автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Повышение хладостойкости сварных соединений мостовых конструкций из сталей 10ХСНДА и 15ХСНДА, микролегированных ниобием и ванадием, и разработка технологических основ выполнения монтажных швов

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА О СВОЙСТВАХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ МОСТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ, ПРИЧИНАХ СНИЖЕНИЯ И МЕТОДАХ ПОВШЕНИЯ ХЛАДОСТОЙКОСТИ МОНТАЖНЫХ ШВОВ. ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ.

Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Выбор материалов.

2.2. Подготовка и сварка экспериментальных образцов.

2.3. Подготовка образцов и определение механических свойств.

2.4. Методы исследования структуры.

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ МОНТАЖНЫХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ СТАЛЕЙ 10ХСНДА и 15ХСНДА, МИКРОЛЕГИРОВАННЫХ НИОБИЕМ И ВАНАДИЕМ.

3.1. Сравнительные исследования структуры и механических свойств проката из мостовых сталей типа ХСНД, легированных и не легированных ниобием и ванадием.

3.2. Сравнительные исследования механических свойств сварных соединений из мостовых сталей типа ХСНД, легированных и не легированных ниобием и ванадием.

3.3. Исследование влияния рода тока на хладос-тойкость сварных соединений из мостовых сталей типа ХСНД, легированных и не легиро

- 3 ванных ниобием и ванадием.

3.4. Исследование влияния температуры окружающей среды на склонность сталей 10ХСНДА и 15ХСНДА к низкотемпературному охрупчиванию.

3.5. Исследование влияния термической обработки на структуру и свойства монтажных сварных соединений из сталей 10ХСНДА и 15ХСНДА.

3.6. Исследование влияния состава сварочных материалов на хладостойкость сварных соединений из мостовых сталей 10ХСНДА и 15ХСНДА.

3.7. Исследование влияния погонной энергии на хладостойкость сварных соединений из сталей

10ХСНДА И 15ХСНДА.

3.8. Влияние исходного структурного состояния металла на хладостойкость зоны сплавления стали ЮХСНДА.

3.9. Исследование причин низкотемпературного ох-рупчивания сварных соединений сталей ЮХСНДА И 15ХСНДА.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.I.

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОДОРОДНОЙ ХРУПКОСТИ МОНТАЖНЫХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ МОСТОВЫХ КОНС- -ТРУКЦИЙ ИЗ СТАЛЕЙ ЮХСНДА И 15ХСНДА, МИКРОЛЕГИРОВАННЫХ НИОБИЕМ И ВАНАДИЕМ.

4.1. Постановка задачи исследований.

4.2. Методика проведения исследований.

4.3. Результаты экспериментов и их обсуждение.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

Глава 5. РАЗРАБОТКА И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ СТЫКОВЫХ СОЕДИНЕНИИЙ ИЗ СТАЛЕЙ 10ХСНДА И 15ХСНДА.

5.1. Исследование влияния легирующих элементов на хладостойкость сварных соединений сталей 10ХСВДА И 15ХСНДА.

5.2. Оптимизация состава присадочного материала и режимов сварки соединений, выполненных в монтажных условиях.

5.3. Оптимизация разделки кромок и количества проходов при выполнении стыковых сварных соединений в монтажных условиях.

5.4. Практическое использование результатов исследований.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5.

При строительстве мостов большой объем сварочных работ в настоящее время выполняется в монтажных условиях, при этом монтаж и строительство пролетных строений мостовых переходов за последние годы претерпели значительные изменения. Применение в качестве сборочных единиц ортотропных плйт, работающих в составе пролетного строения, снижение числа главных балок привело к уменьшению массы конструкции и в то же время вызвало необходимость разработки и внедрения сталей повышенной прочности и разработки технологии монтажной сварки их.

Актуальность темы: В течение многих лет в качестве основного материала для изготовления мостовых конструкций применяли стали 10ХСНД и 15ХСНД. Были оптимизированы режимы, технология дуговой сварки и сварочные материалы, обеспечивающие получение требуемых свойств сварных соединений в различных климатических условиях. Однако в последнее время значительно расширились требования к конструкционным мостовым сталям по структуре, прочности, и хладостойкости. Исходя из зтих требований, на основе сталей 10ХСНД и 15ХСНД были разработаны и освоены новые марки сталей 10ХСНДА и 15ХСНДА. Главным отличием этих сталей от сталей 10ХСНД и 15ХСНД является наличие в их составе сильных карбидооб-разующих элементов (ванадия, ниобия) и несколько пониженное содержание углерода, марганца, хрома, никеля и вредных примесей. Это обстоятельство в сочетании с особыми режимами прокатки и термической обработки позволило улучшить свойства листового проката. Между тем, изменение химического состава, технологии выплавки, разливки, прокатки и термической обработки влечет за собой изменение металлургических процессов и фазовых превращений, протекающих в сварочной ванне и околошовной зоне (ОШЗ). В результате возникла необходимость изыскания оптимальных технологий дуговой сварки мостовых конструкций из этих сталей как в заводских, так и в монтажных условиях.

