автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Обеспечение хладостойкости и эксплуатационной прочности сварных соединений металлоконструкций и техники Севера

РГБ ОА

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

А М М О С О В АЛЕКСАНДР ПРОКОПЬЕВИЧ

УДК 621.791:620.1; 621.052:539.4

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ХЛАДОСТОЙКОСТИ И ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ПРОЧНОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ И ТЕХНИКИ СЕВЕРА

Специальность 05.03.06 - Технология и машины сварочного производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1994

Работа выполнена в Институте физико-технических проблем Севера Якутского научного центра Сибирского отделения Российской Академии наук

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор В.Н. Земзин;

доктор технических наук, профессор Л.А.Копельман; доктор технических наук, профессор Г.И.Макаров.

Ведущее предприятие: Производственное строительно-монтажное объединение "Востоктехмон-таж"

Защита состоится "Ц_п - 1994 г. в часов в

аудитории М-5"/ химического корпуса на заседании специализированного Совета Д. 063.38.17 в Санкт-Петербургском Техническом ■ Университете по адресу:

195251 Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29.

Ваш отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью, просьба направлять по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского Государственного Технического Университета.

Автореферат разослан

Ученый секретарь

специализированного Совета

Д. 063.38.17 доктор технических наук

В. А. Кархин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Рост промышленного производства в Сибири, Дальнем Востоке. Республике Саха (Якутия) влечет за-собой существенное увеличение количества машин и металлоконс-струкций, эксплуатируемых при низких температурах. Однако, как показывает практика, с их увеличением наблюдается и резкое увеличение, отказов вследствие разрушения сварных соединений, элементов машин и узлов металлоконструкций магистральных газопроводов и трубопроводов надземной прокладки под влиянием пониженных температур.

Ежегодно наблюдаются случаи разрушения промышленных и жилых зданий, анкерных гаражей, цехов, сварных элементов карьерных и шагающих экскаваторов, участки газопроводов, а также трубопроводов надземной прокладки и т.д.

В частности, убытки, вызванные неприспособленностью экс- . каваторов к работе при низких климатических температурах, достигают около 100 млн.рублей в год по ценам 1983 года. Величина удельного ущерба в зимнее время в 7-8 раз выше' по сравнению с летним периодом.

В большинстве случаях разрушения происходят по шву или зоне термического влияния (ЗТВ), где имеются технологические и конструктивные концентраторы напряжений из-за низкой хладос-тойкости материала или возникновения усталостных трещин в заводских сварных соединениях, имеющих непровары, подрезы, смещения кромок, сплошные газовые раковины с удлиненной формой, скопления пор и т.д.

1993 год явился для республики Саха (Якутия) крайне тяжелым годом. В результате резкого понижения температуры среды в конце ноября и декабре до -55°С и ниже из-за аварий систем электроснабжения в семи улусах (районах) республики произошли крупные разрушения объектов теплоснабжения. Общий ущерб составляет более 30-35 миллиардов рублей по ценам декабря 1993 года.

Успехи сварочного производства в нашей стране огромны. В этом несомненны заслуги многих советских ученых сварщиков. Но существуют достаточно серьезные нерешенные вопросы, связанные с обеспечением эксплуатационной прочности сварных соединений, работающих в условиях низких климатических температур.

Задача повышения эксплуатационной прочности сварных сое-

динений элементов конструкций, испытывающих статическое, динамическое и циклическое нагружения в диапазоне температур +20...-60° С охватывает вопросы, связанные с технологией сварки, конструктивным оформлением сварных соединений, формированием напряженно-деформированного состояния (НДС) в зависимости от типов и видов соединений, с установлением влияния термодеформационных процессов сварки малоуглеродистых и низколегированных сталей массового назначения на изменение характеристик статической и'динамической вязкости разрушения (ВР), Кс. К1С. бс. К1д, Кд, бД зон сварных соединений (ЗСС), а также поведения сварных соединений элементов техники и металлоконструкций при эксплуатационном нагружении в диапазоне температур +20...-60° С.

Решение основных положений данной ■ актуальной проблемы рассмотрено в данной работе.

Диссертационная работа выполнялась в рамках НИР 1.10.2.12, 1.10.2.4, 1.10.2.8, 1.11.1.9, 1.11.5.2, (Ш Гос.рег. 7707624, 74044956, 81003488, 01.86.0075016. 01900035499) и в соответствии с постановлениями ГКНГ СССР от 10.05.1990 г. N 429 И ОТ 6.06.1991 Г. N 868, проводимых В ИФТПС ЯНЦ СО РАН на период 1970 - 1994 годы в соответствии с планами НИР СО РАН.

Цель работы/ Разработать методы оценки и повышения хла-достойкости и эксплуатационной прочности сварных соединений металлоконструкций и техники Севера в условиях низких климатических температур, создаваемых из малоуглеродистых и низколегированных сталей массового назначения и для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- разработать средства и методы оценки тепловых процессов, структурных превращений при сварке, трещиностойкости сварных соединений при статическом и динамическом нагружениях, а также несущей способности сварных соединений металлоконструкций и техники Севера;

- установить особенности деформирования при работе сварных соединений элементов металлоконструкций и техники Севера в диапазоне температур +20...-50°С;

- исследовать особенности тепловых процессов, структурных превращений при сварке низколегированных сталей;

- выявить особенности формирования сварочных напряжений при сварке с учетом изменения . реологических свойств сталей массового назначения:

- установить факторы, способствующие возникновению мик-

- о -

ротрещин в процессе формирования сварочных напряжений при сварке высокопрочной стали и изменению характеристик статической и динамической вязкости разрушения (Кс, К1с> 5С , КСУ3, КСУр, К1д, б£0,. Ухр) вследствие термодеформационных процессов сварки низколегированных сталей;

- определить характер деформирования сварных соединений, имеющих остаточные напряжения, в области, выше температур вяз-кохрупкого перехода участков сварных соединений;

- на основе установленной обобщенной закономерности формирования свойств, состояния и работы сварных соединений элементов металлоконструкций и техники Севера разработать рекомендации к параметрам сварных швов и технологии сварки в условиях низких климатических температур.

Методы исследований. В процессе проведения исследований использованы методы термографии, тензометрирования, высокотемпературных механических испытаний и быстродействующей дилатометрии, осциллографирования, оптическая и электронная металлография, фрактографический, химический и спектральный анализы. Тепловые процессы сварки, поведение сварных соединений элементов металлоконструкций и техники в процессе их работы изучены с помощью информационно-измерительных систем и средств измерения и регистрации, созданных при непосредственном участии автора. Для решения температурных задач при сварке и задач по формированию сварочных напряжений и деформаций использованы основные положения расчетных алгоритмов, разработанных ведущими специалистами страны (Н.Н.Рыкалиным, В.И.Махненко, В.А.Винокуровым, А. Г. Григорьянцем, К. М. Гатовским, Л. А. Копельманом, В. А. Кархиным). Стандартные испытания на прочность и пластичность, трещиностойкость и ударную вязкость в диапазоне температур +20. ..-80°С выполнены в соответствии с ГОСТами 1497-61, 6996-66 и 11150-65; 25.506-85; 9454-78 и 9454-60.

Научная новизна. Доработана фактическая основа обеспечения хладостойкости и эксплуатационной прочности сварных соединений элементов металлоконструкций и техники Севера, создаваемых из малоуглеродистых и низколегированных сталей массового назначения, включающая следующие новые результаты:

е., - установлены количественные различия в распределении тепла при сварке в условиях положительных и отрицательных температур в зависимости от погонной энергии сварки, толщины свариваемых изделий и температуры окружающей среды. Эти различия выражены в виде равнозначимости характера распределения тепла в области сварочной ванны и сужении зоны термического влияния

(ЗТВ) с ростом интенсивности охлаждения вследствие увеличения теплоотдачи в окружающую среду и изменения теплофизических свойств материала. Разработан алгоритм и решена температурная задача типа Стефана для определения распространения тепла при однопроходной и многопроходной сварке пластин встык с учетом количества наплавленного металла в разделку;

- выявлены количественные соотношения формирования структуры в зонах сварных соединений при сварке сталей 14Г2САФ, 10ХСНД, 09Г2С, 14Х2ГМР, 20ХГ, 20НГМФ, 10Х2ГМ в зависимости от изменения параметров технологии сварки в условиях низких климатических температур и построены термокинетические диаграммы;

