автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Перераспределение водорода при выборе рациональной технологии сварки

Автореферат

Повышение надежности инструмента из быстрорежущей < путем комбинированной обработки с оптимальными параметрами ис плазменной среды.

Сдано в набор Подписано в печать

Формат 60x90/16 Бумага 80гр/м

Объем 1.8п/л. Тираж 80 экз. Заказ

Издательство "Станкин" 101472, Москва, Вадковский пер.,3/а

ЛП №040072 от 29.08.91г. ПЛД №53-227 от 09.02.96г.

л ,,ип ^ Российская Академия наук \ ^ ' " Якутский научный центр

ИНСТИТУТ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ СЕВЕРА

На правах рукописи

СТРУЧКОВА Галина Прокопьевна

ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВОДОРОДА ПРИ ВЫБОРЕ РАЦИОНАЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ

05.03.06 - технология и машины сварочного производства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Якутск-1996

Работа выполнена в Институте физико-технических проблем Севера Якутского научного центра СО РАН.

Научный руководитель:

кандидат технических наук О.И.Слепцов;

Научный консультант:

кандидат технических наук В.Е.Михайлов;

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор О.Г.Касаткин, доктор технических наук А.П.Аммосов

Ведущая организация:

МГТУ им. Баумана

Защита состоится <Ж_> 199? г. в часов на заседании специализированного Совета К 003.43.01 в Институте физико-технических проблем Севера ЯНЦ СО РАН по адресу: 677891, г.Якутск, ул.Октябрьская, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ИФТПС ЯНЦ СО РАН.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного Совета, доктор технических наук.

Н.П.Болотина

1.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Обобщение и анализ причин хрупких и усталостных разрушений сварных конструкций при низких температурах показало, что в большинстве случаев очагом разрушения являются технологические трещины.

На основе многочисленных исследований процесса образования холодных трещин (ХТ) при низких температурах, проведенных Б. С. Касаткиным, В. П. Ларионовым, А. М. Макарой, Э. Л. Макаровым, В. Мусияченко, О. И. Слепцовым и др. выявлено, что на понижение технологической прочности низколегированных сталей при сварке преимущественно влияет водородный фактор. Таким образом, снижение содержания водорода и ускорение его десорбции с помощью технологических мероприятий позволяет избежать образования холодных трещин в сварных соединениях. Поэтому изучение закономерности диффузионного перераспределения водорода в сварных соединениях во время и после сварки, а также влияния на этот процесс технологических мероприятий является актуальным.

Сложность экспериментального слежения за кинетикой перераспределения водорода в сварных соединениях обуславливает необходимость использования методов математического моделирования процесса диффузии водорода. При этом важно выбрать математическую модель, адекватно описывающую процесс диффузии водорода, использование которой позволит выбрать наиболее рациональную технологию сварки. Работа выполнялась в рамках НИР 1.11.5.3. и 1.11.5.2

Цель работы. Изучение перераспределения водорода в сварном соединении в зависимости от технологических факторов, геометрии разделки кромок шва, накопленных пластических деформаций в ОШЗ, структуры металла шва и температуры среды, и на основании этого разработка алгоритма выбора рациональной технологии сварки металлоконструкций, эксплуатируемых в условиях Севера.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: - изучено влияние технологических факторов, типа металла шва, накопленных пластических деформаций в ОШЗ, температуры подогрева и воздуха на кинетику диффузии водорода в сварном соединении;

- разработан экспресс - метод определения уровня водорода в шве и его критического содержания в сварном соединении;

-разработан алгоритм выбора рациональной , технологии сварки низколегированных сталей при низких температурах среды и сделана его программная реализация.

- редложены технологические рекомендации по сварке металлоконструкций из низколегированных сталей в условиях Севера.

