Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ функциональных связей режима сварки, структуры и технологической прочности в процессе кристаллизации
1.1. Роль технологической прочности в обеспечении свариваемости и надежности соединений 14
1.2. Развитие теории технологической прочности металлов в про 21
цессе кристаллизации при сварке...
1.3. Совершенствование методов оценки технологической прочно сти 35
1.3.1. Технологические методы 35
1.3.2. Машинные методы 37
1.3.3. Расчетно-статистические методы 41
1.4. Разработка модели «режим сварки-ванна-структура 44
технологическая прочность»
1.4.1. Выбор и обоснование критерия режима сварки 45
1.5. Анализ вероятностных аспектов технологической прочности 58
1.6. Расчет критерия объемной схемы кристаллизации шва 60
1.7. Разработка модели сопротивляемости горячим трещинам, fifi учитывающей химический состав сплава и режим сварки
1.8. Регулирование типа кристаллизации для предотвращения го рячих трещин кристаллизационного типа в металле аустенитного /9
Выводы по главе 1
Глава 2. Выявление границ температурно-временных интервалов хрупкости, природы и причин образования горячих трещин в соединениях с аустенитным швом в твердом состоянии ... з
2.1. Характеристика крупногабаритных конструкций и специфика ихдуговой и лучевой сварки 98
2.2. Классификация трещин в сварных соединениях объектов исследования 03
2.3. Обоснование скорости деформации при моделировании разрушений в неравновесных условиях сварки 115
2.4. Определение температурного интервала хрупкости и пластичности затвердевшего аустенитного металла шва 126
2.5. Анализ природы и причин образования горячих трещин в ТИХ2 при многопроходной сварке аустенитными швами
3 2.5.1. Разработка лабораторных методик моделирования горячих трещин при повторном дуговом нагреве аустенитного металла 136
2.5.2. Дефекты кристаллического строения в металле шва с ГЦК решеткрй и их роль в высокотемпературном разрушении при сварке
2.5.3. Разработка математической модели сопротивляемости горячим трещинам в ТИХ2с учетом энергии дефектов упаковки 59
2.5.4. Физика явлений на границах ТИХ2 162
2.6. Выявление природы и причин образования горячих трещин в околошовной зоне дисперсионно-твердеющих аустениных сталей и сплавов
2.7. Особенности горячих трещин в околошовной зоне гомогенных аустенитных сталей и сплавов
Выводы по главе 2 194
Глава 3. Закономерности развития высокотемпературных деформаций в процессе сварки
3.1. Методы определения деформаций М сварке и их совершен ствование ОЭ
3.2. Несинхронность пиков термического и деформационного цикла в металле при сварке и его причины
3.3. Регулирование высокотемпературных деформаций при сварке конструктивно-технологическими методами 208
3.4. Расчетный анализ кинетики термодеформационных процессов вшве и околошовной зоне 216
3.5. Особенности развития деформаций в околошовной зоне жаропрочных сплавов при дуговой и электроннолучевой сварке
Выводы по главеЗ 229
Глава 4. Технологическое наследование при сварке и ее влияние на свариваемость
4.1. Сущность явления технологического наследования при сварке 231
4.2. Анализ влияния внешних возмущений процесса на деформационную способность шва 234
4.3. Влияние случайных отклонений по темпу высокотемпературных деформаций на показатели свариваемости 240
4.4. Связь технологической прочности в ТИХ-і и ТИХ2 241
4.5. Влияние высокотемпературной деформации в ТИХі на сопротивляемость образованию холодных трещин (ВТИХ4)
4.6. Влияние высокотемпературной деформации в ТИХ2 на ПрОЧ-ность при статическом и циклическом нагружениях OVJ
4.7. Влияние запаса технологической прочности в ТИХ-і на высокотемпературную пластичность и жаропрочность металла около шовной зоны
4.8. Анализ причин снижения уровня эксплуатационных свойствпосле деформации металла вТИХ-і
Выводы по главе4 262
Глава 5. Обеспечение технологической прочности при сварке высокопрочных сталей путем управления структурой аустенитных швов 266
5.1. Особенности технологии сварки высокопрочных сталей 266
5.2. Теоретическое обоснование возможности получения швов с переменным составом по поперечному сечению шва 268
5.2.1. Анализ тепло- и массопереноса металла в сварочной ванне при дуговой сварке с горячей присадочной проволокой 270
5.2.2. Разработка математической модели плавления и перемешивания присадки в сварочной ванне 281
5.2.3. Расчет химического и фазового состава периферии и центрашва при вводе легирующей присадки в сварочную ванну 285
5.2.4. Экспериментальное исследование формирования композиционных швов путем легирования через присадку при дуговой
сварке 5.3. Техника и технология выполнения «композиционных» швов 298
5.3.1. Обоснование выбора диаметра присадочной проволоки и условий ее бездефектной ассимиляции в сварочной ванне 2"
5.3.2. Оценка максимального количества присадочной проволоки, вводимой в ванну 306
5.4. Технологическая прочность и надежность сварных СОеДИНе ний с композиционными швами ІО
