Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Холодные трещины в среднелегированных сталях 11
1.1. Характеристика свариваемости среднелегированных сталей 11
1.2. Причины образования холодных трещин 15
1.3. Пути предотвращения образования холодных трещин 22
1.4. Цель и задачи исследования 34
Глава 2. Исследование влияния энергетических параметров на механические свойства стали ЗОХГСА
2.1. Определение управляемых параметров и режимов сварки для проведения исследований 36
2.2. Планирование эксперимента 41
2.3. Обработка результатов экспериментов и построение линейных регрессионных моделей 47
2.4. Проверка результатов исследований на практике 54
Выводы 59
Глава 3. Влияние технологических факторов на механические свойства и качество многослойного сварного соединения стали ЗОХГСА 60
3.1. Влияние импульсно-дуговых способов сварки (при соединении в замок) 60
3.2. Влияние двухструйной газовой защиты сварочной ванны на качество, структуру и равнопрочность сварного соединения
3.3. Влияние формы щелевой разделки кромок на качество и равнопрочность сварного соединения 80
Выводы 90
Глава 4. Разработка ресурсосберегающих технологий сварки многослойных соединений стали ЗОХГСА в щелевую разделку 91
4.1. Разработка ресурсосберегающих технологий и рекомендаций по рациональному их применению на практике 91
4.2. Технико-экономические показатели применения результатов настоящего исследования 97 Выводы 102
Основные выводы и результаты работы 103
Список литературы 105
- Причины образования холодных трещин
- Планирование эксперимента
- Влияние двухструйной газовой защиты сварочной ванны на качество, структуру и равнопрочность сварного соединения
- Технико-экономические показатели применения результатов настоящего исследования
Причины образования холодных трещин
Известно, что структурное состояние металла во многом определяет его механические свойства. Формирование структуры металла зависит от его химического состава и условий теплового воздействия, главным образом - от скорости охлаждения в температурном интервале распада аустенита. Характер теплового воздействия на металл при сварке определяется термическим циклом сварки (ТЦС), зависящим при прочих равных условиях от режима и условий сварки.
В зависимости от скорости охлаждения в сталях возможно образование различных структур: от феррито-перлитных до мартенситных. Термические циклы при сварке многих сталей характеризуется скоростью охлаждения, часто превышающей критическую для данной стали. В таких случаях в металле шва и зоны термического влияния возникают закалочные структуры мартенситного типа. Сварные соединения с такой структурой оказываются малопластичными и, как правило, склонными к образованию холодных трещин и замедленному разрушению. Ориентировочно минимальная доля мартенсита в структуре перлитных сталей, при которой возможно образование холодных трещин, составляет 25-30 %.
Мартенситные превращения основной части аустенита обычно протекают при пониженных температурах (250 С и ниже), когда металл уже приобрел значительную прочность, сопровождаются значительным увеличением объема, что приводит к возникновению структурных напряжений [1].
По сравнению с другими структурными составляющими мартенсит характеризуется высокой твердостью, прочностью и низкой пластичностью.
Углерод и большинство легирующих элементов повышают устойчивость аустенита, способствуют распаду его при более низких температурах с образованием мартенсита, повышая тем самым вероятность возникновения холодных трещин при сварке [1].
В образовании холодных трещин при сварке значительную роль играет водород. В начальный после сварки момент максимальная концентрация водорода оказывается в металле шва, куда он общеизвестными путями попал в период нахождения металла шва в жидком состоянии.
В металле водород может присутствовать в виде атомов, ионов, молекул. Ионы и атомы водорода, имея малые размеры, легко перемещаются (диффундируют) в твердом металле при комнатной температурах, так и при повышенных температурах.
В связи с высокой концентрацией в металле шва водород диффузионным путем распространяется в области с меньшей концентрацией: околошовную зону и далее в основной металл, через наружную поверхность шва в окружающую атмосферу. При наличии в околошовной зоне закалочных структур водород задерживается в ней, так как коэффициент диффузии его в мартенсите в несколько раз меньше, чем в ферритоперлитной структуре. Попадая в микроне-сплошности (поры, микротрещины), водород переходит в молекулярную форму, развивая постепенно в таких несплошностях высокие давления, приводящие к росту несплошностей, т.е. к развитию холодных трещин.
Содействие водорода развитию и росту трещин связывают также и с тем, что водород снижает поверхностную энергию, т.е. уменьшает работу развития трещины. Существуют и другие взгляды, объясняющие влияние водорода на склонность сталей к образованию холодных трещин при сварке.