Цель работы: Разработать, оптимизировать и внедрить технологию монтажной сварки мостовых конструкций из низколегированных сталей высокого качества 10ХСНДА и 15ХСНДА.

Научная новизна: Установлено, что стыковые сварные соединения низколегированных сталей высокого качества 10ХСНДА и 15ХСНДА склонны к низкотемпературному охрупчиванию по зоне сплавления. Предложен механизм низкотемпературного охрупчивания. Показано,, что в процессе сварки металл зоны сплавления исследуемых сталей нагревается до высоких, выше 1300°С, температур. Это обусловливает более полное растворение в аустените карбидов и других соединений ванадия и ниобия, рост зерна аустенита, диффузию углерода из основного металла в наплавленный и насыщение жидкого металла фосфором из сварочных материалов. Последующее охлаждение вызывает формирование неблагоприятной видманштеттовой структуры, выпадение из аустенита и расплава карбонитридов ванадия и ниобия, которые способствуют локальному искажению кристаллических ячеек феррита, снижению подвижности дислокаций, особенно при отрицательных температурах, и, как следствие, затруднению процесса скольжения при деформациях. Установлено, что снижение ударной вязкости обусловлено также образованием неблагоприятных пластинчатых включений по границам оплавившихся зерен, наличием диффузионного водорода, а также повышенным содержанием фосфора в зоне сплавления и видманштеттовой структурой с пластинками и иглами г» феррита в теле зерен перлита.

Установлено, что нормализация и высокий отпуск, а также многослойное заполнение швов на пониженной погонной энергии устраняют низкотемпературное охрупчивание зоны сплавления низколегированных сталей высокого качества 10ХСНДА и 15ХСНДА.

Разработана и оптимизирована технология сварки монтажных швов мостовых конструкций из сталей 10ХСНДА и 15ХСНДА на пониженных погонных энергиях, обеспечивающая получение равнопрочных соединений.

Практическая ценность: На основе проведенных исследований разработана и внедрена технология сварки в монтажных условиях стыковых соединений мостовых конструкций на пониженных значениях погонной энергии, а также оптимизированы форма и конструктивные элементы подготовки кромок под сварку монтажных швов мостовых конструкций из сталей 10ХСНДА и 15ХСНДА, микролегированных ниобием и ванадием, обеспечивающая хладостойкость сварных соединений на уровне требований нормативно-технической документации. Разработан присадочный материал, дополнительно содержащий некар-бидообразующие элементы и редкоземельные металлы, и позволяющий повысить ударную вязкость зоны сплавления при -60°С в 5.6 раз по сравнению с ранее использовавшимся.

Реализация результатов работы: Результаты проведенных исследований положены в основу разработки стандарта предприятия (СТП ) "Технология монтажной сварки стальных конструкций мостов" в научно- исследовательском центре "НИЦ МОСТЫ " ОАО " Научно-исследовательский институт транспортного строительства". Разработанная технология внедрена на строительных площадках при строительстве ряда мостов в сибирском регионе.

Основные положения, выносимые на защиту:

- результаты исследований структуры и механических свойств различных зон сварных соединений мостовых сталей типа ХСНД, легированных и не легированных ниобием и ванадием;

- результаты исследований влияния рода тока, температуры окружающей среды, погонной знергии и термической обработки на структуру и свойства монтажных сварных соединений из мостовых сталей 10ХСНДА и 15ХСНДА;

- результаты исследований влияния состава сварочных материалов и структуры проката на хладостойкость зоны сплавления сварных соединений сталей 10ХСНДА и 15ХСНДА;

- результаты исследования водородного охрупчивания монтажных сварных соединений мостовых конструкций из сталей 10ХСНДА и 15ХСНДА, микролегированных ниобием и ванадием;

- результаты оптимизации технологии сварки стыковых соединений из мостовых сталей 10ХСНДА и 15ХСНДА;