Научная новизна. ( В результате применения математических методов моделирования диффузии водорода развиты представления о перераспределении водорода в сварных соединениях и влиянии на него технологических факторов, геометрии разделки кромок !шва, накопленных пластических деформаций в околошовной зоне (ОШЗ), типа металла шва и температуры среды.

Установлено, что в зон термического влияния (ЗТВ) сварного соединения с понижением температуры воздуха до -30° С максимум концентрации водорода увеличивается на 30% по сравнению с максимумом содержания водорода при комнатной температуре.

Выявлено, что в корне сварного соединения, где происходят интенсивные пластические деформации, концентрация водорода может в 5-6 раз превышать его начальное значение.

Показано, что сварка комбинированием аустенитных и мартенситных (А+М) материалов предпочтительнее сварки комбинированием аустенитных и перлитных (А+П) материалов или однородными материалами, поскольку первая позволяет более чем в 3 раза сократить длительность сохранения повышенной концентрации водорода в ОШЗ сварного соединения при отрицательных температурах воздуха.

Установлено, что при сварке в условиях низких температур наиболее приемлем послесварочный нагрев ло 200° С в течение одного часа, что позволяет значительно сократить, например, для трубных сталей ( в 50 раз ) время сохранения повышенного содержания водорода в сварном соединении.

Предложены формулы для расчета критического содержания водорода в ОШЗ и начальной критической концентрации в шве низколегированных сталей в зависимости от химического состава стали и толщины изделия.

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением апробированных математических моделей, удовлетворительным согласованием с экспериментальными результатами.

Практическая ценность. Созданные программные средства использованы в разработке технологии сварки трубных сталей и технологических рекомендаций по ремонтной сварке несущих узлов рам автосамосвалов М-200 в условиях Севера, что позволило избежать образования холодных трещин в сварных соединениях и значительно повысить продолжительность работы рам после их ремонта. Результаты исследований в виде " Инструкции по ремонту сваркой несущих узлов рамы автосамосвала М-200" внедрены в автобазе технологического автотранспорта Нерюнгринского угольного разреза ПО "Якутуголь".

Апробация работы. Основные результаты диссертационой работы докладывались на V международной школе по математическим методам в сварке (1988г., г.Киев), на Международных конференциях "Сварные конструкции" ( 1993г., г.Эссен, 1995 г.,г.Киев).

Публикации. Основное содержание и результаты диссертационной работы изложены в 8 публикациях, 4-х технических отчетах по НИР и в документе МИС.

Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (120 наименований) и приложения. Изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 17 рисунков, 6 таблиц и приложения.

Во введении дана краткая характеристика работы и обосновывается актуальность темы.

Первая глава содержит обзор исследований, проведенных отечественными и зарубежными авторами, связанных с изучением основных факторов, влияющих на образование холодных трещин в сварных соединениях. Сделан анализ математических моделей диффузии водорода и их применения в задачах оптимизации технологии сварки. Сформулированы цель и задачи работы.

Во второй главе обоснован выбор математических моделей диффузии водорода и изложены полученные при их использовании результаты исследования влияния технологических факторов сварки на перераспределение водорода в сварных соединениях.

Третья глава посвящена разработке эскпресс- метода определения уровня водорода в шве, его критического содержания в сварном соединении и алгоритма

выбора рациональной технологии сварки маталлоконструкций, обеспечивающей требуемые механические свойства в условиях низких температур.

Четвертая глава посвящена выбору режима сварки, обеспечивающей стойкость против образования ХТ в условиях низких климатических температур.

В заключении приводятся выводы по результатам исследования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В. Н. Земзиным, Б. С. Касаткиным, А. М. Макарой, Э. Л. Макаровым, В. Ф. Мусияченко, И. Гривняком, К. Л. Коттреллом, К. Сато, X. Сузуки и др, установлены основные факторы, влияющие на образование холодных трещин в сварных соединениях. Подтверджено, что этот процесс подчиняется основным закономерностям замедленного разрушения'. Причем роль водородного фактора при замедленном разрушении низколегированных сталей является определяющей.