5.4.1. Предотвращение горячих трещин в металле шва при сварке композиционными швами ІО
5.4.2. Повышение сопротивляемости образованию холодных тре-щин в сварных соединениях с аустенитным швом
5.4.3. Повышение прочности и выносливости сварных соединений с композиционными швами 0/
5.5. Преимущества лучевой и электрошлаковой сварки с вводом присадочной проволоки в сварочную ванну 338
Выводы по главе 5 340
Глава 6. Разработка экспресс-методики, ГОСТ и испытательных машин для количественной оценки показателей технологической прочности сварных соединений и их сравнение с методами, при меняемыми в мировой практике 344
6.1. Критический анализ методов оценки технологической прочно сти, применяемых отечественными и зарубежными исследовате 344
лями
6.2. Принципиальные требования к совершенствованию метода оценки технологической прочности при сварке высоколегирован 346
ныхсталей и сплавов
6.3. Обоснование и этапы реализации новой экспресс-методики для исследования технологической прочности высоколегированных сталей и сплавов
6.4. Разработка основных положений Государственного стандарта «Методы испытания на сопротивляемость образованию горячих 352
трещин при сварке плавлением (ГОСТ 26.389-84)»
6.5. Разработка принципиальных основ конструкции 3-х поколений испытательных машин для оценки технологической прочности при сварке, организация их мелкосерийного выпуска 6.6. Сравнительный анализ методик по результатам участия в выполнении международной программы «Испытания на горячие ппп 360
трещины с внешне приложенными усилиями» (1997-1998 г.г.)
6.6.1. Методы испытаний, реализованные участниками программы 363
6.6.2. Сравнение результатов испытаний металла шва на горячие трещины кристаллизационного типа
6.6.3. Сравнение результатов испытаний основного металла на горячие трещины ликвационного типа 7
6.6.4. Корреляция результатов с металлографическим исследова нием структуры металла ОШЗ 5
Выводы по главе 6 381
Общие выводы и результаты работы 384
Литературные источники
- Технологические методы
- Обоснование скорости деформации при моделировании разрушений в неравновесных условиях сварки
- Несинхронность пиков термического и деформационного цикла в металле при сварке и его причины
- Влияние высокотемпературной деформации в ТИХі на сопротивляемость образованию холодных трещин (ВТИХ4)
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Применение высокопрочных материалов - одно из перспективных направлений развития современного машиностроения Сложности на этом пути обусловлены малой технологичностью таких материалов, в том числе недостаточной свариваемостью, особенно в условиях производства или ремонта крупногабаритных сварных конструкций - морских буровых платформ, ледоколов и подводных лодок, нефтехимических аппаратов, атомных реакторов, ракетных двигателей и бронетехники. Специфика их сварки обусловлена использованием массивных заготовок в термоупрочненном состоянии, в большинстве случаев практической невозможностью послесварочной упрочняющей термообработки, большой протяженностью сварных швов при безусловном требовании равенства их надежности с основным металлом. Указанная специфика осложняет проблему обеспечения свариваемости, вследствие опасности деградации свойств металла в зонах сварного соединения и появления несплошностей в виде микротрещин различной природы, а также препятствует применению известных приемов борьбы с ними.
Недостаточная свариваемость затрудняет комплексное решение основных технологических задач машиностроения:
обеспечение надежности машин и установок;
снижение их веса и расхода материалов, энергоресурсов;
увеличение производительности труда при производстве и эксплуатации машин.
Уровень надежности сварных конструкций формируется на проектном, технологическом и эксплуатационном этапах. Под проектным обеспечением надежности понимают обоснованный выбор материалов, допускаемых напряжений, расчет необходимых сечений сварных соединений, а под эксплуатационным - выполнение требований по эксплуатации в пределах ресурса. Технологическое обеспечение надежности - новое многоплановое понятие. Оно предусматривает разработку технологических процессов сварки на базе количественной оценки показателей свариваемости, что должно гарантировать сплошность сварных соединений и эксплуатационные свойства на заданном уровне независимо от действия случайных технологических возмущений в процессе их производства.
В настоящее время для получения качественных сварных соединений из сталей и сплавов недостаточной свариваемости применяют сложную трудоемкую технологию, включающую многопроходную сварку, специальные высоколегированные сварочные материалы, предварительный, сопутствующий и последующий подогрев, промежуточные
-I
отпуск и контроль сплошности, послесоарочную упрочняющую термообработку и т,д , что существенно снижает производительность сварочных работ по сравнению с техническими возможностями современных процессов сварки.