Апробация работы: Основные положения работы докладывались и обсуждались на научно - технических конференциях: 5-й международной научно-практической конференции "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири" (г.Омск, 1999), Всероссийской конференции " Перспективные материалы, технологии, конструкции, (г. Красноярск, 1998), XXIV Всероссийской молодежной конференции "Гага-рикские чтения" (г.Москва, 1998), XXV Всеросийской молодежной конференции "Гагаринские чтения" (г.Москва, 1999), научно-практической конференции студентов и аспирантов (г.Рубцовск, 1999), 55-й научно-технической конференции студентов, аспирантов, про-фессорско-преподовательского состава Алт.ГТУ(г.Барнаул, 1998), научно-технических семинарах кафедры "Оборудование и технология сварочного производства" АлтГТУ (г.Барнаул,1997,1998,1999),

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе она статья в журнале "Сварочное производство" и одна статья в журнале "Weldlne: International"

Работа выполнена на кафедре "Малый бизнес и сварочное производство" Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова под руководством кандидата технических наук, профессора Чепрасова Дмитрия Петровича. Автор считает своим приятным долгом выразить ему сердечную благодарность за постоянную помощь и внимание при выполнении работы. Приношу искреннюю благодарность заведующему кафедрой "Малый бизнес и сварочное производство" академику Международной академии наук (МАН) ВШ, члену -корреспонденту Академии инженерных наук (АИН) РФ, Заслуженному деятелю науки и техники РФ, лауреату Ленинской премии, доктору технических наук, профессору Радченко Василию Григорьевичу, а также моему научному консультанту кандидату технических наук Петрову Виктору Петровичу за ценные указания и консультации по отдельным разделам работы. Автор благодарит научных сотрудников кафедры и университета: Фридмана Л.Н., Арсенкина В.Т., Шабалина В.Н., Пильберга С.Б., Радченко М.В. Клюеву Н.В., Баранову З.Н. за помощь в подготовке и проведении ряда экспериментов, а также активное участие в обсуждении результатов работы на научно-технических семинарах механико-технологического факультета АлтГТУ. п П1П л -I п.-.птг.ст плг: ъг-<ттг>г\г\ л г\ ппгЛптпп; пшптг/ пс.ггтггл 1г-т ттл'З

1 ЛНС-.Н л. илгшс. пилдгион и ьоилыо^. ыэнгпал ииедчгхпуш

11ПГ1ТЛП1 IV Г/Г,7 Г-|-Г7~)Х П/'ТТТЛ1^ Г7Т"ШТТТ/Г11 л V Л7 ?ТЛЛИТ?ЦТ,ГСТ ТЛ V ГГ"ГГ\~ГТ Л л,г Т7Г\Г-Л гтсимст глии 1 иопЛ г.ипъ 1Г з гДша, ипг1УШ^\ ьпятсш'ш и тс. л ид.нл ллиоошЬггшт.

Г ПА Т1Г*Г\~ГГ\ТЪ1.'ГЧ~1ТТЛ к АГЛI ХТ Л »111 П./ ПТОГЛО П Л ТТ Л ТТТГ НЛП ТТТТТГГЛО Л 1Г7ЛГТ ллядии'1иЛг\иь 1У1 шип 1 нтпил шоио. оДЦм-Ы уюолг^диомпуьт.

11рИ СТрийТ©ЛЪСТВ9 МОСТОВ иОЛЫПОИ ОиЪ9М СВарОЧНЫХ рабОТ БЫ-полняется как е заводских, тзк к з монтажных УСЛОВИЯХ[1,2,ол. Имеются сведения, что для изготовления мостовых конструкции р9~ аиг,кпд и а сшш аи3лиле1'ирий£шшс? игсиш л-члсл. мг , -¡.4/и пди, 1.0, ил,

И СЛОЛД -1 ПТ1ПП-1 ТГ ГОТ ***** Птттт«»«/-! ( «ттпптмг Л ГП аил. &н\и ь / л , хил. ¿ыД юл , ¡а АРУ 1'ис. идлси\и, лз Т^чейуле мниг}!». ле.т в качеств© основного матерртала для изготовления сварных мостовых гчилитру ГьЦуш прпглепЯли схеиш хиЛьпд У1 ЮльНД, выиу иКлемЫе ни 1им о713-У1 —"Прокат низколегированны*! кинструкционньш для мостостроения. Технически© условия." Состав и свойства этих сталей приведены в таблицах 1.1,1.2.