Третьим фактором, определяющим образование холодных трещин, являются напряжения. Временные напряжения в сварном соединении возникают и непрерывно изменяются в процессе его охлаждения в результате усадки и фазовых превращений в металле шва и околошовной зоны. В зависимости от величины временных сварочных напряжений при температурах, близких к температуре начала мартенситного превращения, в околошовной зоне наблюдаются различные упругопластические деформации. Это оказывает заметное влияние на кинетику превращения переохлажденного аустенита в этой зоне и, следовательно, на конечную структуру и свойства металла [3].
Характер и уровень временных напряжений зависят от конструкции сварного узла, способа, режима, условий и техники сварки и других факторов, важная роль среди которых отводится химическому составу металла шва.
Кроме отмеченных факторов, на склонность сталей к образованию холодных трещин оказывают влияние количество, состав, характер распределения и форма неметаллических включений в основном металле. Наиболее неблагоприятной формой неметаллических включений является пленообразная. При неблагоприятной форме и цепочкообразном расположении включений в месте их скопления возможно зарождение надрывов (особый вид горячих трещин), которые могут служить очагами для последующего зарождения холодных трещин. С уменьшением количества неметаллических включений и при более равномерном их распределении вероятность образования надрывов уменьшается. Равномерное и мелкодисперсное распределение неметаллических включений затрудняет зарождение холодных трещин.
Верхняя граница начала мартенситного превращения и склонность стали к образованию холодных трещин зависит от легирующих элементов и их количества. С увеличением содержания углерода возрастает склонность стали к образованию холодных трещин. При повышении содержания марганца, никеля, хрома, молибдена, и некоторых других элементов снижается температура мартенситного превращения в среднелегированных сталях. Чем ниже температура распада аустенита, грубее структура мартенсита, выше уровень внутренних сварочных и структурных напряжений, тем больше вероятность появления холодных трещин [1].
Планирование эксперимента
Процесс осуществляется по следующей схеме [77, 78]. В первоначальный момент, во время паузы, образуется капля (рис.3.4, а). Сварочный ток при этом минимален, но выше тока гашения дуги. В это время подается импульс проволоки, и капля начинает разгоняться. В начале разгона, скорость центра массы капли изменяется по закону, близкому к синусоидальному (рис. 3.4, б). Затем под действием упругих сил деформированной капли центр массы ускоряется до величины, превосходящей ускорение электрода (рис. 3.4, в). Во время торможения капля снова движется ускоренно относительно электрода под действием сил инерции. При этом форма капли изменяется, сначала принимает круглую форму, а затем вытянутую, которая касается сварочной ванны, (рис. 3.4, г). После этого происходит перетекание капли в сварочную ванну (рис. 3.4, д) и повторное зажигание дуги (рис. 3.4, е). Нарастание сварочного тока в этот момент ограничено индуктивностью дросселя, поэтому в момент касания отталкивающее действие пинч-эффекта ограничено [77, 79]. Вследствие этого возникают благоприятные условия для образования перемычки, так как в этот момент в основном действуют силы поверхностного натяжения. Рис. 3.4. Образование капли при сварке с импульсной подачей электродной
проволоки. Автоматическая сварка с импульсной подачей электродной проволоки обеспечивает хорошее сплавление кромок сварного соединения с щелевой разделкой (рис. 3.3, а) и качественное формирование шва. Отсутствие зависимости управления переносом электродного металла в сварочную ванну от вылета электрода позволяет выполнять качественную сварку соединений с глубиной щелевой разделки до 30-35 мм без нарушения стабильности управления переносом электродного металла. Это обеспечивает стабильность качества формирования шва и механических свойств сварного соединения. Получаемая на протяжении всей глубины шва мелкодисперсная структура в сочетании с высокой пластичностью (таблица 3.1) обеспечивает высокую работоспособность сварного соединения, особенно это заметно при работе изделия под знакопеременными нагрузками.
Микроструктура сварного соединения из стали 30ХГСА, выполненного автоматической импульсной дуговой сваркой длинной дугой: а) шов; б) зона сплавления; в) околошовная зона (ОШЗ) ЗТВ (или участок перегрева); г) участок нормализации; д) основной металл.
