Введение к работе
Актуальность работы. Интенсивное освоение топливно-энергетических комплексов в районах с низкими климатическими температурами, перспектива снижения металлоемкости сварных конструкций при одновременном повышении их эксплуатационной надежности, потребовало внедрения мощной отечественной и импортной горнорудной и транспортной техники изготовленных из низколегированных высокопрочных сталей повышенной хладостойкости. Однако жесткие природные климатические условия эксплуатации на Севере даже при применении этих сталей увеличивают частоту отказов и разрушений узлов высокопроизводительной техники в зимнее время в два и более раза по сравнению с летним.
Проблема сварки высокопрочных низколегированных сталей связана с необходимостью обеспечения комплекса свойств по равнопрочности, предотвращению образования холодных трещин, а также структур, снижающих сопротивляемость соединений из низколегированных сталей с пределом текучести 400...800 МПА сварных соединений замедленному и хрупкому разрушению.
Повышение служебных свойств сварных соединений для Севера возможно решать комплексным путем: соответствующим выбором сталей, сварочных материалов, технологии сварки и упрочнения.
Как правило, в научно-технических публикациях в таком разрезе работы не проводятся, а лишь встречаются све-
дєния о решении отдельных вопросов. Причем, низкотегшера-турный фактор значительно усложняет проведение экспериментальных работ и выбор научно-обоснованных технологиче-ских мероприятии по сварке и упрочнению из-за отсутствия достаточно обоснованных методологических подходов и методов повышения технологической и эксплуатационной прочности при низких температурах.
Выявление природы особенностей свариваемости высокопрочных сталей, при низких температурах, путей повышения сопротивления разрушению сварных соединений и оценка основных факторов определяющих процесс зарождения и роста трещин позволит разработать экономически наиболее эффективные' технологические решения по повышению надежности и работоспособности сварных конструкций северного исполнения.
Теоретической основой и исходной базой для исследований и разработок автора явились труды ученых и специалистов: Я.П.Алешина, Б.С.Касаткина, В.П.Ларионова, В.А.Кархина, В.Ф.Лукьянова, А.М.Макара, Г.И.Макарова, Э.Л.Макарова, П.П.Михеева, Л.И.Миходуя, Л.П.Мойсова, В.Ф.Мусияченко, Г.А.Николаева, Б.Е.Патона, В.Г.Петушкова, В.И.Труфякова, В.Ф.Чабуркина, М.Х.Шоршорова, А.Гранжона, А.Даффи, Х.Кихара, М.Инагаки, Х.Ито, И.Нотта, К.Сато, Х.Сузуки, У.Холла.
Исследования в данной области являются составной частью региональных разделов государственной целевой комплексной программы Сибирь, разработки велись в соответствии с координационными планами научно-технических программ ГКНГ СССР, по темам НИР 1.10.28 раздел III, 1.15.52
раздел II, 2.25.2.7 раздел I, задание 10.07.Н. 1, НТП Надежность РАН » 10103-1540 и ГКНГ СССР № 581 от 15.06.90, раздел 4. Автор являлся научным руководителем и ответственным исполнителем ряда тем НИР выполненных Институтом ФТПС СО РАН по заданию ГКНТ, РАН и связанных с совершенствованием технологии сварки, а также исследованием и повышением технологической и эксплуатационной прочности сварных конструкций северного исполнения.
8 работе сформулированы и обоснованы научные положения, совокупность которых можно классифицировать как теоретическое обобщение и решение крупной научно-технической проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение и связанной с разработкой теоретико-прикладных основ повышения технологической и эксплуатационной прочности сварных конструкций северного исполнения (СКСИ).
Цель работы: Разработать и внедрить рациональные процессы сварки и упрочнения СКСИ из низколегированных сталей с пределом текучести 400...800Мпа для повышения их технологической и эксплутационной. прочности, путем установления закономерностей формирования тепловых процессов, поведения водорода, структуры, свойств и сопротивляемости разрушениям сварных соединений при низких температурах.
Задачи исследовании:
1. Анализ разрушений сварных соединений из низколегированных высокопрочных сталей в экстремальных климати-
ческих условиях и Еыяаяение основных факторов ответственных за их работоспособность.
2. Выявление закономерностей влияния низких темпе-
ратур воздуха при сварке на температурное поле, структу
ру, поведение водорода,свариваемость и свойства сварных
соединений с.помощью компьютерных технологий.