- определены линейные и объемные эффекты свободного деформирования и механические свойства сталей 10ХСНД, 14Г2САФ, 10Х2ГМ, 20НГМФ, 20ХГ, 14Х2ГМР при реальных.термических циклах сварки в диапазоне температур -50... 1350°С и -50...800°С соответственно в процессе интенсивного нагрева и различных скоростях охлаждения. Характер изменения механических свойств исследованных сталей в процессе охлаждения описан кусочно-линейной и квадратичной интерполяциями;

- установлены значения и характеры формирования сварочных напряжений в процессе интенсивного охлаждения с учетом формирования реологических свойств низколегированных сталей при сварке; выявлен температурный диапазон и уровень напряжений, способствующие возникновению закалочных микротрещин, а также определены характеристики статической и динамической вязкости разрушения при зарождении и распространении хрупких трещин в сварных соединениях исследованных сталей;

- показана неравномерность деформирования участков сварных соединений элементов конструкций при их работе в условиях низких климатических температур, которая при последующем росте нагрузки приводит к локализации деформирования и развитию разрушения от участков сварных соединений, имеющих дефекты размерами меньше 5-6 мм. При этом влияние остаточных сварочных напряжений при температурах выше температуры вязко-хрупкого перехода участков сварных соединений на процесс их деформирования не обнаружено. Исходя из этого обоснована эффективность двух-параметрового подхода (ер в С,), связывающего чувствительность сварных соединений к технологическим концентраторам напряжений с характером распределения собственных напряжений с учетом пластичности металла и предельного разрушающего напряжения.

На защиту выносятся:.

- тепловые процессы сварки элементов металлоконструкций в

условиях положительных и отрицательных (до -50°С) температур окружающей среды;

- формирование структуры в зонах сварных соединений при сварке низколегированных сталей массового назначения и их термокинетические диаграммы;

- линейные (объемные) эффекты, характеристики прочности и пластичности, связанные с реакцией исследованных сталей на термодеформационные процессы сварки;

- кинетика формирования сварочных напряжений и остаточные напряжения с учетом структурных превращений и изменения механических свойств сталей при сварке, а также связь возникновения закалочных микротрещин со сварочным процессом;

- основные положения уточнений методик статического и динамического испытания материалов и их сварных соединений, а также особенности экспериментальных установок и информационно-измерительных систем;

- деформирование участков сварных соединений элементов металлоконструкций в процессе их работы, а также поведение сварных соединений с остаточными напряжениями и без них;

- характеристики вязкости разрушения сварных соединений низколегированных сталей в диапазоне температур +20...-60°С, а также чувствительность зон сварных соединений к концентраторам напряжений с учетом технологии сварки.

Практическая ценность. Уточнены методики регистрации разрушающей нагрузки для определения характеристик трещиностой-кости сварных соединений при статическом и динамическом нагру-жениях, а также деформирования для оценки несущей способности сварных элементов металлоконструкций.

Созданы лабораторные образцы информационно-измерительных и регистрирующих систем и комплекс программ обработки информации при нагружении сварных соединений объектов и динамическом испытании образцов.

На основе результатов экспериментальных исследований по структурным превращениям, изменению механических свойств при термодеформационных циклах сварки и вязкости разрушения сварных соединений низколегированных сталей создана база данных, позволяющая произвести системный анализ изменения параметров свободного деформирования при структурных превращениях в процессе охлаждения, формирующихся значений прочностных свойств и -пластичности в широком диапазоне скоростей охлаждения в зависимости от изменения эквивалента углерода низколегированных сталей массового назначения.

По программе совместных работ по теме XII в рамках Координационного центра стран-членов СЭВ составлены 7 методических документов по методам испытания и определения характеристик вязкости разрушения сварных соединений в диапазоне температур 20... -80°С, а также один документ* МИСа.

Для ведомственных и проектных организаций разработаны методические рекомендации по технологии сварки сталей массового назначения, а также по повышению эксплуатационной прочности сварных металлоконструкций в условиях низких климатических температур.

Основные положения по обеспечению качества сварных соединений используются при обучении и аттестации сварщиков в профтехучилищах и производственных объединениях Республики Саха (Якутия).

Апробация работы. Материалы работы доложены на 4-х международных симпозиумах и конференциях (1988-1991), 8 Всесоюзных конференциях (1978-1990), на 2-х международных семинарах (1989-1991). а также на 3-х научно-технических семинарах (Киев, Садкт-Петербург, Москва - 1986-1991).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 65 работ,в том числе одна монография, получено два авторских свидетельства на изобретения.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав и общих выводов, изложенных на 215 страницах машинописного текста, содержит 24 таблицы. 125 рисунков, список литературы, включающий 503 наименования и. приложение.

В первой главе проанализированы характерные случаи хрупких разрушений металлоконструкций и техники Севера, основные факторы, вызвавшие разрушения сварных металлоконструкций. Рассмотрены современные подходы к анализу тепловых процессов, структурных превращений, формирования сварочных деформаций и напряжений при сварке, методы оценки хладостойкости и трещи-ностойкости сварных соединений и влияние остаточных сварочных напряжений на хрупкое разрушение сварных соединений. Сформулированы цели и задачи исследований.

Во второй главе представлены особенности работы сварных соединений элементов техники и сосудов давления в условиях низких климатических температур на основе проведенных экспериментальных исследований закономерностей деформирования участков сварных соединений в процессе их нагружения.

В третьей главе изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований тепловых процессов при сварке в

условиях естественно низких температур, расчетные данные распределения температуры в области расплавленного и основного металла.

В четвертой главе приведены результаты исследований по структурным превращениям при сварке низколегированных сталей массового назначения в широком диапазоне скоростей охлаждения, а также особенности структурных превращений в металле шва, термокинетические диаграммы исследованных сталей-.

В пятой главе внесены новые данные по особенностям формирования сварочных напряжений с учетом изменения реологических свойств низколегированных сталей при сварке, показана связь возникновения микротрещин со структурой и формированием сварочных напряжений.

В шестой главе приведены результаты методических разработок, направленных на определение характеристик вязкости разрушения (трещиностойкести) сварных соединений при статическом и динамическом нагружениях и представлен широкий спектр , изменения характеристик трещиностойкости сварных соединений, полученных по критериям механики разрушения.

. В седьмой главе представлены новые данные о распределении остаточных сварочных напряжений и их роли на эксплуатационную прочность сварных соединений в области критической температуры хрупкости материала, обобщены результаты исследований, изложенных в предыдущих пяти главах с позиции обеспечения качества сварных соединений, приведены примеры решения практических задач.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Анализ состояния вопроса и задачи исследования

Анализ случаев хрупких разрушений сварных элементов металлоконструкций и техники.Севера показывает, что основными причинами, вызывающими крупномасштабные разрушения, являются серьезные упущения в конструктивном оформлении сварных соединений, неудачный выбор основных и сварочных материалов, а также существенные нарушения технологии сварки и технических требований ГОСТов и СНиПов по допустимости дефектов и концентраторов напряжений.

На данном этапе развития сварочной технологии и техники советскими учеными сварщиками Н. А. Окербломом, Е. 0. Патоном. Г.А. Николаевым. Б. Е. Патоном. H.H. Рыкалиным, A.A. Казимиро-

вым, Г. Л. Петровым, В. В. Фроловым. М. X. Шоршоровым, Л. А. Ко-пельманом, А. Я. Недосекой, С. А. Куркиным, В. А. Винокуровым,

A.A. Григорьянцем, H.H. Прохоровым, Н. Никол.Прохоровым, К. М. Гатовским, В. • И. Махненко, В. Н. Земзиным, Г. Д. Никифоровым,

B.И. Кирьяном, В.А. Кархиным, Г. И. Макаровым и многими другими учеными разработаны высокоэффективные экспериментальные и расчетные методы анализа тепловых процессов, структурных превращений, формирования сварочных напряжений и деформаций в области несущей способности сварных металлоконструкций, стандартизации методов испытания и оценки трещиностойкости сварных соединений, изучения влияния остаточных сварочных напряжений на усталостную прочность и хрупкое разрушение сварных соединений.

Но существуют достаточно серьезные не решенные задачи, к которым можно отнести:

1. Недостаточно разработана методика оценки уровня и допустимости сварочных деформаций и напряжений (остаточных напряжений) в сварных элементах конструкций, работающих в условиях низких климатических температур, а также возможность их снижения технологическими приемами сварки.