При сварке длинной дугой увеличивается площадь оплавления периферии соединения в замок (рис. 3.3, б) за счет распределенного источника нагрева, образованного расширенным столбом дуги. Что увеличивает долю основного металла в шве и способствует лучшему перемешиванию расплавленного электродного металла с основным. Об этом свидетельствуют механические характеристики металла шва (таблица 3.1), которые приближаются по своим значениям к основному металлу. Однако, низкая ударная вязкость и большое зна чение твердости делает сварное соединение не пригодным для работы под знакопеременными нагрузками, т.к. может произойти его хрупкое разрушение. Снижение ударной вязкости связанно с большими тепловложениями (рост ау-стенитных зерен) и высокими скоростями охлаждения (импульс - пауза), вследствие чего образуются грубые закалочные структуры (мартенсит).
В тоже время появляется опасность насыщения металла шва и ЗТВ водородом, приводящая к охрупчиванию металла сварного соединения, т.к. увеличивается площадь расплавленного металла сварочной ванны и время пребывания его в жидком состоянии. Можно предположить, что это и является причиной снижения ударной вязкости и увеличения твердости металла шва.
Во время проведения экспериментов появились определенные затруднения. Хотя, применение сварки длинной дугой обеспечивает хорошее сплавление кромок деталей при соединении в замок за счет увеличения площади оплавления широким столбом дуги. Однако, наложение последнего облицовочного шва, вследствие высокого газодинамического воздействия импульсной дуги на металл сварочной ванны, сильно затруднено (практически невозможно). Так как процесс сварки становился нестабильным. Это заставило выполнить переход к импульсной дуговой сварке с короткой дугой для качественного формирования облицовочного шва.
Сварку образцов механизированной импульсной сваркой короткой дугой выполняли на режиме 1св (ср) = 160-170 А, ид = 22 -23 В, VCB = 14 - 15 м/ч, длительность импульса ти = 4 мс, частота импульсов 60 Гц (1 импульс - 1 капля). Провели механические испытания сварочных образцов (таблица 3.1) и анализ микроструктуры сварного соединения (рис. 3.6).
Микроструктура сварного соединения из стали ЗОХГСА, выполненного механизированной импульсной сваркой короткой дугой: а) шов; б) зона сплавления; в) околошовная зона (ОШЗ) ЗТВ (или участок перегрева); г) участок нормализации; д) основной металл.
При сварке образцов короткой дугой также столкнулись с серьезными трудностями: с увеличением вылета электродной проволоки пропадает возможность управления переносом электродного металла в сварочную ванну; узкий столб дуги (рис. 3.3, в) не обеспечивает надлежащего оплавления кромок свариваемых деталей с щелевой разделкой для получения качественного сварного соединения (рис. 3.7), это вызывает необходимость в поперечных колебаниях электрода (рис. 3.3, г). Однако, малое раскрытие кромок щелевой разделки не позволяет нормально выполнять поперечные колебания электродом, что снижает качество формирования шва и работоспособность сварного соединения в целом (таблица 3.1).
Влияние двухструйной газовой защиты сварочной ванны на качество, структуру и равнопрочность сварного соединения
Эскиз двухструйного сопла. Для определения влияния двухструйной газовой защиты на качество, структуру и механические свойства закаливающейся стали 30ХГСА провели экспериментальные исследования. Выполняли автоматическую сварку поворотного стыка трубы диаметром 90 мм с толщиной стенки 18 мм в СОг за несколько проходов в узкий зазор (с V-образной формой корневой части) сварочной проволокой Св-08Г2С диаметром 1,2 мм (рис. 3.10). При сварке образцов поддерживался режим: напряжение дуги ид = 26-27 В, скорость сварки VCB =14-15 м/ч, скорость подачи электродной проволоки Vnp = 270 м/ч, расход защитного газа Q = 7 л/мин, сила тока 1св = 180 А, без предварительного подогрева и по следующей термообработки. Для сравнения был изготовлен сварочный образец по такой же технологии, но с последующей термообработкой при 600 С.
Механические испытания сварочных образцов выполнили в ЦЗЛ «Юр-гинского машиностроительного завода» (табл. 3.2) и провели анализ микроструктуры сварных соединений (рис. 3.11 и 3.12).
Щелевая разделка кромок с V-образной формой корневой части со единения.