Для правильного назначения режима сварки и подогрева необходимо знать перераспределение водорода в соединении и влияние на этот процесс технологических факторов. Однако из-за трудности экспериментального слежения за кинетикой перераспределения водорода в сварных соединениях возникла необходимость в использовании методов математического моделирования. Рассмотрены достоинства и недостатки основных существующих математических моделей диффузии водорода. В работах В. И. Махненко, В. А. Кархина, Э. Л. Макарова и др. используя эти модели были исследованы особенности процесса распределения водорода в сварных соединениях. Но комплексных исследований влияния на этот процесс технологических факторов, накопленных пластических деформаций, типа металла шва и температуры среды было проведено недостаточно.

Решение комплекса задач: температурной, напряженно-деформированного состояния, диффузионной, расчет химического состава шва, определение структуры ОШЗ и шва, механических свойств шва и ОШЗ позволяет выбрать рациональную технологию сварки.

Наиболее перспективным, современным и обладающим широкими возможностями представляется разработанный в МГТУ им. Баумана программный комплекс "Свариваемость", основанный на предложенной Э. Л. Макаровым концептуальной модели образования ХТ. Критерий выбора состава

сварочных материалов и режима сварки, используемый в программном комплексе, обеспечивает заданные механические свойства, но он не может быть полностью применен при сварке конструкций, эксплуатирующихся в условиях Севера, из-за особенностей выбора материалов, предназначенных для работы при низких температурах' воздуха.

Кроме того, при выборе технологических мер часто требуется оперативная оценка критического содержания водорода в ОШЗ, допустимой начальной концентрации водорода в шве и его распределения в сварном соединении.

Необходимость применения ресурсосберегающих и более дешевых технологий возродила интерес к сварке с использованием разнородных сварочных материалов. Однако, при этом возможность повышения технологической прочности за счет выбора рациональной технологии сварки недостаточно изучена.

На основе проведенного анализа сформулированы цель и задачи исследования.

Оценка влияния структуры ЗТВ, геометрии разделки кромок и типа металла сварного шва, температуры среды и подогрева на перераспределение диффузионного

водорода.

В работе были использованы традиционная модель (1) диффузии водорода, основанная на 2-го законе Фика и модель (2), разработанная в МГТУ им. Баумана, которая позволяет рассчитывать перераспределение водорода в стыковых многопроходных сварных соединениях.

Для изучения влияния температуры воздуха и технологических мер на распределение водорода в сварном соединении нами была принята модель (1) со следующими допущениями:

- влияние внутренних дефектов на характер перераспределения водорода и скорость его выделения из сварного соединения невелики,

- время кристаллизации металла шва пренебрежимо мало по сравнению со скоростью выделения и перераспределения водорода.

а

Лу^га^Н}) (1)

где Н - концентрация диффузионно-подвижного водорода, см3/100 г; 1-время, с; Э - коэффициент диффузии водорода, см2 /с;

В начальный момент времени задали следующее распределение в сварных соединениях:

где П, - область шва; П2 - область основного металла; х,у -координаты; [Н]о-начальное содержание водорода в шве, [Н]ост - остаточный водород.

Численное решение модели осуществлялось по локально-одномерному методу. Выбрана равномерная расчетная сетка. Изменение температуры неявным

<=14+] решали серию одномерных задач по каждому направлению методом прогонки. Результаты расчета показывают, что снижение содержания диффузионно-подвижного водорода наполовину в образце при температуре среды +20° С, происходит через 8... 10 часов в процессе вылеживания, а при температуре Тср=-300 С- через 60-80 часов. Это хорошо согласуется с экспериментальными данными.

Для численного исследования влияния формы разделки свариваемых кромок ■ при сохранении сделанных ранее допущений были выбраны стыковые швы с Х-образной и У-образной разделкой свариваемых кромок.