2. Мало изучены тепловые, металлургические и термомеханические процессы, происходящие при сварке сталей массового назначения в диапазоне температур -20...-50°С. Это существенно ограничивает использование расчетных методов при изучении кинетики сварочных деформаций и напряжений (СДН) в экстремальных условиях.

" 3. Не уточнена физическая связь изменения тепловых характеристик плазмы вследствие ее сжатия, установленные А.А.Ерохи-ным, В.С.Гвоздецким, В.В.Башенко, В.П.Ларионовым, с передачей тепла в изделие при сварке в условиях низких климатических температур.

4. Имеющиеся сведения об особенностях сварки в условиях естественного холода противоречивы, поэтому ранее известные результаты изучения тепловых процессов, структурных превращений в зонах шва, а также развития сварочных напряжений не могут быть использованы при разработке технологии сварки в условиях низких климатических температур и для оценки эксплуатационной прочности сварных соединений элементов конструкций.

5. Недостаточны разработанные методические документы по статическим и динамическим (ударным) испытаниям сварных соединений для оценки сопротивляемости хрупкому разрушению их зон по критериям механики разрушения (МР). Это способствует получению различными авторами несопоставимых результатов.

6. Наличие ограниченного количества работ, направленных на выявление склонности к хрупкому разрушению зон сварных соединений (ЗСС) конструкционных сталей по энергетическим и силовым критериям КС. КС3, КСр, К1с, Кс не позволяет более точно оценить влияние термодеформационных процессов.сварки в диапазоне температур -30...-50°С на характеристики вязкости разрушения (ВР) соединений этих сталей при динамическом распространении хрупкой трещины, а также установить роль кинетики формирования СДН на возникновение зародышевых трещин, приводящих впоследствии к катастрофическому хрупкому разрушению элементов конструкций при минимальных значениях эксплуатационных нагрузок.

7. Еще не изучены закономерности деформирования сварных соединений в условиях низких климатических температур при различных сочетаниях видов и типов сварных соединений, имеющих место в сварных металлоконструкциях и элементах техники Севера.

Исходя из сущности современных достижений и совокупности нерешенных задач определено основное направление исследований в области обеспечения и повышения эксплуатационной прочности сварных соединений элементов металлоконструкций и техники Севера.

2. Результаты изучения деформирования сварных соединений элементов металлоконструкций и техники

Большинство элементов сварных конструкций в процессе эксплуатации в условиях естественно низких температур подвергается комплексному действию термомеханического, статического, циклического и ударного нагружений, оказывающих существенное влияние на долговечность и несущую способность. Часто фактором. лимитирующим безаварийную работу конструкций, является деформация, чрезмерно развивающаяся за срок их службы. Такая ситуация характерна для материалов и их сварных соединений, имеющих достаточно высокую пластичность при температурах до -70°С. В этом случае знание накопления деформаций и напряженно-деформированного состояния элементов сварных конструкций в процессе работы позволяет, в свою очередь, прогнозировать несущую способность и их ресурс.

Для изучения деформирования сварных соединений проб, элементов металлоконструкций и техники Севера нами разработан измерительно-вычислительный комплекс ШВК) на базе микро-ЭВМ

- 1.0 -

"Электроника-60" и информационно-измерительной системы (ИИС) К-732/1. ИВК использован для изучения особенностей деформирования участков сварных соединений проб, элементов трубопроводов (в частности, неповоротных стыков труб), сосудов давления, предназначенных для работы в условиях Крайнего Севера, а также нижнего пояса стрелы экскаватора ЭШ-10/70А.

В результате этих исследований установлено, что наличие механической неоднородности в ЗСС существенно влияет на процесс несимметричного развития деформаций в области, примыкающей к вершине острого концентратора в виде усталостной трещины, в условиях положительных и отрицательных температур. Также существенно влияние конструктивно-технологических факторов на деформирование отдельных участков сварных соединений сосудов давления в условиях низких климатических температур -45...-50°С при циклическом и статическом нагружениях. Вследствие значительной неравномерности распределения действующих напряжений металл некоторых зон сварных соединений сосудов давления работает в предельном состоянии.—Это способствует зарождению и дальнейшему развитию трещины, имеющей размеры значительно меньше критических.

Аналогичные результаты получены при изучении особенностей деформирования сварных соединений неповоротных стыков труб, элементов нижнего пояса стрелы экскаватора ЭШ-10/70А.

Поэтому,■получение хладостойких сварных соединений, повышение эксплуатационной прочности сварных конструкицй, предназначенных для работы в условиях Севера, достижимо в результате управления прочностью, пластичностью, хладостойкостью и напряженно-деформированным состоянием сварных соединений посредством технологических методов при создании конструкций.

3. Экспериментальные и расчетные данные о распределении тепла при сварке в условиях низких климатических температур

При разработке методики экспериментального изучения температурного поля и структурных превращений при сварке в условиях низких климатических температур повышение точности достигнуто вследствие совершенствования схем измерения, а также раздельной приварки рабочих спаев дифференциальных термопар на исследуемом объекте и создания установки, предназначенной для регистрации смещений кромок свариваемых пластин с ослабленными сечениями за счет дилатации при структурных превращениях ме-

- и -

талла зон шва.

При непосредственном участии автора настоящей работы ранее были установлены такие факторы, как:

- влияние снижения температуры окружающей среды от 20°С до -50°С на температурные и геометрические параметры электрической дуги, статистическое распределение времени последовательного перехода капель, изменение коэффициента расплавления электрода при значениях тока до 160-170 А;

- увеличение коэффициента эффективной тепловой мощности дуги т\ в условиях низких температур до -50°С, которое является результатом изменений температурных и геометрических параметров электрической дуги, приводящих к повышению частости (термин по А.А.Ерохину) капельного переноса из-за увеличения плотности тока и выделения тепла на аноде электрода вследствие сжатия столба дуги.

Понижение температуры свариваемого изделия и среды до -50°С влияет на кинетику распределения температурного поля при сварке пластин встык таким образом, что ЗТВ, нагретые выше 600-700°С, при однопроходной и многослойной сварке при разных температурах среды почти одинаковы, а ширина зоны, нагретой ниже 500-600°С сужается. Распределение температуры в области высоких температур (выше 600-700°С>, размеры сварочной йанны и глубина проплавления практически не зависят от первоначальной температуры изделия и окружающей среды.

Характер распределения тепла в области сварочной ванны при различных температурах среды и погонной энергии установлен расчетом температурной задачи численно-локально-одномерным методом со сглаживанием коэффициентов, разработанным А.А.Самарским. Расчет задачи выполнен с учетом зависимости теплофизичес-ких свойств материала от температуры и фазовых превращений. Математическая модель выбрана в виде двухфазной задачи Стефана в двухмерной области.

Расчетом показано, что особенности горения дуги и ее электродинамические процессы при 160...180 А при сварке плоских элементов толщиной до 20 мм в условиях естественной конвекции (до -50°С) в достаточной мере поддерживают температуру в области ванны и прилегающих участков, поэтому исключается необходимость повышения погонной энергии сварки для поддержания температуры в этих областях. При увеличении погонной энергии сварки возрастает осевая температура ванны, растет площадь нагрева, замедляется скорость охлаждения, увеличивается длительность пребывания металла в жидком состоянии.

- 12 -

Экспериментально изучено распределение тепла при однопроходной и многопроходной сварке. Показано, что при различных температурах воздуха в диапазоне +20...-50°С распределение температурного поля при сварке пластин толщиной 10...20 мм с одинаковыми погонными энергиями различно, вследствие чего скорость охлаждения в интервале температур 600... 500° с участка перегрева у пластин с одинаковой толщиной изменяется на 30...57%. Такое различие имеет место в области погонных энергий 800... 4000 кДж/м.

Предложен расчетный метод изучения температурного поля при многослойной сварке в условиях низких климатических температур.

Математическая модель процесса распространения тепла при выполнении стыкового соединения с V - образной разделкой пластин строится при следующих допущениях:

- каждый проход (слой) выполняется при достаточно большой скорости, т.е. не учитывается неодновременность наложения слоя по длине;

- количество тепла, -введенного сварочным источником и жидкой ванной, не успевает распространяться на значительную глубину;

- средняя температура ванны при 1=0. определяемая удельной погонной энергией источника тепла, поддерживается постоянной в течение поступления наплавленного металла в разделку;

- теплофизические свойства присадочного материала не- отличаются от свойств основного.