Из таблицы 3.2 видно, что полученные многослойные сварные соединения обладают достаточно высокими и стабильными прочностными свойствами и хорошей пластичностью. При этом применение послесварочной термообработки не дало существенного превосходства эксплуатационных свойств сварных соединений над теми, которые не подвергались термообработке. Безусловно, сварные соединения после отпуска при температуре 600 С получились немного пластичнее, уменьшились значения твердости шва и ЗТВ, в 1,3 раза увеличилась ударная вязкость, уменьшилось значение временного сопротивления разрыву. Но большие материальные, трудовые и временные затраты не оправ Таблица 3.2
Результаты механических испытаний сварочных образцов из стали ЗОХГСА. Способ сварки Временное сопротивление разрыву, МПа Предел текучести, МПа Ударная вязкость с надрезом по центру шва, Дж/см при температуре +20 С Ударная вязкость с надрезом по ЗТВ, Дж/см2 при температуре +20 С Твердость шва, HRB Твердость ЗТВ, HRC Относи тельное улине-ние, % Относительное сужение, % 1. Автоматическая сварка с двухструйной защитой без предварительного подогрева и последующей термообработки. 770-710 740 620-590 605 88-126 107 126-196152 96-98 97 25-31 28 10-12 11 59-61 60 2. Автоматическая сварка с двухструйной защитой без предварительного подогрева и с последующей термообработкой при 600 С. 670-670 670 560-560 560 131-188 157 113-188 149 88-92 90 20-22 21 11-1312 65-66 65,5 дывают использование послесварочной термообработки при сварке многослойных швов двухструйной защитой. С другой стороны, для высокоответственных конструкций, работающих под большими знакопеременными нагрузками, где требуется высокая работоспособность и пластичность сварного соединения, можно выполнить общую термообработку - отпуск при 600 С.
Микроструктура сварного соединения из стали 30ХГСА, выполненного с двухструйной защитой без предварительного подогрева и последующей термообработки: а) шов; б) зона сплавления; в) околошовная зона (ОШЗ) ЗТВ (или участок перегрева); г) участок нормализации; д) основной металл. Высокие эксплуатационные свойства многослойных сварных соединений, полученных при сварке с двухструйной защитой, подтверждает проведенный микроструктурный анализ (рис. 3.11), в результате которого была выявлена мелко дисперсная структура шва. При этом швы обладают неявно выраженной зоной сплавления, т.е. существует плавный переход от металла шва к основному металлу, что обеспечивает высокую работоспособность сварного соединения. Это подтверждается высоким значением ударной вязкости образцов с надрезом в ЗТВ.
Микроструктура сварного соединения из стали ЗОХГСА, выполненного с двухструйной защитой без предварительного подогрева и с последующей термообработкой при 600 С: а) шов; б) зона сплавления; в) околошовная зона (ОШЗ) ЗТВ (или участок перегрева); г) участок нормализации; д) основной металл.
Высокие эксплуатационные свойства и мелкодисперсная структура многослойных сварных соединений полученные при сварке с двухструйной защи той объясняется высоким газодинамическим давлением внутренней струи защитного газа на жидкий металл сварочной ванны (рис. 3.13), что способствует интенсивному перемешиванию расплавленного электродного металла с основным, разбиению дендритов и образованию множества новых центров кристаллизации. Кроме того, увеличивается скорость охлаждения и сокращается время пребывания металла шва и ЗТВ в области высоких температур, и значит зерно не успевает вырасти. А внешняя кольцевая струя обеспечивает надежную защиту зоны сварки от вредного влияния атмосферного воздуха [80].
По результатам проведенного исследования видно, что применение двухструнного сопла выбранной конструкции (рис. 3.9) способствует измельчению структуры и получению качественных, равнопрочных многослойных сварных соединений из стали ЗОХГСА с хорошей работоспособностью. Это дает возможность рекомендовать описанный выше способ для сварки легированных сталей (ЗОХГСА) в щелевую разделку без предварительного подогрева и последующей термообработки.
Устранение предварительного подогрева и последующей термообработки из технологического процесса сварки многослойных сварных соединений сталей типа ЗОХГСА позволяет сэкономить до 3000-4000 л/ч горючего газа (ацетилен, природный газ) и до 3000- 4500 л/ч кислорода, необходимых при подогреве свариваемых изделий. Одновременно уменьшается длительность технологического процесса изготовления единицы изделия (гидроцилиндра), улучшаются условия работы сварщика. В зависимости от диаметра гидроцилиндра технологический процесс сокращается на 20-45 мин., а производительность труда увеличивается на 15-20 %.
Надежность и качество сварных многослойных соединений не всегда зависит только от свойств основного металла, но и от правильно выбранной формы разделки кромок, способа сварки, режимов сварки, защитной среды и т.д. Последнее время для получения многослойных сварных соединений широко применяется щелевая разделка кромок. Такая разделка позволяет обеспечить меньший объем наплавляемого металла по сравнению с наиболее часто применяемой V-образной разделкой с 60-м раскрытием кромок. Что приводит к выравниванию механических свойств шва и основного металла. Для получения наиболее равнопрочного сварного многослойного соединения необходимо правильно выбрать влияющие параметры в том числе и способ сварки.