Проведенные за этот п©риод исследования[Э,10,111 позволили оптимизировать режимы и технологию дуговой сварки, сварочные мамостовым сталям 10ХСНД и 15ХСНДС183.

В связи с развитием транспортных потоков и увеличением грузоподъемности железнодорожного и автомобильного парка резко возросли нагрузки на несуще элементы мостов[3,8,153, что привело к ужесточению требований к конструкционным мостовым сталям [19,20,213 в части химического состава, свариваемости, структуры, прочности, пластичности, вязкости и хладостойкостиС22, 23, 24, 25, 26, 27,3.

Исходя из этих требований, на основе сталей 10ХСНД и 15ХСНД ЦНШГЧерметом были разработаны и освоены новые марки сталей, которые, согласно ТУ 14-1-5120-92 [283, получили маркировку ЮХСНДА и 15ХСНДА. Химический состав данных сталей и требования по механическим свойствам приведены в таблицах 1.3,1.4. Главным отличием состава этих сталей является наличие в них сильных кар-бидообразующх элементов (ванадия и ниобия) и несколько пониженное содержание углерода, марганца, хрома и вредных примесей по сравнению со сталями 10ХСНД и 15ХСНД, выпускаемыми по ГОСТ 6713-92 [293. Снижение углерода и легирующих добавок в сталях ЮХСНДА и 15ХСНДА вызвано необходимостью обеспечения углеродного эквивалента не вьппе 0,42%.

Это обстоятельство в сочетании с особыми режимами выплавки, разливки, прокатки и термической обработки, позволило улучшить свойства листового проката, особенно таких характеристик, как пластичность и ударная вязкость[30,313. Между тем, изменение химического состава, технологии изготовления и термообработки повлекло за собой изменение металлургических процессов и фазовых превращений, протекающих в сварочной ванне и околошовной зоне,

Таблица 1.1

Химический состав низколегированных конструкционных сталей для мостостроения по ГОСТ 8713-91

Массовая доля элементовД |

1 I-1-1-1-1-1-i-1-1

Марка ¡ углерод i кремний ¡марганец |хром ¡никель ¡ медь ¡фосфор! cepaf стали ¡ ¡ ¡ | I ¡ I-1-1 не более | 16Д ¡0,10-0,18|0,12-0,25|0,40-0,70|До 0,30 ¡До 0,30 ¡ 0,20-0,35)0,035 ¡ 0,035¡ ¡ 15ХСНД|0,12-0,18¡0,40-0,70¡0,40-0,70¡0,60-0,90¡0,30-0,60¡0,20-0,40¡0,035 10,0351 110ХСНД1 До 0,12 ¡0,80-1,10',0,50-0,80(0,60-0,90¡0,50-0,8010,40-0,80¡0,035 ¡ 0,035¡

-!IIIIIIII; аолица 1.2

Механические свойства низколегированных конструкционных сталей для мостостроения по ГОСТ 6713-91

I-1-1-1---1-1

Марка стали

Толщина проката, мм

Механические свойства при растяжении временное сопротивление в, Cs Н/мм2

1-1предел |отно-текучес-|ситель-ти, |ное г, Н/мм21 удлине

Ударная вязкость КСи (а^, Дж/см2, для проката категорий

-40

-60

3 I 1 и 21 3 +20 | -20 -70 (после механичес-| кого старения

JL не менее

Испытания на изгиб в холодном состоянии до параллельности сторон для проката категорий

2,3

15ХСНД юхснд

8-32 490-685 | 345 | 21 1 29 | 29 29, | 29 29

33-50 470-670 | 335 | 19 i 29 | 29 29 | 29 29

8-15 530-685 | 390 | 19 1 29 | 29 29 | 29 29

16-32 530-670 | 390 { 19 1 29 k 29 29 | 29 29

33-40 510-670 | 390 | 19 1 29 I 29 29 | 29 29 d»2a d-2a d«2a d»2a d»2a d=l,5a d=l,5a d-l,5a d-l,5a d=l,5a

Таблица 1.3

Химический состав низколегированных сталей высокого качества по ТУ 14-1-5120-92

1 г Массовая доля элементов, % i Марка 1 i углерод кремний i мар- ! ■||| i хром |никель¡медь |ванадий фосфор i 1 | сера !