Однако сыарные соединения остаются наиболее вероятным местом (P-cJ0%) преждевременного разрушения конструкций, что свидетельствует о недостаточной технологической надежности сложных сварочных процессов и обуславливает необходимость научных работ, направленных на комплексное повышение свариваемости и производительности Перспективность этого направления подтверждается также тем. что технический прогресс в машиностроении идет по пути увеличения единичной мощности машин, установок и требует применения крупногабаритных заготовок из все более прочных материалов, чго соответственно приводит к росту объемов сварки вследствие снижения их литейных свойств, ковкости и штампуемости. В замкнутой системе материал - конструкция - технология эту проблему целесообразно решать путем создания новых сварочных технологий, соответствующих новым конструкционным материалам, поскольку другие факторы системы заданы условиями эксплуатации машин. -
Указанное выше позволяет утверждать, что поиск и обоснование способов технологического обеспечения надежности крупногабаритных сварных конструкций путем повышения свариваемости материалов является актуальным. Это научное направление развивается многими научными школами в нашей стране и за рубежом (МГТУ, ЦНИИШ Прометей, ЦНИИТМАШ, ИМЕТ, ЦКТИ, ВНИИСТАЛИ, ВИАМ, НИКИМТ, ВНИИНМ им Бочвзра, ГАНГ, ИЭС им. Патона, VYZ (Братислава), ВАМ (Берлин) и др.).
Следует заметить, что разработанные приемы и способы повышения свариваемости, как правило, имеют одноцелевой характер, т.е. способствуют повышению отдельных показателей свариваемости, что недостаточно для высокопрочных сталей и сплавов. Способы борьбы с холодными трещинами (например, подогрев, однофазные аустенитные швы) могут усиливать вероятность образования горячих трещин, а применение стойких против горячих трещин двухфазных швов - холодных трещин и охрупчивания при повторных нагревах.
Таким образом, системный подход к решению проблемы свариваемости особенно целесообразен для высоколегированных и высокопрочных сталей, потенциально склонных к образованию дефектов различной природы. С позиций системного подхода в этой ситуации необходим анализ причинно-следственных связей между сопротив пяемостью образованию трещин в высокотемпературных и низкотемпературных интервалах сварочного цикла, те учет явлений технологического наследования Объектом такого анализа должна стать структу-
?
pa металла шва как носитель технологической наследственности и как системный критерий качества соединений по показателям свариваемости, включающий технологическую прочность и эксплуатационные структурочувствительные свойства.
Цель работы
Технологическое обеспечение надежности сварных соединений путем регулирования структуры и технологической прочности аусте-нитных швов
Задачи работы
-
Разработка моделей, устанавлигзающей корреляционную слизь между сопротивляемостью образованию горячих трещин кристаллизационного вида, режимом сварки, типом первичней структуры и схемой кристаллизации аустенктных шпоо.
-
Выявление природы и причин образования горячих трещин із твердофазном состоянии зуетснитнего металла шва и ОШЗ при лучо сой и многопроходной дугезой спарка.
-
Устакоояэние сплз.?й моусду показателями то/молепп-счий прочности и другими потакателями свариваемости
ботанных для выполнения настоящего исследования методик, машин серий ЛТП 1, ЛТП З, МИС и приборов.
Исследование сварочных деформаций проводили экспериментально контактными и бесконтактными методами, а также расчетными методами. Планирование экспериментов и обработку результатов выполняли с использованием корреляционного и регрессионного анализа. .
Научная новизна
1. Разработана расчетно-экспериментальная модель, устанавливающая зависимость показателя сопротивляемости кристаллизационным трещинам Вцр - от структуры шва и режима сварки. В качестве критерия режима обосновано применение параметра R=q*VCB- энерговложение на секундную длину шва. Выявлено, что зависимость B„P(R) имеет максимум для режима R0, принятого за оптимальный,при котором минимален угол () между осями срастающихся в центре шва кристаллитов Величина В^р, соответствующая режиму R0, определяется типом первичной микроструктуры, зависящим от химического состава сплава и оптимального режима сварки.
2 Выявлены природа и причины горячих трещин в твердофазном состоянии металла шва и околошовной зоне при повторных нагревах в температурных интервалах хрупкости ТИХ2 и ТИХ3:
ТЙХ2 проявляется при повторном нагреве металла шва до 900-1100С в условиях многопроходной сварки вследствие развития сварочных деформаций по механизму высокотемпературной дислокационной ползучести ползучести, приводящей к охрупчиванию путем образования пор и сегрегатов при выходе дислокаций на границе зерен. Сопротивляемость образованию горячих трещин в ТИХг повышается при сокращении времени пребывания в ТИХ2 и легировании азотом, молибденом и др. Элементами, снижающих подвижность расщепленных дислокаций, которая пропорциональна энергии дефектов упаковки, определяемой расчетным путем.