-
Раскрыть механизм образования холодных трещин (Х.Т) и замедленного разрушения (З.Р.) сварных соединений При сварке в условиях низких температур.
-
Разработка методов и критериев оценки запаса технологической прочности и требований к технологическому варианту сварки соединений, обеспечивающих их стойкость против образования Х.Т. и З.Р. при сварке в условиях низких температур.
-
Исследование и анализ влияния комплекса факторов, обусловленных упрочнением на формирование служебных свойств сварных соединений северного исполнения.
-
Изыскать и внедрить конструктивно-технологические" решения по сварке, ремонту и упрочнению тяжелонагруженных СКСИ.
Матоды исследований. Исследования -выполнялись с использованием комплекса экспериментальных и теоретических методов анализа статистики и физики отказов на основе современных представлений о механизмах разрушения материалов и конструкций. Изучение разрушения велось путем моделирования условий и механизмов отказов, применения оптической и электронной микроскопии и рентгенографических исследований. При анализе напряженного и деформированного состояния сварных соединений использовались мето-
ды тензометрирования, фотоупругости, муаровых полос, атакже аналитические и. численные методы с применением ЭВМ. Экспериментальные исследования проводились с применением современных испытательных машин типа "Инстрон". Содержание диффузионного водорода [Н]д измеряли с помощью вакуумных и хроматографических методов. Распределение водорода и кинетику процесса изучали посредством локальной масс-спектральной и мессбауэровскои спектроскопии, а так же с помощью расчетных методов на ЭВМ.
Процесс образования Х.Т. и З.Р. сварных соединений исследовали на специальных модельных образцах, позволяющих получать заданные структуру и содержание [Н]в, технологических проб (Теккен, Лихай) и методов количественной оценки технологической прочности (Имплант,ЛТП2,ТКС) а также полномасштабных испытаний элементов конструкций в полевых условиях. Для анализа кинетики разрушения использовался метод акустической эмиссии. Испытания проводили на созданной АСТИ (автоматизированной системе технологических испытаний).
НАУЧНАЯ НОВИЗНА ДИССЕРТАЦИИ. На основе комплексных исследований причин преждевременных низкотемпературных разрушений сварных конструкций из сталей с пределом текучести 400...800 МПа, их свариваемости, особенностей формирования служебных свойств, процесса образования Х.Т. и З.Р. в сварных соединениях при сварке в условиях низких температур, полей упругопластической деформации и микромеханизмов, разрушения.при упрочнении решена проблема повышения надежности и работоспособности СКСИ и получены новые результаты:
1. Установлено, что очаги пре;вде«ременных низкотемпе
ратурных разрушений сварных соединений из низколегирован
ных высокопрочных сталей связаны с холодными трещинами
образующимися по механизму замедленного разрушения в зо
нах с высокой концентрацией напряжений и деформаций, а их
рост контролируется процессами водородного охрупчивания,
уровнем действующих напряжений и содержанием водорода в
зоне предразрушения.
2. Выявлено, что сварка низколегированных
высокопрочных сталей в условиях низких температур
понижает в 1,5...2 раза технологическую прочность сварных
соединений,, увеличивает в 20...50 раз инкубационный
пзриод зарождения и роста трещин (Тиик, тр ) вследствие
замедления скорости диффузии водорода и сохранения его
высокого уровня в зоне их образования. Проведена оценка
вклада основных факторов процесса образования Х.Т. и З.Р.
сварных соединений: структуры, водорода.и напряжения на
технологическую прочность соединений при сварке в
условиях низких температур и установлена их . роль в
механизме разрушения. Обоснован водородный механизм
эффекта повышения (тииг, тр )и понижения стойкости сварных
соединений против образования Х.Т. и З.Р. при низких
темпедатуфаіиспользованием экспериментальных и расчетных
методов, получены новые данные по прогнозированию поведе
ния водорода и закономерностях его локального перераспре
деления в . сварных соединениях низколегированных сталей
при различных климатических температурах в зависимости от
технологических вариантов одно и многопроходной сварки,
геометрии и формы шва, накопления пластических деформаций
в ОШЗ и типа металла шва. Выявлено что, в области пред-разрушения и накопления- пластических деформаций, концентрация водорода может в 5...6 раз превышать его начальное значение и снижать в 8...10 раз предельную деформируемость .