I стали | ганец| 1 1 1

1 1 1 i i i класс I класс | i i i ¡ 1 1 i i i i i 1 I 2 | 3 • i lili 1 1 1 2 | 3 ¡ ■ i i I i i i i i i не более |

10ХСНДА| не более 0,80- 0,30- i i 1 0,30-1 0,20-10,40-1 0,08- i i i i i i 0,015|0,020|0,035|0,015|0,020|0,035|

0,10 1,10 0,60 0,60 | 0,50 |0,60 | 0,12 1 1 1 I 1 1

15ХСНДА| не более 0,40- 0,20- 0,30-| 0,20-10,20-1 0,08- 0,01510,020|0,035|0,015|0,020|0,0351 i i 0,12 0,70 i 0,050 i 0,60 | 0,50 |0,40 I 0,12 iiii 1 1 J—.i. i, . I I I I IIII

Таблица 1.4

Механические свойства мостовых сталей по ТУ14-1-5120-92

Сталь Механические свойства при растя-1 Ударная вязкость КС11, ¡жении для проката всех категорий {Дж/см2 для проката |-1-1-1 категории 1 при -40°С

I /в, I ¿Гт, I I

10ХСНДА| 530-685 | 390

19

39

15ХСНДА) 490-685 | 345

21

29

Примечание. Во всех случаях ударная вязкость КСЮ и КСУ для ¡проката категорий 2 и 3 при -20, -40, -60 и -?0°С ¡составляет 29Дж/см2 результатом чего стала, отмеченная при строительстве моста через реку Обь в г. Барнауле нестабильность значений ударной вязкости при отрицательных температурах, особенно по линии сплавления СБарных монтажных соединений[32].

Анализ имеющейся информации о сталях 10ХСНДА и 15ХСНДА, выпускаемых по ТУ 14-1-5120-92, свидетельствует, что внедрению этих сталей в машиностроении предшествовали исследования, выполненные металлургами и научно- исследовательским центром "Мосты" (НИЦ"Мосты"), научно-исследовательского института транспортного строительства (АО ЦНИИС) [33,34,35 3. Металлурги исследовали структуру, химический состав и основные свойства первых ста плабок этих сталей. Но в их отчетах не были представлены данные о влиянии прокатки и способов термообработки на свойства сталей. Исследования НИЦ "Мосты" были посвящены изучению основных свойств сварных соединений (с^ у т. <Г. {¡/, КСи,), полученных дуговой сваркой на режимах, применяемых главным образом в заводских условиях, существенно отличающихся от монтажных условий, что ограничивает возможность их промышленного использования.

На основании результатов этих исследований была проведена корректировка отдельных режимов для заводской двухсторонней сварки и монтажной сварки в щелевую разделку с применением ме-таллохимической присадки, которая использовалась многие годы для изготовления сварных мостовых конструкций из сталей 10ХСНД и 15ХСНД. Однако в этих работах не были изучены причины нестабильности свойств сварных соединений, особенно в монтажных условиях по линии сплавления. Не были изучены и определены причины, понижающие хладостойкость сварных соединений из новых сталей, ниже нормативно - допустимых значений (30 Дж/см2) в результате воздействия термодеформационных циклов сварочной дуги. Не были оптимизированы технологические процессы подготовки кромок и выполнения монтажных швов, обеспечивающие повышение свойств соединений, до уровня требований нормативно-технической документации на мостовые конструкции.

Анализ литературных данных по влиянию термических циклов сварки на хладостойкость сварных соединений показал [36,37,38,391, что низколегированные стали, микролегированные сильными карбидообразующими элементами, особенно чувствительны к изменению ударной вязкости в сварном шве и околошовной зоне, причем в большей степени при пониженных температурах[40]. Так, в работе С41] было установлено, что стали 15Г2АФД и 14Г2МФТ, микролегированные ванадием и титаном, оказались весьма чувствительными к сварочному нагреву. В работе было рекомендовано вести их сварку на малых погонных энергиях, применяя, по возможности, многопроходную ручную дуговую сварку. Для строительной стали 12ХГДАФ технология сварки, применяемая в работе [423, обеспечивает хладостойкость металла шва и зоны термического влияния при температурах до -40°С. При более низких температурах сварное соединение разрушается хрупко. Причины этого явления в данной статье не рассматриваются.

Рядом авторов отмечается снижение ударной вязкости сварных соединений высокопрочных сталей при низких температурах с повышением погонной энергии сварки [43,44,453 (рис.1.1). В связи с этим при выборе режимов сварки рекомендуется исходить из величины максимально допустимых значений погонной энергии[45,463.