THXj имеет место в ОШЗ при режимах повторного нагрева, вызывающих одновременное выделение упрочняющих фаз и релаксацию сварочных напряжений, что приводит к охрупчиванию металла в ОШЗ путем локализации высокотемпературной ползучести в приграничных зонах пониженной жаропрочности, обедненных упрочняющими элементами в результате их восходящей диффузии на оплавляемые при сварке границы зерен Сопротивляемость образованию горячих трещин в ТИХл повышается при сокращении времени нагрева ОШЗ выше нижней границы ТИХ. повышении скорости дисперсионного твердения
металла ОШЗ по отношению к металлу шва в течение всего периода повторного нагрева и рационализацией исходного состояния сплавов, ускоряющей миграцию границ при сварке.
3, Выявлено, что при малом уровне запаса технологической прочности о ТИХ, (<50%) происходит снижение соответствующих показателей в ТИХг - ТИХз а также других структурочувствитепьных показателей свариваемости металла шва и околошовной зоны (жаропрочности, коррозионной стойкости и т.п.), что отнесено к технологическому на-следорзнию при сварке. Выдвинуто предположение, что механизм технологического наследования состоит в суммировании однотипных дефектов кристаллической решетки, возникающих в результате пластической деформации при различных температурах сварочного термодеформационного цикла.
.4. Разработан принцип повышения свариваемости сплавов путем получения "композиционных" сварных швов с заданным составом и структурой по его сечению, основанный на раздельном легировании периферии'и центра шва элементами, препятствующими образованию соответственно горячих трещин в центре шва и холодных в околошоп-ной зоне при сварке аустенитным швом сталей мзртенситного класса. Он предусматривает ввод в охлаждающуюся часть сварочной ванны твердого металла в виде проволоки, подогретой до высокой температуры (1200 - 1300 С) з количестве, соизмеримом с расходом плавящегося электрода.
Пп'гстнчоскаі^исппоать
Результаты презол/энных псследозанкй позволили разработать1
нотую технологию сварки высоколегированных' снлпг-;Оу, пр?дудаэт-piissiomyio оптимизацию.типа,' схемы кристаллизации и химического состава металла шва; '. '
нспые способ:.-! дугоізоГі, лучезой сварки и нгппгоки, ебчелечипзю-щі;с формирование композиционных сварных'швоа с пбрьмепни'А фазовым составом по' сечению, предотвращающие возникновение горячих и колодных треш;:» при сварко легированных н высоколегированных сталей; ' ' "..
iiobGio машинные' и тел-юлеллчеетло методики оценки технологической, прочности, прзднз?начзнныо для совершенствования тзхнологии еззрки сгрзнпчснко-ссарппзаиых' материалов на основе впервые разработанного ГОСТ 20.330-04 "Методы оценки сопротивляемости металлов образованию горячих трещин при сварке плавлением"; '
принципиальный основы конструкции трах поколений универсальных машин типа ЛТГЇІ, ЛТПЗ/МИС для оценки показателей технологи-
ческой прочности в различных интервалах хрупкости, прикладные программы для компьютерного управления процессами испытаний, а также организовать их выпуск мелкими сериями и внедрить в лабораторную практику 40 организаций, в РФ. и за рубежом.
Апробация работы
Материалы диссертационной работы докладывались на 6 международных конференциях и 11 Всесоюзных и республиканских конференциях по сварке и наплавке.
Диссертационная работа в целом обсуждалась на,ч научно-техническом семинаре в МГТУ им. Баумана.
Публикации
По теме диссертационной работы опубликовано более 150 работ, получено 27 авторских свидетельств и один патент РФ.
Структура, объем и краткое содержание работы
Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, изложена на 414 страницах машинописного текста и включает 30 таблиц и список использованных источников из 236 наименований.
Технологические методы
Термин "Технологическая прочность" предложен Н.Н.Прохоровым [1]. Он означает способность металла сохранять сплошность в процессе технологической обработки, т.е. при литье и сварке. Исходя из определения , в технологическую прочность входят показатели, характеризующие риск образования трещин различной природы(горячих, холодных, трещин при термической обработке и т.п.).
Более широкое понятие - свариваемость, которое включает кроме указанных показателей технологической прочности, критерии механических свойств сварных соединений, в сравнении с основным металлом[2,3]. Соответствующее определение понятия свариваемости дано в ГОСТ 26001-84: «свариваемость - свойство металлов или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия».
Исходя из вышеприведенного определения, свариваемость зависит с одной стороны от возможности получения соединений без нарушения сплошности, а с другой - от степени сохранения эксплуатационных свойств материалов сварной конструкции. Обе группы показателей зависят от материала, технологии , конструктивного оформления соединения и являются структурочувствительными. Однако взаимосвязи между ними практически не исследованы , что препятствует научному обоснованию режимов сварки.