4. Впервые обоснованы и сформулированы требования к
ограничению содержания водорода в швах при сварке в усло
виях низких температур и определены их количественные
уровни в зависимости от прочности и химического состава
сталей. На основе выявленных закономерностей формирования
температурных полей, поведения водорода и образования хо
лодных трещин разработаны методы и предложены критерии
обеспечения технологической прочности сварных соединений
из высокопрочных сталей при сварке в условиях низких тем
ператур с учетом варьирования основных параметров техно
логии сварки.
5. Установлено, что повышение служебных свойств
сварных соединений после упрочняющей обработки (ВзО) свя
зано с комплексом факторов: снижением уровня НДС, улучше
нием однородности структуры и обусловленной ими смены ме
ханизма и кинетики разрушения и повышения его энергоемко
сти.
6. Разработаны и предложены принципы и технологиче
ские мероприятия по сварке и упрочнению сварных соедине
ний, обеспечивающие необходимую степень надежности свар
ных конструкций с учетом условий их эксплуатации * при низ
ких температурах. Показано, что надежность и долговеч
ность сварных конструкций при низких температурах обеспе-
чивается применением дополнительной обработки (ВзО,УзО) наиболее опасных мае* и очагов разрушения.
ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ проведенных исследований определяется:
комплексным подходом к решению рассматриваемой проблемы;с разных позиций и использованием различных современных методик;
базой данных, содержащей информацию по большому количеству случаев разрушения и отказов СКСИ;
сопоставлением результатов с экспериментальными данными, полученными теоретическими решениями с использованием известных аналитических и численных методов расчета, а также данными других авторов.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Результаты выполненных автором и при его участии исследований послужили основой дляя создания и внедрения в практику технологических решений по сварке, ремонту и обработке тяжело нагруженных конструкций для СКСИ из высокопрочных сталей с пределом текучести 400...800 МПа.
Определены технические решения, способы обработки и упрочнения, позволяющие реализовать высокую сопротивляемость сварных соединений высокопрочных сталей воздействию статических, динамических и переменных нагруясений.
Разработаны технологические рекомендации по ручной, механизированной сварке в защитных газах и автоматической сварке под флюсом, использованиечкоторых обеспечивает необходимую сопротивляемость сварных соединений замедленному и хрупкому разрушениям.
Разработанные технологические решения внедрены при изготовлении и восстановлении СКСИ, ремонте и повышении долговечности карьерных экскаваторов, горно-транспортного оборудования, автомобилей большой грузоподъемности, строительно-дорожной техники, трубопроводов и других изделиях эксплуатирующихся при низких температурах.
Выполненный комплекс работ позволил снижать ^металлоемкость конструкций, повышать их надежность и долговечность, уменьшить расходы на электроэнергию и ремонт, что обеспечило значительный народнохозяйственный эффект: свыше 3,4 млн. руб. в ценах до 1990 года. Па (защиту выносятся:
-
Развитие представлений об основных факторах преждевременных отказов сварных соединений из высокопрочных низколегированных сталей при низких температурах.
-
Закономерности формирования температурных подей, структуры и поведения - водорода [Н]„ , в условиях ТЦС при низких температурах и их взаимосвязь с сопротивляемостью образованию Х.Т. и замедленному разрушению сварных соединений, выбор рациональных скоростей охлаждения ЗТВ и их реализация.
-
Природа механизма образования Х.Т. и З.Р. сварных соединений при сварке в условиях низких температур.
-4. Методы и критерии оценки и обеспечения технологической прочности сварных соединений при низких температурах .
5. Совокупное комплексное положительное действие упрочняющих обработок {ВзО, УзО) на служебные свойства сварных соединений северного исполнения'.
э II
б. Технологические мероприятия и решения по сварке и упрочнению при изготовлении, монтаже и ремонте СКСИ из сталей с пределом текучести 400...800 МПА и результаты их внедрения в промышленность.
Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований, формулировке и разработке' всех основных положений, определяющих научную новизну и практическую ценность работы, в руководстве и непосредственном участии в выполнении всех этапов исследований и внедрении полученных результатов, в проведении натурных испытаний а так же в сборе и создании банка данных по отказам и разрушениям сварных конструкций мощной горнорудной и транспортной техники.