Провели эксперименты с использованием различных форм щелевой разделки кромок. При изготовлении изделий по заводской технологии конструктивно заложено кольцевое соединение в замок (рис. 3.14, а). Конструктивная ступенька полностью не переплавляется, вследствие чего, получается непровар корня шва (рис. 3.14, б), который служит концентратором напряжений и увеличивает вероятность появления холодных трещин. Работа сварного соединения под нагрузкой приводит к быстрому развитию трещины в магистральную и вызывает разрушение изделия.
Технико-экономические показатели применения результатов настоящего исследования
При этом время на производство одной секции комплекса сокращается на 4,91 часа, увеличивается производительность труда сварщиков, улучшаются условия работы сварщика за счет устранения предварительного подогрева.
Таким образом, общий экономический эффект от внедрения ресурсосберегающей технологии сварки стали ЗОХГСА с двухструйной газовой защитой при изготовлении одной секции механизированного угледобывающего комплекса составляет 291,3 руб. В пересчете на один механизированный угледобывающий комплекс, который состоит из 134 секций, общий экономический эффект от внедрения составляет 39034 руб. (в ценах 2002 г.).
По результата исследования подана заявка на внедрение ресурсосберегающей технологии сварки гидроцилиндров, выполненных из стали ЗОХГСА на ОАО «Юргинский машиностроительный завод».
Результаты диссертационной работы внедрены на предприятии ОАО «Металлургмонтаж» с экономическим эффектом 10237 руб. в год (в ценах 2002 г.).
1. Разработана ресурсосберегающая технология сварки многослойных соединений стали ЗОХГСА с щелевой разделкой на рациональных режимах стационарной сварки в условиях двухструйной газовой защиты (СОг) без предварительного местного подогрева и последующей термообработки, обеспечивающая стабильность качества и высокие эксплуатационные свойства многослойных сварных соединений.
2. Разработаны рекомендации по использованию ресурсосберегающей технологии сварки многослойных соединений стали ЗОХГСА в щелевую разделку для получения сварных соединений с изменяющимся пространственным положением шва. Полученные без предварительного местного подогрева и последующей термообработки многослойные сварные соединения обладают гарантированным качеством и высокими эксплуатационными свойствами.
В диссертационной работе исследовано влияние энергетических и технологических фактов на структуру и свойства многослойных сварных соединений стали ЗОХГСА с щелевой разделкой. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований, изложенных в настоящей работе:
1. На основе теоретических исследований предложена условная классификация подходов к решению проблемы образования холодных трещин при сварке легированных сталей и определены требования к технологии сварки.
2. По результатам теоретических и экспериментальных исследовании разработаны регрессионные многофакторные зависимости механических характеристик многослойных сварных соединении стали ЗОХГСА от управляемых энергетических параметров термического цикла сварки (Тпод, 1св, Тто). По результатам анализа зависимостей получены наиболее рациональные параметры режима сварки стали ЗОХГСА, обеспечивающие качественное формирование шва без образования холодных трещин, и разработана технология сварки стали ЗОХГСА в щелевую разделку, без предварительного подогрева.
3. Экспериментально установлено влияние геометрических параметров формы щелевой разделки кромок на качество формирования шва и величину проплавлення корня шва. Разработана усовершенствованая форма щелевой разделки кромок, позволяющая получить надежное сплавление кромок и качественное формирование корня шва.
4. На основе теоретического и экспериментального исследования влияния импульсных дуговых способов сварки на структуру и свойства соединений из стали ЗОХГСА с щелевой разделкой, установлено, что сварка с импульсной подачей электродной проволоки обеспечивает повышение качества формирования шва и стабильности механических свойств сварных соединений стали ЗОХГСА с щелевой разделкой.
5. Экспериментально установлено положительное влияние двухструй-ной газовой защиты совместно с рациональными параметрами режима сварки на структуру и механические свойства многослойных сварных соединений с щелевой разделкой из стали ЗОХГСА.
6. По результатам исследований разработаны ресурсосберегающие технологии сварки стали ЗОХГСА в щелевую разделку в условиях духструйной газовой защиты на рациональных режимах стационарной сварки и с импульсной подачей электродной проволоки, без предварительного местного подогрева и последующей термообработки.