Эксплуатационные свойства сварных конструкций должны соответствовать предъявляемым к ним техническим требованиям. Они обеспечиваются материалом, заданным проектантом, и сварочной технологией, сохраняющей эти свойства в сварной конструкции. Если требования к эксплуатационным свойствам сварных соединений с принятыми допущениями удовлетворяются, то при данной технологии свариваемость материалов считают достаточной. Если не обеспечивается минимально приемлемый уровень хотя бы одного из эксплуатационных свойств сварного соединения, то свариваемость материала считается недостаточной. Такой односторонний подход мешает получению высоконадежных соединений, т.к. не учитывает риска, вызванного повышенной склонностью к образованию микротрещин, не обнаруживаемых современными средствами контроля. Обеспечение надежности технологическими методами состоит в предотвращении трещин и сохранении свойств металла.
Невозможность количественной оценки свариваемости приводит к тому, что применяется несколько качественных степеней свариваемости: хорошая, удовлетворительная, ограниченная и плохая. Степень свариваемости материала устанавливается в каждом конкретном случае в зависимости от заданной технологии, конструктивного оформления сварного соединения и степени снижения эксплуатационных свойств.
В практике исследований свариваемости, как правило, применяются специальной конструкции сварные образцы или образцы с имитацией сварочных термических или термодеформационных циклов. В результате исследований таких образцов определяются типы потенциальных дефектов, характеристики структуры, механические и специальные свойства сварных соединений или зон имитации, абсолютные или относительные значения которых принимаются за количественные показатели свариваемости. Попытки [3] дать интегральный, т.е. количественный показатель свариваемости путем учета отдельных показателей и их сочетания оказались преждевременными, поскольку не устанавливалась их степень значимости в связи с недостаточным развитием методов испытаний и их несопоставимости. В лабораторной практике при сопоставлении материалов и технологий показатели свариваемости используются непосредственно в качестве нескольких критериев сравнения. По отдельным показателям или их сочетаниям судят о поведении металла при сварке и сварного соединения при эксплуатации. В принципе количество показателей может быть равно количеству характеристик и свойств, определяющих работоспособность сварных соединений. При этом достоверность оценки зависит от субъективного выбора основных показателей с учетом того, какие свойства и характеристики связаны с наиболее частыми отказами сварных соединений при эксплуатации.
Одна из проблем в оценке и выборе показателей свариваемости -существование большого числа неадекватных методов, показателей и понятий. В настоящей работе для установления методического единства при рассмотрении вопросов, касающихся трещинообразования при сварке применены следующие понятия и термины:
«Склонность к образованию трещин» - показатель свариваемости материала, который устанавливается по факту образования трещин в сварном соединении и оценивается качественно или количественно критической величиной одного из факторов режима, обусловливающих трещинообразование.
«Стойкость против образования трещин» - показатель свариваемости материала, который устанавливается по факту отсутствия трещин в типовой сварной конструкции и оценивается количественно величиной запаса стойкости по конкретному виду трещинообразования.
«Сопротивляемость образованию трещин» означает свойство материала в структурном и напряженно-деформированном состоянии шва или зоны термического влияния сопротивляться разрушению, соответствующему по характеру разрушению при образовании трещин. Сопротивляемость измеряется количественным показателем, отнесенным к материалу в конкретных технологических условиях сварки.
Обоснование скорости деформации при моделировании разрушений в неравновесных условиях сварки
Согласно представленного на рис. 2.21 схемы перекрытия слоев, каждый слой после затвердевания как минимум подвергается длительному двукратному нагреву до предплавильных температур с последующим полным охлаждением, в связи с большими габаритами конструкции. Схема термического цикла сварки дана на рис. 2.21. При двукратном повторном дуговом нагреве суммарное время нагрева выше 1000 достигает ЮОсек., скорость деформации 0,25 сек., количество циклов нагрева и охлаждения 8, а суммарная деформация достигает 8% [19]. Это обуславливает повышенный темп высокотемпературных деформаций в кристаллизующемся шве. Анализу темпа деформаций посвящена глава 3.
Процесс образования структуры многослойного шва можно представить следующим образом. После затвердевания стабильно-аустенитной шов имеет крупнокристаллическое строение , причем металл зон срастания кристаллитов также представляет собой аустенитный твердый раствор, но с большим содержанием ликвирующих элементов(углерода, никеля, ванадия, азота). В этих зонах в принципе возможно образование кристаллизационных трещин по границам, сформированных в зонах срастания по схеме миграции [63]. Ускоренное охлаждение фиксирует большую плотность ростовых и тепловых вакансий.