Сравнивая кинентику перераспределения водорода в сварном соединении выявили, что предварительный подогрев сварного соединения способствует уменьшению концентрационного пика водорода в околошовной зоне на 30% и X-образная форма кромок способствует более быстрой десорбции водорода из сварного соединения.

При изучении влияния типа металла шва использовалась модель (2) неизотермической двухмерной диффузионной задачи. Она основана на решении двумерного уравнения 2-го закона Фика с учетом термодиффузионных потоков. Кроме того, модель учитывает Также закономерности перехода остаточного

(2)

С' граничными условиями:

(3)

образом учитывалось через изменение времени. Для каждого интервала 14<= I

водорода в диффузионный при нагреве и последующее его закрепление в основном металле при охлаждении. Эффективный коэффициент диффузии задается в виде: 0=Во*ехр(-<3/Т). Значения констант, характеризующих диффузионную подвижность водорода взяты из литературы.

^ = + (4)

д1 ду ду 8у ду дс ас ас дх

ят1

где х = г - термоградиентный коэффициент (5)

выход остаточного водорода описывается выражением:

[//] = [//], яДехр С&/т) (6)

где Q - теплота проницаемости водорода; R,Qo - константы,

характеризующие переход остаточного водорода в диффузионный; R - газовая постоянная; [Н]ост - остаточный водород. С начальными условиями:

[Н](х,у,0)=(;^'^6"о (7)

Граничные условия аналогичны условиям (3), приведенным в модели (1). Рассматривались сварные соединения толщиной h=14 см с V-образной разделкой кромок из стали бейнитно-мартенситного типа 14Х2ГМР, полученные сваркой электродами типа Э60А (ЖАНП-4), типа Э70 (АНП-2, АНП-6П).

Исследовалась кинетика изменения содержания водорода при сварке в условиях положительных (+200 С) и отрицательных температур (-400 С) воздуха.

Рассматривали три варианта режима сварки: 1) без подогрева; 2) с послесварочным подогревом Тпсп= 200° С в течении 1 часа; 3) с предварительным подогревом Тпрп= 200 0 С.

Было получено, что наиболее существенно понижает высоту водородного максимума концентрации в области ЗТВ сварных соединений при использовании феррито-перлитных сварочных материалов предварительный подогрев с Тпрд= 150-200° С. Для мартенситных сварочных материалов с точки зрения десорбции водорода из области ЗТВ нет существенной разницы при применении предварительного или послесварочного подогрева с Т=200 0 С.

Влияние накопленных пластических деформаций в металле на перераспределение

водорода.

Результаты, хорошо согласующиеся с экспериментом, были получены нами с помощью математического моделирования влияния накопленных пластических деформаций на кинетику диффузии водорода в сварном образце с концентратором.

Распределение накопленных пластических деформаций по сечению сварного образца е, получили, решив термомеханическую задачу методом конечных элементов.

Влияние накопленных пластических деформаций в металле на диффузию водорода заключается в изменении его растворимости и диффузионной подвижности. Из теоретического анализа известно изменение эффективного коэффициента диффузии водорода в металле в зависимости от дефектности его структуры :

0=0*/(1+а) (8)

И* - коэффициент диффузии водорода в недеформированном металле; а = 15 е, -функция плотности ловушек водорода в металле.

Результаты, проведенных используя модель (1),'расчетов показывают, что время достижения максимальной концентрации в локальной области длительность ее сохранения там зависят как от температуры среды, так и от уровня пластических деформаций. При Тср=20°С концентрация выше начальной сохраняется в течении 46-48 часов. При отрицательных температурах Т=-35°С , примерно, в течении 70 часов .

По результатам расчета получили, что в корне сварного соединения, где е, =0.14, после окончания сварки локальная концентрация водорода может достигать значений, которые в 5-6 раз выше средней концентрации водорода.