Особенностью данной задачи является изменение области ее решения после каждого прохода с учетом заполнения части разделки. Температурное поле определяется после каждого прохода, при этом в качестве начальных условий берутся результаты предыдущего расчета во всей области, за исключением объема металла, нанесенного за данный проход. Для этого объема начальная температура задается равной средней температуре ванны.

После Б-го прохода температурное поле в пластине определяется решением плоской задачи типа Стефана, при этом на границе области, за исключением части ванны х1 = 0, задается условие теплообмена по закону Ньютона, а при = 0 - условие симметрии. На границе фазового перехода (Т1И) вводится условие теплового баланса (условие Стефана).

Задача преобразуется методом, разработанным А.А.Самарским к задаче решения уравнения:

дТ(в) г д

В- = I —

дЬ Р = 1 ЭЛр

- дТ(3> X-

ЭХр

О < Хр < Ц

(1)

с соответствующим начальными и граничными условиями. Затем численное решение ее производится локально-одномерным методом.

. По разработанному алгоритму проведены численные расчеты для случая двухслойной и четырехслойной сварки пластин встык. Предложенный метод, основанный на схеме линейного мгновенного источника тепла на всю высоту ванны, дает удовлетворительное описание температурного поля многослойной сварки при любом числе проходов и форме разделки. Дальнейшее совершенствование данной задачи выполнено решением температурной задачи с учетом производительности сварки с^ при следующих дополнениях (1):

2(х1 ,^)<х1<1х1 О < хг < г (хг. *;). г > О

(2)

где:

I) =

О, хг < Ь^Щ

кх,

в, хг > Ъъ Ц)

К + в

г (х2 Л)--

к

хг + в Ьц + в

ихг

+ в

< х. <

Ьх, + в

ЬХ2 ■

>

Высота наплавленного металла представляется в виде: -21а + / 41гаг + Шваа^Л/р

К =

(3)

где: а - угол скоса кромок, р - плотность жидкого металла. I - единица длины шва, а - параметр разделки, Ь - время заполнения разделки [Ь = ЯЛ>СВ), й - радиус активного действия сварочной дуги.

- 14 -

Для численной реализации модели использован метод целых шагов с введением сетки по времени. Для аппроксимации задачи решаемая область разбита согласованной неравномерной сеткой. В зоне больших градиентов температуры шаг сетки берется .мелким. Для пространственных координат х1 и х2 введены дополнительные сетки. Для граничной температуры учтен конвективный ' теплообмен. Полученные результаты расчета температурного поля соответствуют реальному распределению температуры при сварке.

4. Результаты исследования структурных превращений в сталях и наплавленном металле при сварке

Особенности'структурных превращений в сталях и наплавленном металле при сварке в условиях низких температур изучены деформометрическим и дилатометрическим методами. Определение среднего температурного диапазона структурных превращений в зонах шва (ЗШ) и наплавленном металле выполнено по деформированию ослабленных сечений образцов в сталях 14Г2САФ, 14Х2ГМР, 17Г1С, СтЗ и наплавленном металле электродами АНВ-70, У0-НИ-13/45А, УОНИ-13/55, ОЗС-18.

Количественный анализ фазовых превращений и построение термокинетических диаграмм выполнены на быстродействующем дилатометре. По результатам этих исследований построены термокинетические диаграммы сталей 09Г2С, 14Г2САФ, 14Х2ГМР, 10Х2ГМ, 10ХСНД, 20НГМФ, 20ХГ и определены допустимые интервалы скоростей охлаждения по предложенному подходу М. X. Шоршорова.

Допустимые интервалы скоростей охлаждения (№6/5) металла ЗТВ (зоны перегрева (ЗП)) при сварке сталей 14Г2САФ, 14Х2ГМР равны от 2 до 14°С/с от 3 до 12°С/с соответственно, а для стали 17Г1С - от 19 до 45°С/с. У сталей 14Г2САФ и 14Х2ГМР в интервалах скоростей охлаждения 40...16 и 20. ,.14°С/с соответственно отмечаются неблагоприятные сочетания свойств структурных составляющих, определяющих ограничение верхних пределов допустимых скоростей охлаждения участка перегрева.

Нижняя температура, при которой полностью заканчиваются структурные превращения в участках шва, определяется температурой конца распада аустенита в участке перегрева свариваемой стали вследствие повышенной устойчивости аустенита в этом участке.

Температура начала (Тн) и. конца (Гк) распада аустенита в металле шва околошовной зоны в процессе охлаждения сварного соединения в условиях естественных температур до -45°С понижа-

ется незначительно по сравнению с Тн и Тк в ЗСС, полученных в условиях положительных температур. Количество бейнита и мартенсита незначительно (5-7%) растет в ЗШ, полученного в условиях температур окружающей среды до -45°С. Увеличение размера свариваемых пластин, снижение погонной энергии сварки повышают разницу объемов бейнита и мартенсита в этих ЗШ.

Увеличение погонной энергии сварки плоских элементов конструкций в условиях низких температур среды до -45°С в 1,5 раза приводит к увеличению в составе структуры содержания феррита и верхнего бейнита.

При сварке пластин элементов конструкций толщиной 20 мм многослойными швами в низкотемпературной среде, регулируя скорости охлаждения ЗТВ первого и последующих слоев увеличением погонной энергии сварки и местным предварительным подогревом в определенных пределах, можно обеспечить оптимальную структуру, близкую к структуре, соответствующей допустимым интервалам скоростей охлаждения.

Показано, что в зависимости от химического состава наплавленного и основного металла структурные превращения в ЗСС протекают в разное время. Деформации, обусловленные фазовыми превращениями второго рода в процессе охлаждения сварного соединения, зависят от степени различия химического состава наплавленного и основного металлов и скорости охлаждения в диапазоне температур наименьшей устойчивости аустенита. В рассмотренных нами режимах сварки исследованных сталей рекомендуемыми электродами наблюдается значительное снижение температуры конца распада аустенита в ЗП по сравнении с другими ЗШ. '

5.- Результаты изучения кинетики формирования сварочных напряжений и их роли на возникновение трещин

Образование временных и остаточных деформаций и напряжений при сварке связано с объемными изменениями металла. Изменение объема металла обусловлено его расширением при нагреве и фазовыми превращениями, а перераспределение объема металла является результатом пластических деформаций и охватывает область, прилегующую к шву. Эти эффекты описаны в работах К. 0. Окерблома, Г. А. Николаева, В. А. Винокурова, А. Г. Григорь-янца, К. М. Гатовского, В. А. Кархина, В. Н. Земзина и многих других.

В работе показаны эффекты изменения реологических свойств

и характеристик прочности при сварочном нагреве и охлаждении низколегированных сталей при термодеформационных циклах сварки. С увеличением скорости охлаждения металла ЗП сварного соединения наблюдается значительное различие в объемных эффектах вследствие снижения температур начала и конца структурных превращений. Такой процесс наблюдается в области допустимых и предельно допустимых скоростей охлаждения в интервале температур 600...500° С исследованных низколегированных сталей, т. е. когда обьем мартенсита составляет более 35%.

Изменения свободной температурной деформации элементарной призмы, а также суммарной дилатации ДетФ, обусловленной фазовыми изменениями низколегированных сталей, зависят от скорости охлаждения, т.е. температуры начала Тн и конца Тк распада аус-тенита. При этом абсолютные значения деформаций Аетф в этих интервалах температур соответственно равны: 4,2-Ю"3, 6-10"3.

Существенное изменение характеристик прочности сталей 10ХСНД, 14Г2САФ, 14Х2ГМР, 20НГМФ происходит при увеличении скорости охлаждения. При этом, например, увеличение количества мартенсита в ЗП шва стали 14Г2САФ от 0 до 50% приводит к росту предела текучести б3 максимально до 23,0%, предела прочности б„ - до 14.0% в диапазоне температур испытания -50. ..500° С. А увеличение количества мартенсита в ЗП шва стали 14Х2ГМР от 12 до 75% приводит к возрастанию ба максимально до 63,0%, бв до 54, 055 в этом же диапазоне температур испытания.

Представление результатов экспериментальных данных в виде графиков недостаточно раскрывает закономерность изменения механических свойств сталей при термодеформационных циклах сварки. Здесь полезны математические методы обработки.

Для прогнозирования изменения механических свойств в исследованном диапазоне температур и скоростей охлаждения экспериментальные данные: пределы прочности бв и текучести б3 , разрушающее напряжение , относительные удлинение 6 и сужение 1(> исследованных сталей при скоростях охлаждения (М6/5) 4, 20, 60°С/с представлены в виде математических, зависимостей. Для этого использованы кусочно-линейная интерполяция по температуре, а по скорости охлаждения - квадратичная.