После затвердевания в зонах срастания кристалитов формируется, в режиме ускоренного охлаждения, физическая граница между объемами с различной кристаллографической ориентировкой. (Рис.2.22 ) Деформация, непрерывно протекающая в охлаждающемся металле по механизму дислокационной ползучести, (переползание дислокаций совместно с облаком примесей, образующих атмосферы Сузуки) приводит к выходу дислокаций на границы. Это усиливает процессы сегрегации и обуславливает возникновение межзеренных сдвигов. Но в условиях однопроходной сварки , вероятно,
При выполнении многопроходного шва в зонах, где металл не претерпел полного расплавления, но вновь нагрет до температур интенсивного развития диффузионных процессов, зарождение и развитие трещин наиболее возможно. Многократный нагрев дугой (рис2.21) увеличивает время протекания внутрезеренных и межзеренных сдвигов, сегрегационных процессов образования карбидных фаз, которые интенсифицируются благодаря непрерывному силовому воздействию. По данным /6/, в рассматриваемых в настоящей работе аустенитных материалах типа Х16Н25АМ6 , содержащих 0,12 %С , 0,1...0,2 % N, , , 6-7% Мо возможна, фаза Лавеса Fe2Mo , кубический карбид хрома типа Men Mem"(CN), где п=2 или 3; т=4 или 3 ; (Меп - железо , никель , кремний , а Мет- хром, молибден). При дополнительном легировании фазовый состав таких сталей значительно усложняется. Образованию карбидов способствует в первую очередь наличие углерода, а также присутствие в металле сильных карбидообразователей вольфрама, ванадия , титана. Легирование азотом способствует образованию карбонитридных фаз, преимущественно на границах зерен , где в результате сегрегации сосредотачивается основная масса углерода. Итак, при повторном нагреве литого металла шва имеет место неблагоприятное сочетание высокого уровня упруго-вязко-пластической деформации с распадом неравновесного твердого раствора и другими изменениями структуры, способствующее протеканию процессов межзеренного сдвига, которые приводят к снижению высокотемпературной пластичности , зарождению и развитию переплавом в аргоне, создавали различные напряжения расстяжения и подвергали электроконтактному нагреву до саморазрушения при различных температурах(рис.2.23). По изменению размера шейки образца в поперечном сечении оценивали пластичность. Получено, что в районе 800-1100 град, имеет место охрупчивание без потери прочности (рис.2.23), а при более высоких—второй ТИХ с падением прочности и пластичности до нулевых значений . При наличии элементов, вызывающих появление высокотемпературного 5-Fe,второй низкотемпературный ТИХ2 не выявляется. Он отсутствует и при испытании рекристализованного металла. Следует подчеркнуть, что нагрев микрообразцов под постоянным растягивающим усилием должен вызывать ползучесть при высоких температурах, но не расплавление границ литого металла, так как разрушение происходило при высоких напряжениях.
Появление второго ТИХ можно объяснить высоким уровнем неравновесной микронеоднородности в литом металле по сравнению с прокатанным и рекристализованным.
Металл, имеющий нижнию границу ТИХ при пониженной температуре, должен, по - видимому, обладать меньшей сопротивляемостью образованию трещин. Сравнивая металл СВ10Х15Н23М4В4АФ2 , имеющий нижнию границу ТИХ2, составляющую 850 град.;С металлом СВ10X19Н23Г2М5ФАТ, следует предположить, что последний более склонен к трещинам в ТИХ2, так как интервал хрупкости начинается при меньших температурах. Эти предположения подтвердились в ходе последующих экспериментов с помощью второй методики, реализуемой непосредственно при сварке. Она предназначена как для воспроизведения трещин, так и для количественной оценки сплавов.
Несинхронность пиков термического и деформационного цикла в металле при сварке и его причины
В работе разработан также алгоритм управления технологической прочностью для случая, когда имеется возможность измерения только одного параметра сварочной ванны. На основе принципа инвариантности алгоритм содержит два канала. В первом канале реализуется основная модель (2), а во втором осуществляются вычисления по корректирующей модели (3). Это позволяет выделить во втором канале информацию о неконтролируемых возмущениях при сравнении измеренной величины параметра ванны с ее математическим ожиданием. Разница между этими величинами используется для коррекции сигнала в канале основной модели /120/.
Полученные в работе данные по идентификации объекта управления и математические модели технологической прочности использованы в МВТУ им. Баумана при создании АСУ ТП для Московского трубного завода.
Влияние случайных отклонений по темпу высокотемпературных деформаций на показатели свариваемости.
В главе 3 показано, что в процессе сварки отдельные участки шва могут претерпевать различную высокотемпературную деформацию в ТИХ. Эта ситуация возникает при несинхронном развитии термического и деформационного цикла и, как правило, имеет место в начале и конце круговых и протяженных швов, в местах переплавки сборочных прихваток, при перекрестиях швов и в других случаях, когда сварочный нагрев приводит к релаксации напряжений, созданных предыдущими операциями. В таких местах возможно образование горячих трещин, в том числе микротрещин, размеры которых достаточны для уверенного выявления средствами контроля.