Полученные результаты были сопоставлены с экспериментальными данными по локальному содержанию водорода. Изучение локального содержания и распределения водорода в зоне концентратора напряжений и по берегам трещин замедленного разрушения в исследуемых образцах при их изгибе, проводилось методом локального масс-спектрометрического анализа с лазерным зондом.

В образцах, подверженных наводороживанию и нагружению, распределение водорода характеризуется резко выраженной неравномерностью. Пик концентрации водорода перед вершиной трещин в 3-4 раза превышает среднее содержание водорода в образце. Данный пик концентрации водорода образуется под действием поля напряжений и деформаций в вершине трешины.

Экспресс метод оценки уровня водорода, его критического содержания в сварном соединении и выбор металла шва, обеспечивающего требуемые механические свойства в условиях низких температур.

Разработан алгоритм выбора рациональной технологии сварки (Рис.), в который входит экспресс-метод.

При выборе технологических мер часто требуется оперативная оценка перераспределения водорода с применением упрощенных моделей расчета. Но при этом одновременно должно выполняться требование удовлетворительного совпадения упрощенного решения с решениями, получеными в результате использования модели, учитывающей более полно факторы, влияющие на перераспределение водорода. Для количественной оценки перераспределения водорода в сварном соединении используется модель (2), которая дает результаты, хорошо согласующиеся с экспериментальными данными.

Для получения аналитической зависимости критического содержания водорода в металле шва от химического состава основного металла и толщины свариваемого изделия был выполнен вычислительный эксперимент по определению критической концентрации водорода в ОШЗ при варьировании толщины сварного соединения и Рем,

где Рем = С + Mn/20 + Si/30 + Cr/20 + Mo/15 + Ni/60 +V/10 +Cu/20 + 5B. .

Для сталей 10ХСНД, 17Г1С, 14Г2САФ, CH, 14Х2ГМР, 20НГМ, 20Х были просчитаны критические значения содержания водорода.

Расчеты выполнялись для щелевидной формы разделки кромок, для толщин 6, 8, 10, 12, 14, 18, 20, 22, 24 мм при отрицательных температурах воздуха. При этом была получена следующая зависимость критической концентрации водорода в ОШЗ от Рем и толщины изделия:

In Нкр = 0.389 - 2.778 Рем - 0.086 h (9)

R=0.98; S=0.028

Для этих же сталей и толщин были выявлены следующие аналитические зависимости допустимого или критического начального содержание водорода в шве от Рем и толщины изделия:

1пНкро= 1.536-2.778 Рем-0.033 И. (10)

11=0.88; 5=0.044

Если уровень водорода в металле шва превышает критический, то сварка без подогрева приведет к образованию холодных трещин. Исследованиями, проведенными во второй главе установлено, что при сварке в условиях низких температур наиболее приемлем послесварочный нагрев с Тпсп=200°С.

Для определения уровня водорода в шве в качестве упрощенного решения рассматривалось аналитическое решение дифференциального уравнения Фика для одномерного случая. Оно сравнивалось с численными решениями, полученными для определенных условий сварки. С помощью корректирующих коэффициентов, зависящих от условий сварки, геометрии разделки шва, инженерное решение сводится к соответствующему этим условиям численному решению. Расчетный метод можно использовать для оценки процессов кинентики перерапределения водорода и выбора режимов сварки швов с щелевидной и У-образной разделкой кромок. Для определения уровня водорода в шве были получены следующие аналитические зависимости:

у=А*[Но]ехр(-КК*Б1) (11)

А*=0.58+0.04 1+0.019а, 11=0.89, 5=0.25 К*= 1.87+0.72 1+0.014а , 11=0.88, 5=0.34

где К - коэффицинт при аналитическом решении, А*, К* - поправочные коэффициенты, полученные из условия удовлетворительного совпадения с численным решением, I, а - ширина зазора и угол разделки кромок шва соответственно, I е[ 2,7], а е[0, 60°)

Поскольку образование холодных трещин происходит в период охлаждения и вылеживания, то наиболее интересна с этой точки зрения область температур ниже 300° С. В этой области достигается удовлетворительное совпаданение кривых. Полученные результаты свидетельствуют О .возможности применения данного подхода в инженерных расчетах для получения быстрых и надежных результатов при выборе технологии и режимов сварки.

