однак, внаслідок протікання структурних перетворень при температурах 500…300 0С, величина поздовжніх напружень в швах, які виконані БМ матеріалами, може складати SX»(0,3…0,5) від його границі текучості. При використанні матеріалів інших систем легування (отже - зміни умов протікання в них структурних перетворень) вони будуть дещо вищими відносно відповідних границь текучості: SX`»(0,6…0,8)s0,2 в ФП швах та SX``»(0,8…0,9)s0,2 в А швах.

В поперечному напрямку рівень залишкових напружень в таких швах мало залежить від особливостей їх структур і, як правило, складає SY» 180…300 МПА.

3. В ЗТВ зєднань, які виконані за багато проходів БМ швами, також формуються залишкові розтягуючі напруження величиною SX»(0,4…0,6)s0,2 основного металу. Для швів інших систем легування умови формування напружень в ЗТВ більш сприятливі, що і обумовлює зниження їхнього рівня у порівнянні з основним технологічним варіантом. При використанні ФП матеріалів структурні перетворення в швах відбуваються при більш високих температурах (Т» 800…600 0С), що сприяє зниженню загального рівня залишкових напружень SX в ЗТВ майже в 1,4 раза. В ЗТВ зєднань з А швами їх рівень знаходиться в діапазоні величин SX=100…200 МПА.

Характер формування поперечних напружень в ЗТВ залежить від особливостей виконання зварних зєднань та характеру їх закріплення. В зєднаннях з наплавками в один шар, які виконані БМ та ФП матеріалами, вони, як правило, - стискуючі, а у випадку використання А матеріалів - розтягуючі. В ЗТВ жорстко закріплених зєднань, що виконані за багато шарів всіма трьома типами швів, залишкові напруження - розтягуючі. Їх рівень близький за своєю величиною з напруженнями сусідніх зон металу шва. Ширина цієї зони (» 3…8 мм) залежить від технологічних факторів (режиму зварювання, кількості швів і т.п.).

4. Підвищення погонної енергії при зварюванні високоміцних сталей сприятиме збільшенню розтягуючих напружень всіх зон зварних зєднань. Найінтенсивніше цей процес відбувається в ЗТВ, де в залежності від умов зварювання вони можуть досягти рівня границі текучості основного металу.

Для забезпечення мінімальних залишкових напружень рівень погонної енергії неповинен перевищувати Qсв<20 КДЖ/см. При цьому доцільно обирати такі співвідношення сили струму, напруги дуги та швидкості зварювання, коли при інших рівних умовах скорочується час перебування металу шва та ЗТВ вище температур АС3 (t??<6,0…6,5 с).

5. Попередній підігрів сприяє формуванню сприятливих структур металу ЗТВ та діфузії зі зварного зєднання водню. З точки зору формування залишкових напружень в зєднаннях високоміцних сталей його вплив є неоднозначним. Стосовно до обраних умов досліджень, він сприяє незначному підвищенню розтягуючих напружень. Найбільш сприятливими для підігріву високоміцних сталей слід вважати температури 70…130 0С. Підвищення їх до 250 0С сприяє значному підвищенню залишкових напружень в зварних зєднаннях високоміцних сталей.

6. Характер формування залишкових напружень в багатошарових стикових зєднаннях визначає як технологія зварювання кореневих проходів, так і техніка виконання швів в останньому шарі, який замикає зєднання. Вибір матеріалів (БМ, ФП або А) та режимів зварювання при виконанні кореневих проходів обумовлює рівень та знак напружень в таких зєднаннях при наступному їх заповненні бейнітно-мартенситними швами. У той же час кількість та порядок швів, які накладаються у останньму шарі, визначає розподіл напружень на поверхні багатопрохідних зєднань.

7. За результатами досліджень, що проведені, розроблені основні рекомендації по зниженню залишкових напружень в зварних конструкціях високоміцних сталей за рахунок вибору матеріалу зварних швів, тепловкладень при зварюванні і температур попереднього підігріву, а також оптимізації порядку заповнення розкриття кромок стикових зєднань, що виконані за багато проходів. Основні результати цих робіт знайшли застосування при виготовлені конструкцій важкого машинобудування із високоміцних сталей на ВАТ "Уралмаш".