Другой, более опасный вариант- образование микротрещин или дефектов структуры, условно называемых «предтрещинами», которые не обнаруживаются средствами контроля. Такой участок шва считают равнонадежным, с остальными что следует подвергнуть сомнению и провести специальные исследования.
В настоящем разделе работы по специально разработанной методике проведено исследование влияния высокотемпературных деформаций в ТИХ1 на образование трещин в других ТИХ, а также на некоторые служебные свойства сталей и сплавов. Методика испытаний состоит из двух этапов. На первом в процессе сварки или имитации цикла определяют критический темп Вкр который гарантированно не вызывает горячих трещин в ТИХ1.
На втором этапе серию образцов в ТИХ1 деформируют с темпом, составляющим доли от критического, от 0 до 0,95 Вкр. Эти образцы затем испытывают на сопротивляемость образованию горячих или холодных трещин в ТИХ2-ТИХ4 или разрушают для оценки служебных свойств (жаропрочность, коррозионную стойкость и т.п.).
Для подтверждения правомерности выдвинутой гипотезы проведены испытания сопротивляемости образованию горячих трещин в ТИХ2 для металла аустенитного шва, выполненного сварочной проволокой Св10Х19Н23Г2М5ФАТ. В качестве основного металла применены образцы из стали 12ХН4МДА толщиной 30 мм. Методика оценки показателя Вкр в ТИХ2 описана в главе 2.
В результате экспериментальных исследований установлено, что увеличение степени исчерпания пластических свойств металла аустенитного шва в ТИХ, т.е. на этапе завершения кристаллизации, снижает и сопротивляемость образованию подсолидусных трещин (рис. 4.2), причем при сварке с охлаждающей присадкой, при прочих равных условиях, сопротивляемость снижается на меньшую величину, т.е. обеспечивается более высокий запас технологической прочности в сравнении со сваркой без присадки. Повышение склонности к образованию подсолидусных трещин, вызванное увеличением сварочных деформаций при кристаллизации, связано с особенностью формирования границ зерен в условиях напряженного состояния. В работах Мовчана Б.А., Шоршорова М.Х., Чернышевой Т.А. отмечается, что в напряженных объемах при кристаллизации активизируются процессы образования и миграции границ, связанные, по-видимому, с увеличением концентрации вакансий и с ускорением самодиффузии в локальных объемах. В результате границы зерен становятся более линейными и обладают повышенной травимостью, что подтверждено металлографическим исследованием. При повторном дуговом нагреве это приводит к увеличению величины межзеренного проскальзывания и способствует образованию на границах зерен микронадрывов.
Полученные данные свидетельствуют о том, что существует связь между сопротивляемостью образованию кристаллизационных подсолидусных трещин. Поэтому при оценке технологической прочности аустенитных сварочных материалов типа св10Х19Н23Г2М5ФАТ, склонных к образованию трещин того и другого типа, необходимы испытания на сопротивляемость образованию как кристаллизационных, так и подсолидусных трещин.
Влияние высокотемпературной деформации в ТИХі на сопротивляемость образованию холодных трещин (ВТИХ4)
Для выявления причин столь положительных изменений в зоне сплавления проведена оценка среднего химического состава металла шва, формы межфазной поверхности, а также намерена толщина жидкой прослойки под дугой по методике, описанной в работе [151]. Для этого по прогнозируемой траектории движения дуги в разделке в отверстия вставляли вольфрамовые стержни, а после сварки определяли степень их оплавления дугой. Установлено, что на режиме сварки: Ісв = 600 А, U=30 В, VCB=5,6»10—з м/с, при (В=0,7 степень проплавлення основного металла уменьшается на 15—20%, а доля участия основного металла снижается вдвое.
Для выявления количественных зависимостей толщины слоя переменной твердости от технологических режимов сварки с горячей присадкой проведено исследование с планированием многофакторного эксперимента. Сталь 30Н4МДФА сваривали электродом Св-08 Х20Н9Г7ТС с горячей присадкойСв-04 Х23Н7МЗЮТ. В качестве независимых факторов выбраны: место ввода и количество присадки, а также сила тока как фактор, наиболее сильно влияющий на ширину участка переменной твердости, являющейся откликом -У. Получено уравнение: У = 7,58 Р - 26,6 (3 + 0,0134 Ісв +13,25 . . . [мкм] (5.39) Из уравнения следует, что ширина участка переменной твердости снижается по мере приближения места ввода присадки к дуге, т. е. в противоположном направлении по сравнению с влиянием места ввода присадки на горячие трещины.