При выборе материалов для изготовления сварных конструкций, предназначенных для эксплуатации в северных условиях, в настоящее время ориентируются на уровень ударной вязкости. Для получения качественного сварного соединения необходимо, чтобы удовлетворялись следующие требования: -отсутствие холодных трещин в шве и ЗТВ; -равнопрочность сварных соединений; -обеспечение заданных механических свойств.

Если содержание легирующих элементов металла шва обозначить через показатели механических свойств шва через уп то расчет выбора металла шва сводится к поиску максимума выражения для уровня ударной вязкости при ограничениях на уровни механических свойств у (х)>уог где у0/, - требуемые уровни механических свойств, кроме того х1ПШ < х, < *(1тх, допустимый интервал изменения содержания легирующего элемента х,,

Условие равнопрочности сварного соединения можно записать, как минимум где г,, соотвествующии показатель механических свойств

ошз.

В качестве сварочных материалов в расчетах используются типовые материалы, выбираемые в зависимости от состава основного материала при выполнении условия равнопрочности. По результатам подбора пары основного и сварочного материалов принимается решение о дальнейших действиях на основании принятых рекомендаций .

Программы реализованы на алгоритмическом языке РСЖТ11АМ-1У в виде отдельных модулей.

Влияние режима сварки при многослойной сварке разнородными материалами на процесс перераспределения водорода.

Рассматривались сварные соединения толщиной Ь=14 см с У-образной разделки кромок из стали бейнитно-мартенситного типа 14Х2ГМР, полученные сваркой электродами типа Э60А (ЖАНП-4), типа Э70 (АНП-2,АНП-6П). Исследовалась кинетика изменения содержания водорода при сварке в условиях положительных (+20° С) и отрицательных температур (-400 С) воздуха.

Рассматривали сварку комбинированными швами двух типов: корневой шов из аустенитного материала, заполнение разделки мартенситным материалом; корневой шов из аустенитного материала, разделка заполняется перлитным материалом и для сравнения сварку перлитными материалами.Рассматривали следующие варианты режима сварки:

1) без подогрева; 2) с послесварочным подогревом Тпсп= 200° С в течении 0.5 и 1.5 часов; 3) с предварительным подогревом Тпрн=2000 С.

Выявлено, что сварка с комбинированием аустенитно-мартенситных материалов предпочтительнее аустенитно-перлитных или перлитных швов, поскольку это позволяет более чем в 3 раза сократить длительность сохранения повышенной концентрации водорода в ОШЗ сварного соединения при отрицательных температурах воздуха. Послесварочный подогрев сокращает время сохранения повышенного уровня водорода в ОШЗ при сварке разнородными материалами в 6 раз эффективнее, чем при обычной сварке.

Также исследовали влияние высоты корневого шва на кинетику перераспределения водорода.

Влияние высоты корневого шва имеет неоднозначный характер: поскольку начальная концентрация водорода в корневом шве 'выше, то безусловно уменьшение высоты корневого шва сокращает время сохранения опасного уровня водорода. Как показали расчеты, особенно это выраженно для аустенитно-мартенситных швов. Но кроме водородного фактора, в случае изменения высоты корневого шва, необходимо учитывать изменение интенсивности жесткости сварного соединения. Поскольку полученный при этом многослойный металл шва может обеспечить механические свойства, которыми не обладают составляющие металла шва в отдельности.

При этом надо определить высоту корневого шва -"мягкого слоя", при котором достигается равнопрочность сварного соединения, т.е. бсв>=бтр. При этом толщина "мягкого" слоя равна ширине корневого шва и является заданной величиной.