Установлено, что математическая обработка результатов экспериментальных исследований при имитации термодеформационных циклов сварки позволяет прогнозировать расчетным путем изменение механических свойств сталей, находить полную закономерность процесса .реакции сталей при технологических процессах, а также непосредственно используется для разработки алго-

ритма и расчетных программ на основе логических схем ет = аТ = /(Г) и б = /(Г, W0) .

Наличие характеристик тепловых процессов, свободного деформирования и прочности (бв, ба), и пластичности i|> в широком диапазоне температур позволило выполнить сравнительный расчетный анализ формирования напряжений при сварке элементов конструкций в условиях низких климатических температур графоаналитическим методом, разработанным Н.О. окербломом, и методом конечных элементов,' усовершенствованными K.M. Гатовским, В.И. Махненко, В. А. Винокуровым, А. Г. Григорьянцем, В. А. Кархиным.

Оценено влияние структурных превращений на кинетику формирования напряжений при имитации по реальному термическому циклу сварки на жесткозакрепленных образцах. Выявлена роль структурных превращений в сталях 20НГМФ и 20ХГ в кинетике формирования напряжений и уровне остаточных напряжений на жестко-закрепленных образцах. Структурные превращения бездиффузионного характера более чем в 2,6 раза снижают уровень остаточных напряжений.

Выполнен анализ формирования деформаций и напряжений с учетом структурных превращений и изменения характеристик прочности при сварке сталей 14Г2САФ и 14Х2ГМР.

Изменения количественных соотношений структурных составляющих и характеристик прочности из-за уменьшения погонной энергии сварки вызывают температурно-временное различие кинетики формирования сварочных напряжений. При этом уровни растягивающих и сжимающих напряжений в процессе охлаждения изменяются в зависимости от снижения критических точек фазовых превращений. повышения характеристик прочности шва и основного металла.

При полном остывании сварных соединений сталей ЮХСНД, 14Г2САФ и 14Х2ГМР с увеличением количества мартенсита до 50...55% в ЗП шва область распределения растягивающих остаточных напряжений (ОН) сужается, а максимальные их значения уменьшаются на 10 + 20% и это зависит от погонной энергии сварки.

Оценено возникновение закалочных микротрещин в процессе формирования сварочных напряжений. Для этого проанализирована кинетика формирования сварочных напряжений с учетом структурных превращений при укладке первого прохода многослойной сварки и фрактографически изучены поверхности разрушения проб. На-.й^ие закалочных микротрещин в ЗШ выявлено на поверхности изломов4 образцов внецентренного растяжения, разрушенных ниже

температуры хрупкости, методом сканирующей электронной микроскопии на электронно-зондовом микроанализаторе "JXA-50A" (.JE0L) с получением изображения во вторичных электронах.

Анализ показал, что после укладки первого слоя в ЗП происходит образование закалочных микротрещин. Температурный диапазон их образования установлен сопоставлением результатов регистрации термических циклов сварки, структурного и фрактогра-фического анализов и составляет от 400 до 180°С при уровне напряжений 500...540 МПа в участках, прилегающих к ЗП шва. Закалочные микротрещины распространяются в пределах 1-2 зерен.

Наличие закалочных микротрещин и неблагоприятной структуры в переходных 3CG способствует возникновению скачков трещин ниже температуры хрупкости при статическом нагружении. При этом трещина мгновенно развивается на значительную глубину во внутренних (подповерхностных) слоях без заметного продвижения по поверхности образца и останавливается, создавая предпосылку для внезапного разрушения. Этот процесс наблюдается при регистрации усилие-раскрытие (P-V) спадом нагрузки и ростом смещения берегов надреза. Возникновение скачка трещины при снижении температуры испытания на 20°С приводит к уменьшению Кс на 45%, а критическое раскрытие трещины 5С в два раза.

6. Совершенствование методов испытания и трещино-стойкость сварных соединений низколегированных сталей

Для изучения особенностей страгивания трещины нами разработан лабораторный анализатор акустической эмиссии (АЭ) "Север", позволяющий измерять ряд параметров АЭ, возникающей при деформировании и разрушении сталей и их сварных соединений в диапазоне температур +35... -60°С.

"Установлено, что импульсы АЭ, возникающие при скачках трещин в образцах из сварных соединений.исследованных сталей, заметно выделяются по амплитуде и числу их поступления на фоновом уровне сигнала АЭ в широком диапазоне температур испытания +20.. .-60°С.

Следует отметить, что анализатор акустической эмиссии "Север" позволяет обнаруживать мартенситные превращения в стали, сопровождающиеся излучением акустического сигнала. Такая возможность анализатора использована для установления интенсивности образования мартенсита в области температур превращения аустенита в мартенсит по термокинетической диаграмме. Спе-

циальными экспериментальными исследованиями установлено, что (по сигналу акустической эмиссии) мартенсит интенсивно образуется в первые секунды перехода критической температуры превращения аустенита в мартенсит.

Изучена трещиностойкость сварных соединений сталей 09Г2С, 09Г2Д, 14Х2ГМР и других и установлено, что характеристики вязкости разрушения различных зон сварных соединений изменяются в широких пределах (до 70%) и изменение зависит от технологии сварки, месторасположения трещиноподобного дефекта в сварном соединении и температуры испытания.

При испытании образцов с усталостной трещиной по переходной зоне сварного соединения сталей 14Х2ГМР и 09Г2Д возникают скачки трещины на значительную глубину (от 2 до 18 мм на образцах толщиной 16 мм) по зоне интенсивного термодеформационного воздействия. При снижении температуры испытания длина и площадь этих скачков увеличивается.

Для определения характеристик вязкости разрушения наиболее ухудшенной зоны при снижении температуры использованы образцы с боковыми пазами. Это позволяло испытывать отдельные участки сварного соединения. Установлено, что возникновение скачков трещин, способствующих хрупкому разрушению образцов, связано с резким снижением значений К1д и 5С зоны ' перегрева при понижении температуры испытания по сравнению со значениями этих характеристик для металла шва.

На основе этих исследований разработан экспериментально-расчетный метод оценки вязкости разрушения наиболее ухудшенной зоны сварного соединения, полученной при К- и Х-образ-ной разделкой кромок свариваемых изделий. Предложенный метод основан на суперпозиции интенсивностей освобождения энергии деформации при максимальном стеснении пластических деформаций в рассматриваемом участке сварного соединения. . Использование данной методики повышает точность определения характеристик вязкости разрушения переходных зон сварных соединений низколегированных сталей в зависимости от отношения толщин 4ЗП/ до 30%.

Разработана методика имитирования рабочей полосы частот регистрирующих аппаратур при ударных испытаниях. При этом сигнал, пропорциональный мгновенному значению нагрузки, подавался одновременно на два фильтра низкой частоты с различными полосами пропускания. Один из 'них имитировал аппаратуру с узкой полосой частот, другой широкополосную. С выхода фильтров эти сигналы поступали на входы У! и У2 запоминающего осциллографа

С8-2 и диаграммы фиксировались на фотопленке.

Показано, что при использовании аппаратуры с полосой пропускания 0-0,8_кГц средние величины ошибок ДКСУ3/КСУ3,

ДКСУр/КСУр , Дб^/бД увеличиваются при снижении температуры от 3-1055 при +20° С до 45-75% при -60° С из-за искажения сигнала. При обработке полученных осциллограмм по методике, разработанной И. В.Пирусским, установлено, что использование аппаратуры с полосой 0-12 кГц дает завышенные значения К1я и заниженные скорости распространения хрупкой трещины . Ошибка определения зависит от его величины и достигает 60-70% и более.

В результате проведенных исследований создана установка, позволяющая производить надежную регистрацию быстрых изменений усилия в процессе ударного нагружения стандартных образцов, изготовленных из конструкционных сталей и их сварных соединений.

На основе этих исследований предложен упрощенный метод определения коэффициента интенсивности напряжений при динамическом распространении хрупкой трещины.

Методика позволяет непосредственно использовать вычислительную технику для определения К1Д без измерения площади хрупкого разрушения в образцах, которую не всегда возможно определить на поверхности разрушения. ' _

В этой предложенной упрощенной методике К1д является усредненной величиной. Исходя из этого исследована связь фрак-тограмм разрушения■со скоростью распространения трещины и установлено. что фрактографические показатели разрушения позволяют определить область достижения максимального значения ско-" рости распространения хрупкой трещины в зависимости от температуры, а также установить характер их изменения по направлению развития хрупкой трещины при данной температуре и найти качественную аналогию с изменением характеристик вязкости разрушения.