Апробация работы. Основные положения и результаты работ обсуждались на Международных и Всесоюзных конференциях, симпозиумах и конгрессе Международного института сварки по проблемам свариваемости, разрушений безопасности и надежности сварных конструкций, в частности: Международных симпозиумах: Высокие Татры {1981, 1987), Киев (1990,1995,1998,2000), Москва( 1995,1998) Магдебург (1992); Всесоюзных: Москва (1988,1999), Якутск (1978,1986,1997,1999), Киев (1985, 1989, 1998), С-Петербург (1991,1994), Житомир (1986) на технологических семинарах. Работа в законченном виде докладывалась в Институте физико-технических проблем Севера СО РАН, МГТУ им. Н.Э.Баумана г. Москва , ИЭС им.Е.О.Пагона, г.Киев и ДГТУ, г. Ростов-на-Дону.
Публикаций. По результатам выполненных исследований опубликовано 135 печатных работ, в том числе 2
С'
монографии, 3 брошюры, получено б авторских свидетельств на изобретения, документы стран-участниц СЭВ по проблеме "Сварка" и Международного института сварки.
Автор выражает большую признательность ученым и специалистам ведущих организаций в области прочности и технологии сварки сварных конструкций: МГТУ им. Н.Э.Баумана, ИЭС им. Е.О.Патона, С.-Петербургский ТУ, ДГТУ, творческое содружество с которыми позволило автору правильно, ориентироваться в постановке и решении задач настоящей работы. Объем и структура диссертационной работы. Реферируемый материал изложен на 365 страницах машинописного текста с 22 таблицами, состоит из введения, пяти разделов и заключения; содержит 101 " рисунок и приложение, в котором приведены акты использования технологии сварки, упрочнения сварных конструкций. Список использованной литературы включает 375 наименований.
Во введение к диссертационной работе обоснована актуальность исследований и сформулированы цели и задачи исследований.
В первом разделе рассмотрено состояние вопроса по исследованию низкотемпературной прочности сварных соединений, проанализированы причины преждевременных их разрушений и технологические аспекты повышения технологической и эксплуатационной прочности соединений при низких температурах. Обоснованы цель и задачи исследований.
Во втором разделе изложены методики исследования технологической прочности сварных соединений при низких температурах. Приведены данные об особенностях механизма образования холодных трещин в указанных условиях и
влияние условий сварки на основные факторы трещинообразо-вания. Изложены результаты исследования влияния водорода, температуры, концентрации /напряжений на замедленное разрушение сварных соединений, изучены локальные распределения водорода и деформаций в'окрестности трещин. Получены зависимости диффузионного перераспределения водорода от технологических мероприятий и температуры среды.
Б третьей разделе рассмотрено влияние технологии сварки на сопротивляемость сварных соединений образованию холодных трещин. Исследованы основные закономерности протекания тепловых процессов при сварке в условиях низких температур. Предложены критерии и параметры оценки запаса технологической прочности сварных соединений при низких температурах воздуха. Приведены основы выбора рациональной технологии при монтажной сварке и ремонте конструкций для Севера.
В четвертом разделе разработаны методики исследования перераспределения остаточных упруго-пластических деформаций после упрочняющих обработок. Исследовано их влияние на перераспределение деформаций и трещиностой-кость. Изучены кинетика и микромеханизмы разрушений и проведен анализ фактор, определявших повышение их энергоемкости. Уточнены подходы к выбору режимов ВзО. Установлена возможность и определены условия повышения технологической прочности при выборе химического состава металла шва и рациональной технологии многопроходной сварки. Предложена методика повышения сопротивления разрушению ОШЗ за счет автоподогрева сварочным током и регулирования тохоподвода.
Пятый раздел посвящен разработке основных положений технологии сварки и упрочнения конструкций северного исполнения. Изложены общие принципы выбора рациональных режимов сварки и технологических мероприятий,- обеспечивающих необходимую степень надежности сварных конструкций с учетом эксплуатации их при низких температурах. Показана эффективность применения упрочняющих обработок (ВзО,УзО) для повышения технологической и эксплуатационной прочности сварных соединений эксплуатирующихся в условиях Севера и приведены их служебные свойства.
В приложениях содержатся сведения о внедрении технологии сварки, ремонта и упрочнения несущих узлов 180-тонных самосвалов М-200, Белаз, экскаваторов "Марион" емкостью ковша 20 м3 и ЭКГ-12,5, цельнометаллических полувагонов в исполнении "ХЛ", магистральных газопроводов и технологических систем газоснабжения и акты о результатах использования разработанных технологических рекомендаций.