Для случая заполнения корневого шва "мягким " материалом с высотой шва равной h=A01 , где

_ -bd + -^(bdf - 4c(ad - xfydj

Используя экспериментальные данные,взятые из литературных источников, определены значения постоянных а, Ьг с и для сварного соединения толщиной й= 12 мм, шириной шва Ь1=4мм вычислена высота "мягкого" шва Ь, при которой достигается равнопрочность шва.

1) Ь0=а+Ь(1; Ь0=0.644+0.057<1; 2) х!=1.3; 3) Ы=4мм; ё=12мм; 4) Ь=4.646 мм;

Закономерности поведения мягких прослоек с плоскими параллельными контактными поверхностями в принципе сохраняются, и для мягких прослоек более сложной формы, например, соответствующей Х-образной разделке.

Выбор параметров подогрева при многослойной сварке трубных сталей при низких климатических температурах.

При сварке конструкций из низколегированной стали, используется технология, суть которой заключается в выполнении корневой и облицовочной части стыка электродами с целлюлозным покрытием, а заполняющих слоев электродами с фтористокальциевым покрытием.

Рассматривались сварные соединения толщиной И=16 см с У-образной разделкой кромок из сталей повышенной прочности. Металл шва корневой и облицовочной части стыка сваривались электродами с целлюлозным покрытием диаметром 4 и 5 мм и заполняющие слои элетродами с фтористокальциевым покрытием диаметром 4 мм

Исследовалась кинетика изменения содержания водорода при сварке в условиях положительных (+200 С) и отрицательных температур (-400 С) воздуха.

Начальное содержание водорода в основном металле определяется величиной остаточного водорода [Я]ост = 2.0 см'/100 г, в корневой и облицовочной части шва - [Но]к = 30.0 см3/100 г, в заполняющем металле шва [Н]о = 10.0 см 3/Ю0 г .

Рассматривали следующие варианты режима сварки: 1) без подогрева, 2) с послесварочным подогревом Тпсп= 100° С в течении I часа, 3) с послесварочным подогревом Тпсп= 200° С в течении 0>_5 часа, 4) с послесварочным подогревом Тпсп= 200 0 С в течении 1 часа, 5) с предварительным подогревом Тпрн=2000 С, 6) с сопутствующим подогревом Тспд=400° С в течении 0.5 часа, 7) с сопутствующим подогревом Тспд=4000 С ' С в течении I часа.

Результаты расчета показали, что при сварке трубных сталей в условиях низких температур наиболее приемлем послесварочный нагрев с Тпсп=200°С продолжительностью около часа, который позволяет значительно ( в 50 раз ) время сохранения повыненного содержания водорода в зонах сварного соединения, подверженных образованию холодных трещин.

Сопутствующий подогрев также уменьшает время сохранения опасного уровня водорода. Кроме того, он благоприятно действует при структурных превращениях. Ввод тепла при сопутствующем подогреве изменяет формирование структуры в сторону бейнитных превращений. Такой квазиизотермический процесс распада аустенита в области бейнитного превращения приводит к улучшению свойств металла - уменьшению твердости, повышению пластичности.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Установлено, что в зоне термического влияния сварного соединения с понижением температуры воздуха до -30°С максимум концентрации водорода увеличивается на 30% по сравнению с максимумом содержания водорода при комнатной температуре. Концентрационный пик водорода в зоне термического влияния сварных соединений, подвергнутых предварительному подогреву 200° С, на 30 % ниже, чем в сварных соединениях, выполненных без подогрева.

2. Выявлено, что послесварочный нагрев до 200° С сварных соединений толщиной 14 мм (25мм) в течении 30 мин. (50 мин.) снижает пик концентрации водорода в ЗТВ примерно на 30% и значительно сокращает время сохранения повышенного содержания водорода в сварном соединении. Показано,что в условиях низких температур наиболее приемлем послесварочный нагрев Тпсп=200°С продолжительностью 0.5 -1 час., который позволяет значительно сократить, например, для трубных сталей( в 50 раз ) время сохранения повышенного содержания водорода в сварном соединении.