Результаты этих исследований получили дальнейшее развитие на основе графического представления связи фрактографических показателей разрушения и зависимости динамического коэффициента интенсивности напряжений от средней скорости распространения хрупкой трещины. • .

Для определения особенностей распространения хрупких трещин в зависимости от ее скорости предложено сочетание определения К1д и Т^р, полученных по данным динамических (ударных) испытаний и фрактографических показателей поверхности разруше-

ния. Метод сочетания позволяет прогнозировать максимальную

макс

скорость vxp распространения хрупкой трещины и минимальное значение К"д на стандартных образцах со снижением температуры испытания.

Испытание образцов, изготовленных из сварных соединений низколегированной стали и имеющих острый концентратор на различных расстояниях от линии сплавления, показало, что ударная вязкость ниже у образцов, имеющих концентратор по линии сплавления, чем у образцов, имеющих такой же концентратор в других зонах. Это различие наблюдается при всех температурах испытания. Резкое снижение значения KCV наблюдается при -60°С в зоне, близкой к линии сплавления. Разделение ударной вязкости KCV на составляющие KCV3 и KCVP. показало, что характеристикой, наиболее чувствительной к снижению температуры испытания и влиянию термодеформационного воздействия, является ударная энергия (работа) распространения (KCVp) трещины, тогда как удельная энергия зарождения (KCV3) трещины практически остается постоянной в различных ЗСС. _

Установлена связь изменения значений К1Д, KCV. KCVp для сварных соединений исследованных сталей. В зависимости от особенностей протекания термодеформационных процессов сварки, неблагоприятного сочетания структуры в ЗТВ соединений исследованных сталей значения KCV, KCVp, К1л уменьшаются ниже критических величин, принятых равными 250 и 120 кДж/м*, 40...45 Мн/м3/г, соответственно, а значения становятся выше 350 м/с. Следовательно, хладостойкость сварных соединений низколегированных сталей обеспечивается при значениях К1д, KCV, KCVP выше 40 Мн/м3/2, 250 кДж/м2, 100 кДж/м2 соответственно, которая может быть достигнута оптимизацией технологии их сварки в условиях низких климатических температур.

7. Результаты исследования влияния остаточных напряжений (ОН) на деформирование сварных соединений металлоконструкций

В результате изучения распределения ОН на сварных пробах методом полного освобождения и Sín2\|> - методом установлено, что на характер распределения остаточных сварочных напряжений значительное влияние оказывают конструктивные особенности и технология сварки элементов металлоконструкций, а максимальные значения ОН в большинстве случаев^близкие к пределу текучести основного металла возникают в тех местах, где интенсивно про-

текает упруго-пластическое деформирование материала в процессе остывания сварного соединения. При этом уменьшение погонной энергии сварки способствует снижению уровня ОН до 20 + 25% в участке сварного соединения, прилегающего к металлу шва.

Характер деформирования сварных соединений с остаточными напряжениями и без ОН снятых взрывной обработкой, изучен с помощью разработанного измерительно-вычислительного комплекса (ИВК) для прочностных испытаний. Это достигнуто перпендикулярным и под углом к сварным швам расположением датчиков перемещения с базой от 1 до 5 мм на участках сварных соединений сосудов давления и стыков труб, т.е. в областях растягивающих и сжимающих ОН. Установлено, что на процесс деформирования наличие остаточных напряжений существенной роли не оказывает, но наблюдается некоторое перераспределение ОН в начальном этапе нагружения сварного соединения и дальнейшее увеличение нагрузки приводит к такому же росту деформации. Следовательно, при изучении влияния остаточных напряжений на процесс деформирования и развития разрушения участков сварных соединений рассматривать действующее напряжение как суперпозицию остаточных и приложенных напряжений является еще недостаточно обоснованным при высоких значениях ОН.

Совокупность результатов исследований по формированию структуры, механических свойств низколегированных сталей при термодеформационных циклах сварки использована для оценки чувствительности их сварных соединений к технологическим концентраторам напряжений в процессе охлаждения шва, а также при конечном состоянии сварного соединения.

Показано, что наиболее высокая чувствительность к "концентраторам напряжений в процессе охлаждения шва для низколегированных сталей возникает в диапазоне температур 180...300°С. В этом диапазоне температур высокий коэффициент концентрации напряжений недопустим, так как появление острых дефектов в ЗТВ способствует зарождению и развитию разрушения.

Уточнен и доработан обобщенный показатель (критерий) качества Сг , основанный на предельных характеристиках пластичности ер и разрушающего напряжения бг с учетом реакции низколегированных сталей массового назначения на термодеформационный цикл сварки, -распределения остаточных напряжений и снижения характеристик вязкости разрушения.

Для обеспечения хладостойкости и эксплуатационной прочности сварных соединений элементов техники и металлоконструкций. работающих в условиях низких климатических температур.

допустимый коэффициент концентрации напряжений должен быть не выше трех при значениях ударной вязкости КСУ металла шва и зоны термического влияния не ниже 250 кДж/м2 и растягивающих остаточных сварочных напряжений меньше б3 основного металла.

На основе проведенных исследований разработаны рекомендации по технологии сварки металлоконструкций и труб при отрицательных температурах (до -50°С) и полувагонов в исполнении ХЛ. ремонту сваркой двуногой стойки и балки рукояти ковша экскаватора ЭКГ-12.5, оптимизации рабочих нагрузок сварных соединений секций нижнего пояса стрелы шагающего экскаватора ЭШ-10/70А, по продлению срока службы сосудов высокого давления, а также рекомендации, направленные на повышение эксплуатационной прочности сварных соединений стыков труб 0 630 мм и 0 1220 мм при проектировании и строительстве трубопроводов надземной прокладки. по технологии соединения сваркой провода АСУС 300/204 для воздушных линий электропередач до'110 кВ. В рамках Международного сотрудничества стран-членов СЭВ подготовлены документы: 1-13.12-ИФТПС-11-81, 1-13.12-ИФТПС-18-84, ИФТПС-15-88, ИФТПС-14-88, 06 С-12-ИФТПС-3-90 по методикам определения статической и динамической вязкости разрушения сварных' соединений, 06 С-12-ИФТПС-6-90 по деформированию сварных соединений, а также о возникновении закалочных трещин в зонах сварных соединений по теме XIX проблемы "Сварка". Оформлен документ МИСа II 1Х-1541-88 о характере хрупкого разрушения сварного соединения. Составлены методики для обучения и оценки квалификации сварщиков в профтехучилищах и производственных организациях.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Доработана фактическая основа обеспечения и повышения хладостойкости и эксплуатационной прочности сварных соединений элементов металлоконструкций и техники Севера, создаваемых из низколегированных сталей массового назначения, вытекающая из следующих результатов:

1. На примере исследования особенностей деформирования участков сварных соединений сосудов давления, неповоротных стыков труб и секций нижнего пояса стрелы шагающего экскаватора ЭШ-10/70А в полевых условиях установлено, что конструктивные и технологические отклонения, допущенные при создании сварных элементов конструкций, способствуют локализации деформирования на участках сварных соединений, имеющих дефекты размерами меньше 5-6 мм. и наиболее часто приводят к зарождению

трещины и разрушению элементов конструкций, а также всей конструкции в условиях низких климатических температур.

2. Разработаны и созданы лабораторные установки: измерительно-вычислительный комплекс на базе микро-ЭВМ "Электрони-ка-60" и информационно-измерительной системы (ИКС) К-732/1; анализатор акустической эмиссии "Север"; установки для ударных испытаний с регистрацией диаграммы разрушения образцов, записи термических циклов сварки и эффекта дилатации при структурных превращениях в процессе сварки. В результате этого достигнута точность экспериментальных исследований: при измерении термических циклов сварки - до 3%, деформирования сварных соединений - до 7-10%, динамических параметров разрушения - до 8-12%, момента страгивания трещины - до 5%, структурных превращений в зонах шва при сварке - до 12-14%.

3. Установлено, что вследствие слабого сжатия столба дуги электродинамические процессы при значениях тока до 160...170 А при сварке в условиях естественной конвекции (до -50°С) приводят к увеличению коэффициента эффективной тепловой передачи в изделие максимально до 1% из-за повышения плотности тока и выделения тепла на аноде, способствующего росту расплавления электродного материала.