Результаты сравнения количества отдельных легирующих элементов (C,Si,Ni,Mn,Cr) в металле шва (табл.26) так-же свидетельствует о том, что введение присадки существенно снижает долю участия основного металла в шве. Так, при сварке проволокой Св-08Х20Н9Г7Т без присадки шов первого прохода получается при равных долях электрода и основного металла согласно диаграмме Шеффлера однофазным \ ау-стенитным , что обусловливает его крупнозернистость и высокую склонность к образованию горячих трещин (рис.5.23а). При сварке с присадкой шов получается аустенитно-ферритным. Это приводит к мелкозернистой первичной структуре в результате одновременного выделения феррита и аустенита из жидкой фазы (рис.5.236).
Результаты анализа формы ванны, выполненного путем ее ввп-лескивания, свидетельствуют о том, что присадка изменяет форму ванны в вертикальном сечении. При сварке без присадки глубина ванны существенно возрастает и после прохождения дуги, что можно объяснить лишь воздействием теплоты перегрева и кристаллизации металла шва. При сварке с присадкой эффект углубления шва после прохождения дуги не отмечается, так как происходит внутренний сток теплоты на плавление присадки.
К основным причинам выявленных положительных изменений структуры и свойств металла, прилегающего к линии сплавления необходимо отнести следующие: - снижение времени высокотемпературного воздействия на не го, уменьшение степени подплавления основного металла (в связи с внутренним стоком теплоты перегрева и кристаллизации металла шва на плавление присадки); кратности нагрева при меньшем числе прохо дов; - - увеличение запаса аустенитности (никеля) металла шва,контактирующего с основным металлом; -двухкратное снижение водорода в результате бескапельного переноса присадочного металла минуя столб дуги.
Эффективность введения присадки состоит также в том, что возрастает сопротивляемость горячим трещинам и другие механические характеристики металла, а также производительность процесса.
Следовательно, введение в сварочную ванну большого количества присадки, близкой по составу к электроду, повышает стойкость сварного соединения против образования холодных трещин типа «отрыв». Благоприятное влияние присадки, вводимой в сварочную ванну, состоит в уменьшении доли участия основного металла в шве и в снижении под-плавления основного металла за дугой в результате снятия перегрева сварочной ванны присадкой. Ширина участка высокой твердости, возникающей в зоне подплавления, уменьшается до 15—20 мкм с приближением места ввода присадки к .активному пятну дуги и увеличением ее количества, что вызвано снижением степени теплового воздействия ванны на основной металл. При автоматической сварке с присадкой закаливающейся стали ЗОН4МДФ существенно возрастает стойкость швов против образования холодных трещин типа «отрыв» при одновременном повышении сопротивляемости горячим трещинам, производительности процесса сварки и механических характеристик металла шва.
Для оценки механических свойств сварных соединений сваривали пластины размером 45x500x600 по V- образной разделке кромок под углом 60 в режимах, приведенных в таблице 25.
При сварке стали типа 30Н4МФДА применяли электрод Св-08Х20Н9Г7Т диаметром 5 мм и аустенитно-ферритную присадочную проволоку СВ-10Х20Н7СТ диаметром 2 мм. Сварку вели за восемь проходов. Образцы вырезали из верхней и корневой части шва. Механические свойства определяли на цилиндрических образцах по ГОСТ 6996-66 (ТИП 2). Результаты испытаний, приведенные в таблице 27,показали, что прочностные свойства швов удовлетворяют предъявляемым требованиям (ст 550 МПа, 8 25%), а относительное удлинение и сужение образца по сравнению с действующей технологией выше в 1,5-2 раза. При испытании специальных свойств сварных соединений при динамическом нагружении выявлено, [224], что критическая энергия разрушения сварного соединения с композиционным швом выше на 18-20% [Рис.5-31].
Для стали 12ХН4МДА-Ш, при сварке электродом Св-10Х19Н23Г2М5ФАТ и присадкой идентичного состава проведены аналогичные сравнительные испытания механических свойств шва. Режим сварки: Ісв= 500А, a VCB= 5,6 10"3 м/с, Р= 0,3 и (3= 0,7. Статистическая обработка данных, полученных в результате испытания 32 образцов показали, что Qy по ударной вязкости равна 1,18, а по пределу прочности-1,15 [125]. Следовательно, и при введении идентичной с электродом присадки механические свойства наплавляемого металла повышаются, что связано с изменением первичной микроструктуры при вводе внутренних стоков тепла в сварочную ванну.
Испытания на выносливость проведены на крупногабаритных дисковых образцах толщиной 30 мм с диаметральным швом, выполненным по Х- образной разделке на установке УДИ-2 в растворе NaCI. Выявлено, что при максимальных напряжениях 0,7а02 число циклов до появления трещин составляет 20100, а при сварке с присадкой - значительно больше: 25640. Число циклов до разрушения образца также возросло от 36400 до 46800, т.е. долговечность соединений при сварке с присадкой возрастает на 20-40% [125].