3. Расчетным и экспериментальным путем установлено, что в корне сварного соединения, где происходят интенсивные пластические деформации, концентрация водорода может в 5-6 раз превышать его начальное значение.

4. Разработан экспресс метод оценки уровня водорода и его критического содержания в сварном соединении при сварке в условиях низких температур. При этом были получены зависимости:

а) критической-концентрации водорода от химического состава стали и толщины изделия в ОШЗ и допустимого или критического начального содержания водорода в шве.

в) разработан инженерный метод оценки кинетики диффузии водорода в однопроходных сварных швах.

Сделана программная реализация в виде отдельного модуля.

5. Разработан критерий выбора сварочных материалов, обеспечивающих получение соединений с требуемыми механическими свойствами при сварке конструкций, эксплуатирующихся в условиях Севера и алгоритм выбора рациональной технологии сварки с программной реализацией.

6. Показано, что сварка комбинированием аустенитных и мартенситных (А+М) материалов предпочтительнее сварки комбинированием аустенитных и перлитных (А+П) материалов или однородными материалами, поскольку первая позволяет более чем в 3 раза сократить длительность сохранения повышенной концентрации водорода в ОШЗ сварного соединения при отрицательных температурах воздуха. Послесварочный подогрев сокращает время сохранения повышенного уровня водорода в ОШЗ при сварке разнородными материалами в 6 раз эффективнее, чем при обычной сварке.

7. Разработаны технологические рекомендации по ремонтной сварке несущих узлов рам автосамосвалов М-200, которые внедрены в виде "Инструкций 'по ремонту сваркой несущих узлов рам автосамосвалов М-200" в Автобазе технологического автотранспрота Нерюнгринского угольного разреза ПО "Якуту голь".

Основное содержание диссертации изложено в работах:

(.Михайлов В. Е., Стручкова Г. П. Влияние предварительного и послесварочного подогревов на перераспределение водорода в многослойных швах. VI Респ.научно-практической конференции молодых ученых и специалистов. 1986 г. часть II, С.23.

2.Слепцов О. И., Михайлов В. Е., Смиян О. Д.,Стручкова Г. П. Взаимосвязь процесса замедленного разрушения сварных соединений с кинетикой перераспределения водорода в них. - Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1987,-40 с.

3.Слепцов О. И., Михайлов В. Е., Стручкова Г. П. Инженерный подход к вопросу о перераспределении водорода в сварном соединении. V международную школу по математическим методам в сварке.Киев, 1988 г., С.34.

4.Слепцов О. И., Михайлов В. Е., Стручкова Г. П. Некоторые аспекты моделирования диффузии водорода в сварном соединении. Работоспособность техники.-Якутск: Изд-во ЯФ СО АН СССР,!988.-С.15-18.

S.Slepzov О. I, Mihaylov V. Е., Struchkova G. P. Relationship between the delayed fracture process in welds and the kinetics hydrogen redistribution. IIW DOC, документ МИС, 1988, 41 с.

6.Слепцов О. И, Стручкова Г. П. Инженерный метод оценки уровня водорода в однопроходных сварных швах. Тезисы международной конференции по сварке. Эссен, сентябрь, 1993г., С. 52.

7.Слепцов О. И., Стручкова Г. П. Использование математических моделей, описывающих процесы диффузии водорода s задачах оптимизации технологии низколегированых сталей. Тезисы международной конфер. Киев, 18-22.09., 1995 г., С.63.

8.Слепцов О. И., Стручкова Г. П. Влияние технологии сварки и температуры воздуха на перераспределение водорода в сварных соединениях. Автомат, сварка, 1996, N10, С. 15-18

Рис.

Схема взаимодействия моделей, входящих в расчетный комплекс.