Экспериментальными исследованиями тепловых процессов сварки установлены:

- идентичность теплового баланса в области наплавленного металла, размером ванны и зоны, нагретой выше 600...700°С при однопроходной сварке одинаковыми погонными энергиями в условиях положительных и отрицательных температур окружающей среды;

- степень сужения в распределении температурного поля ни- -же 600...700°С в ЗТВ сварных соединений плоских элементов конструкций толщиной до 20 мм;

- увеличение от 30 до. 57% скорости охлаждения зоны перегрева шва в интервале температур наименьшей устойчивости аусте-нита (600...500°С) при сварке в условиях низких температур до -50°С по сравнению со сваркой при +20°С в диапазоне одинаковых погонных энергий от 800 до 4000 кДж/м.

4. Численным методом с применением ЭВМ решена нелинейная задача и определена кинетика распределения температурных полей в области высоких температур (1000+2300°С) с учетом зависимости теплофизцческих характеристик материала от температуры и теплоты фазовых превращений. Данный расчетный метод усовершенствован для определения кинетики распределения температурных полей при многослойной сварке с учетом производительности

сварки, т.е. количеством наплавленного металла в разделку в единицу времени.

5. Определены длительности сварки каждого слоя и временного интервала между выполнением каждого из слоев при сварке плоских элементов конструкций толщиной до 20 мм многослойными швами в низкотемпературной среде (до -45°). Это позволяет, варьируя погонной энергией сварки в пределах до 30%, регулировать скорость охлаждения ЗТВ первого и последующих слоев в диапазоне допустимых скоростей охлаждения, не снижая температур предыдущего слоя до заданной величины.

6. Установлены снижение температурного диапазона и смещения критических точек структурных превращений наплавленного металла разными марками электродов и металла ЗСС при распаде переохлажденного аустенита в процессе интенсивного охлаждения ЗП швов сталей 17Г1С, 09Г2С, 10ХСНД, 10Х2ГМ, 20НГМФ, 20ХГ, 14Г2САФ и 14Х2ГМР. Это приводит к увеличению процентного ' содержания структурных составляющих бездиффузионного превращения в ЗСС, в частности, в ЗП швов исследованных сталей.

7. Построены термокинетические диаграммы исследованных сталей, на основе которых выбраны оптимальные диапазоны допустимых скоростей охлаждения ЗТВ соединений при сварке в условиях низких климатических температур. Например, допустимые интервалы скоростей охлаждения (И6/5) металла ЗП при сварке сталей 14Г2САФ, 14Х2ГМР, 20НГМФ, 10ХСНД равны 2-14°С/с, 3-12°С/с, 2-17°С/с, 2,5-50°С/с соответственно. Установлено, что:

- в интервалах допустимых скоростей охлаждения металл ЗП имеет оптимальную твердость, благодаря самоотпуску продуктов распада аустенита и достаточную прочность, обусловленную сдвиговым механизмом превращения;

- выше допустимых скоростей охлаждения у сталей 14Г2САФ, 14Х2ГМР, 10ХСНД, 20НГМФ в.результате изменения кинетики распада аустенита образуются структурные составляющие с неблагоприятным сочетанием свойств. Это явилось одним из факторов, определяющих ограничение верхних пределов допустимых скоростей охлаждения участка перегрева исследованных сталей.

8. Исследование кинетики формирования структуры, механических свойств и напряжений б зависимости от интенсивности охлаждения при сварке показало следующее:

- повышение скорости охлаждения Ш6/5 - от 4°С/с до 60°С/с в ЗП - сварных соединений сталей 10ХСНД, 20НГМФ, 14Г2САФ и-14Х2ГМР приводит к возрастанию характеристик прочности б3 , бв. ^ по сравнению с основным металлом максимально от 15 до

46% при -50°С и от 24 до 200% в диапазоне температур 250. ..350°С с увеличением количественного содержания в металле ЗП бейнита и мартенсита;

- снижение критических точек структурных превращений, повышение характеристик прочности зон шва и основного металла при формировании мартенсита до 50% приводит к росту растягивающих продольных напряжений до 66% к моменту начала превращений бездиффузионного типа по сравнению с такими же напряжениями при структурных превращениях диффузионного типа, происходящих при малых скоростях охлаждения;

- при формировании мартенсита 50... 56% в ЗП стали 14Х2ГМР, уровне продольных растягивающих напряжений -585 МПа к моменту начала структурных превращений, а в прилегающих к ЗП участках при продольных растягивающих напряжениях примерно от 450 до 540 МПа, в диапазоне температур 400. ..180°С возникают закалочные микротрещины в ЗП шва из-за неблагоприятного сочетания свойств структурных составляющих.

На основе этих исследований уточнены критериальные подходы М. X.Шоршорова, В.В.Белова по твердости и процентному содержанию структурных составляющих и рекомендованы предельно-допустимые значения содержания мартенсита, которые не должны превышать 30... 35% в ЗП швов низколегированных сталей при сварке плоских элементов ответственных конструкций в условиях низких климатических температур.

9. В результате осциллографирования процесса разрушения в координатах "усилие Р - время t" усовершенствованы методики оценки характеристик вязкости разрушения (трещиностойкости) KCVZ, KCVр, бсА0, К1л, ~VxP ЗСС. Для точного воспроизведения формы сигнала нагрузки на диаграмме "P-t" рекомендуется аппаратура с предельной рабочей частотой не ниже 40-60 кГц. Это позволило:

- по параметрам осциллограммы и срыва нагрузки "Р - t" диаграммы определить К1д с помощью ЭВМ без измерения площади хрупкого разрушения в стандартных образцах;

- ввести соотношения для определения минимального значения динамического коэффициента интенсивности напряжений К?™ при стабильном^распространении хрупкой трещины и ее максимальную скорость vMx; согласно фрактографических показателей разрушения;

. - установить, температурно-скоростную зависимость KCVP и К1д для сварных соединений низколегированных сталей.

10. Исследованиями статической и динамической вязкости

- 27 -

разрушения установлено следующее:

- снижение характеристик статической и динамической вяз-• кости разрушения К1С, Кс, КСУ. К1д и увеличение ухр при температурах до -60°С связано с особенностями термодеформационных процессов сварки исследованных сталей и увеличением структурных составляющих бездиффузионного превращения в зонах шва;

- наиболее низкую сопротивляемость страгиванию трещины при отрицательных температурах имеет более ухудшенная зона сварных соединений с Х-образной разделкой кромок, где попадает

■ участок основного металла, испытывающего повторное термодеформационное воздействие при сварке. Предложена формула для определения К1с для наиболее ухудшенной зоны сварного соединения;

- характеристики вязкости разрушения КСУ. КСУр и К„ взаимосвязаны, поэтому хладостойкость сварных соединений элементов конструкций, изготовленных из низколегированных сталей массового назначения, обеспечивается при значении КСУ превышающем 250 кДж/м2. При этом возможность зарождения и распространения хрупкой трещины исключается.

11. На совокупности результатов исследования тепловых процессов, структурных превращений, изменения механических свойств при термодеформационных процессах сварки и кинетики формирования сварочных деформаций и напряжений при сварке низколегированных сталей- обосновано снижение уровня максимальных значений растягивающих ОН на 10-20%, сужение области их распределения в сварных соединениях на 20-30% при выполнении сварочных работ минимальными погонными энергиями в верхнем диапазоне допустимых скоростей охлаждения. При таком диапазоне скоростей охлаждения обеспечивается максимальная хладостойкость и эксплуатационная прочность сварных соединений элементов металлоконструкций и техники, а также трубопроводных систем в условиях низких климатических температур.

12. Вследствие изучения процесса деформирования в условиях положительных и отрицательных температур сварных элементов металлоконструкций и техники с ОН и без них для обеспечения хладостойкости и эксплуатационной прочности сварных соединений низколегированных сталей массового назначения доработан обобщенный критерий качества сварных соединений Сг , предложенный В.С.Миланчевым. Для уточнения Сг использованы результаты исследований автора, а также Л. А. Копельмана, Ю. Я. Мешкова и других. Сг связывает чувствительность сварных соединений к технологическим концентраторам напряжений с напряженно-деформированным состоянием с учетом формирования структуры и меха-

нических свойств при сварке сталей в условиях низких климатических температур.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. A.c. 1798084 СССР. .МКИ В23К 10/00. Плазмотрон / Киренский И. Е., Аммосов А. П., Ларионов В. П.

2. А. с. 1709452 СССР, МКИ Н02 G 15/08. Способ соединения многожильных проводов / Аммосов А. П.. Тобонов Н. А.. Киренский И. Е., Ипатьев П. И., Головченко М. А. *

3. Аммосов А. П. Термодеформационные процессы и разрушение сварных соединений. - Якутск. Якутский филиал СО АН СССР -1988 - 136 с.

4. Аммосов А. П., Москвитина Л. В. и др. Термические циклы и превращения аустенита в участке перегрева сталей 14Г2САФ и 14Х2ГМР в условиях сварки при низких температурах // Автомат. сварка - 1984. - N 6. - С. 16-20.

5. Ларионов В.П., Павлов А.Р., Аммосов А.П. Особенности теплового баланса ванны при сварке в условиях низких температур // Автомат, сварка - 1981.- К 10,- С. 23-24.

6. Ларионов В. П., Аммосов А. П., Павлов А. Р., Тихонов А. Г. Расчетный метод исследования температурного поля при многослойной сварке // Автомат, сварка. - 1981. - N 4.- С. 16-18.

7. Аммосов А.П., Жирков A.M. Роль частотных характеристик регистрирующей аппаратуры при испытаниях на ударный изгиб // Завод, лаб. - 1985,- N 8,- С. 75-78.

8. Аммосов А.П., Попов В.В., Ларионов В.П. О разрушении сварного соединения // Физ.хим. механика материалов. - 1982,- N 4.- С. 116-118.

9. Аммосов А. П. К методике испытания сварных соединений // Информационные материалы. Вып. 2 (22). - Киев: Наукова думка, 1982. - С. 37-39.

10. Ларионов В. П., Аммосов А. П. Влияние термодеформационного процесса сварки на динамическую вязкость разрушения конструкционной стали. Трещины в сварных соединениях // Матер, симп. Ч. 2. - Братислава, ЧССР, 1985,- С. 38-45.

И. Аммосов А.П., Попов В.В., Жирков A.M. О разрушении переходных зон сварных соединений сталей 09Г2Д и 14Х2ГМР // Прочность материалов и конструкций при низких температурах. - Киев: Наукова думка, 1984.- С. 26-30.

12. Киприянова Д. Д., Аммосов А. П. Измерительно-вычислитель-

ный комплекс для испытаний натурных конструкций // Конструкционная прочность и механика разрушения сварных соединений: Материалы научно-технического семинара 12-13 июня.-Л.: ЛДНТП, 1986.- С. 60-62.

13. Ларионов В. П.. Аммосов. А. П. Возникновение закалочных микротрещин при сварке высокопрочной стали / Сб.информационные материалы вып. 2. Киев: Наукова думка. - 1986. - С. 30-35.

14. Аммосов А.П., Попов В.В., Ларионов В.П. Повышение трещи-ностойкости сварных соединений созданием механической неоднородности / Механика неоднородных структур. Тезисы докладов II Всесоюзной конференции, Львов, 2-4 сентября, 1987

- С. 9-10.

15. Аммосов А. П., Барашков П. П. Влияние термодеформационного цикла сварки на механические характеристики стали 14Х2ГМР / Сб. Повышение хладостойкости и несущей способности конструкций.- Якутск. ЯФ СО АН СССР - Д987 - С. 31-34.

16. Аммосов А. П., Жирков А. М., Аммосов С. П. Упрощенный метод определения динамической вязкости разрушения К1д низколегированных сталей и их сварных соединений // Завод; лаб.- 1987,- N 9,- С. 71-72.

17. Ларионов В.П., Аммосов А.'П., Барашков П.П. Влияние термического цикла сварки на механические свойства сталей 14Х2САФ; 14Х2ГМР - МиТОМ - 1987 - N 9. - С. 60-61.

18. Попов В.В., Аммосов А.П. Грещиностойкость зон сварного соединения материалов балки рукояти и двуногой стойки экскаваторов ЭКГ-12.5. / Прочность сталей, работающих в условиях низких температур. Сб. научных трудов. М.: Металлургия

- 1988. - С. 137-142.

19. Ларионов В. П., Аммосов А. П., Аргунова A.A. Связь фрактог-рамм разрушения со скоростью распространения трещины / Информационные материалы выпуск 1 (33), Киев: Наукова думка

- 1988 - С. 18-22.

20. Аммосов А. П., Федотова М. А.. Васильев В.Г. Склонность зоны перегрева сварного соединения стали 10ХСНД к пластическому локальному деформированию // Автомат.сварка.-1988.- N 8.- С. 71-72.

21. Выбор режима ручной дуговой сварки балки рукояти экскаватора ЭКГ-12, 5 / Деп. ВИНИТИ 21.04.88 - N 3062 - В 88. Реф. Авт. сварка - 1988. - N 8. - С. 43.

22. Аммосов А. П., Ларионов В. П., Жирков А. М. Влияние термодеформационных процессов сварки на вязкость разрушения

- 30 -

сварного соединения стали 14Г2САФ // Физико-химическая механика материалов - 1987 - N 2.

23. Аммосов А. П., Ларионов В. П., 'Киприянова Д. Д. Измерение деформаций сварных сосудов, эксплуатируемых в условиях низких климатических температур / Деп. ВИНИТИ-II.11.88 - N 8010 - В 88 Реферат. Автомат.сварка - 1989 - N 1,- С. 756.

24. Аммосов А.П., Киприянова Д.Д. Проблемы диагностики сварных соединений элементов конструкций в условиях низких климатических температур и некоторые пути их решения // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 1989 - №3. - С. 45-52.

25. Ларионов В. П.. Аммосов А. П., Барашков П.П. Формирование структуры и изменение механических свойств стали 14Г2САФ в процессе сварки // МиТОМ - 1989 - Н 4,- С. 60-61.

26. Аммосов А. П. Проблемы обеспечения хладостойкости сварных соединений элементов металлоконструкций и техники Севера / Прочность материалов и конструкций при низких температурах. Тезисы докладов. Всесоюзной конференции, г. Винница, 17-19 сентября 1991.- С. 3-4.

27. Аммосов А. П., Барашков П. П., Тобонов Н.А. Реакции низколегированных сталей на термический цикл сварки в условиях низких климатических температур. - Там же. - С. 4-5.

28. Аммосов А. П., Яковлева С. П., Киприянова Д. Д. Деформирование сосуда давлений'при развитии разрушения от технологического дефекта / Испытания металлических материалов и конструкций при климатических низких температурах. Сб. научных трудов. Якутск: ЯНЦ СО АН СССР - 1990, - С. 29-39.

29. Аммосов А. П. и др. Высокотемпературное испытание и методика описания изменения свойств низколегированных сталей / Там же - С. 39-44.

30. Аммосов С. П.. Аммосов А. П. Формирование данных для сквозного расчета сварочных деформаций и напряжений. . / САПР и микропроцессорная техника в сварочном производстве, материалы семинара, МДЯТП Москва. - 1991 - С. 118-121.

31. Аммосов А.П., Попов В.В. Трещиностойкость сварных соединений, имеющих механическую неоднородность / Трещины в сварных соединениях. Bratislava, 8-10.07.1991... Tlac: Polygrap. Servise. Bratislava, preradrka. - C.2 - 186-190. '

32. Аммосов А. П., Федотова M. А. Особенности микродеформирования структурных составляющих в области концентратора / Там же,- С. 79-82.

33. Зайффарт П. И., Гросс Х-Г, Довженко В. А., Васильев В. Г.,

Аммосов A.n. и др. Структурные превращения и свойства ме-• талла ЗТВ сварных соединений стали 10ХСНД // Автомат, сварка - 1991 - N 8. - С.12-16.

34. Федотова М.А., Аммосов А. П. и др. Структурные превращения и свойства материалов при сварке / Якутск: ЯНЦ СО АН СССР - 1991 - 25 с.

35. Larlonow W.P., Ainmosow А.P.. u a. Automate-nelnsatz bel tiefen Temperaturen./ ZIS - Report. Schwelss-technik aus Forschung und Praxis. ZIS, Halle GmbH. - 1990 - N 8 - P. 32-36.

36. Ammosow A.P., Larlonow V. P. Dynamic toughness of fracture and a cold resistance of weld joints // Journal de physique IV Colloque C3. Suppl. au Journal de Physique III, vol. 1. - octobre, 1991,- C3 - 171-176.