При сварке стали 12М1СгМоУ повышение погонной энергии приводит к снижению ударной вязкости участка перегрева крупнозернистой области зоны термического влияния. В зоне перегрева были обнаружены высокая плотность дислокаций, а также островки бейни-та, способствующие снижению ударной вязкости. Рекомендуется строго ограничивать погонную энергию и выбирать режимы сварки, не допускающие образование бейнитных структур[473.

Для сварных конструкций, изготовленных из стали 16Г2АФ, был отмечен ряд нарушений нормальной эксплуатации вследствие их низкой сопротивляемости хрупким разрушениям. Наибольшие затруднения, связанные с обеспечением хладостойкости сварных соединений имели место при сварке сталей после закалки с отпуском[483. В этой работе также отмечается низкая ударная вязкость как металла

Рис.1.1. Зависимость ударной вязкости участка перегрева (зоны оглавления) от погонной энергии: 1-стадь 10СХНД; 2 - сталь 09Г2С, 3 -15Г2АФДг£С; [43] шва, так и по линии сплавления в сварных соединениях, выполненных на повышенной погонной энергии (рис.1.2). Основной причиной снижения хладостойкости называется большой размер зерна зоны перегрева, который снижает энергию распространения трещины.

Авторы работ[48,49,503 объясняют снижение ударной вязкости зоны перегрева в стали 16Г2Ф наличием закалочных структур в околошовной зоне. Это же мнение высказывается в работе [513 при исследовании причин охрупчивания сталей класса НТ 50, содержащих ванадий.

Повышение погонной энергии при сварке стали 17ХГ2САФ привело к перегреву околошовной зоны и увеличению содержания феррит-ной составляющей, что вызвало снижение хладостойкости[52]. Ограничение погонной энергии также рекомендуется для строительных сталей 10Г2ФР[533 и 14ХНЭДДФРС54]. Аналогичные выводы получены в работах [52,54,55] и др. Отмечается снижение ударной вязкости сварного соединения по линии сплавления при увеличении погонной энергии.

В то же время ряд авторов [41,53,563 и др. считают, что использование оптимальных режимов и сварочных материалов дает возможность получения соединений, равнопрочных основному металлу, даже при повышенных, оптимальных для данного способа сварки, погонных энергиях (рис. 1.3). Было установлено [573, что при сварке стали, содержащей ниобий, увеличение погонной энергии мало влияет на вязкость металла зоны термического влияния (зтв), а последующая термообработка незначительно повышает вязкость металла шва и зтв. С увеличением числа проходов вязкость металла шва увеличивается. Для стали 14Х2ГМР, микролегированной ванадием, при оптимальных скоростях охлаждения и использовании сварочной

Рис, 1.2, Зависимость ударной вязкости сварных соединении стали 16Г2АФ от гемнерагуры испытаний при сварке проволокой Св-10НМА под флюсом АН- 17М (1); Св-ЮНМА, АН-348А(2); Св-10Г2, АН-17М (3); Св-10Г2, АН--348А (4) [47] ли

- ¿X проволоки, содержащей 2% никеля, сварное соединение равнопрочно основному металлу до -40°С и имеет ударную вязкость не менее 50Дж/см2 при температуре -60°С. Применение предварительного подогрева для этой стали приводит к снижению ударной вязкости околошовной зоны£583. Исследования сварного соединения из этой стали, выполненного на режимах, рекомендованных в работе [593 показали удовлетворительные характеристики сопротивления хрупкому разрушению металла, высокую хладостойкость по линии сплавления и стабильность значений работы сопротивления развитию трещины с понижением температуры[60,613. Отмечается, что по показателям хладостойкости достигается равнопрочность сварных стыковых соединений основному металлу.

Имеется ряд работ, выполненных японскими учеными [62,63,643, в которых отмечаются хорошая свариваемость и высокие механические свойства зоны термического влияния высокопрочных сталей при отрицательных температурах. Температура подогрева при сварке ограничивается 100°С. Снижение погонной энергии приводит к образованию холодных трещин[633. Особенностью этих сталей является очень низкое содержание вредных примесей (серы менее 0,003%, фосфора менее 0,006%) [623. Сталь СЬ 1311.8.1, микролегированная ниобием и ванадием, также имеет низкое содержание серы и фосфора. Для этой стали была разработана технология ручной дуговой сварки, обеспечивающая получение высокой ударной вязкости сварного соединения [653. В работе [663 отмечается, что эффект упрочнения микролегированной стали увеличивается при снижении содержания серы в стали.

Таким образом, можно сделать вывод, что содержание вредных примесей (серы и фосфора)является одним из факторов, влияющих на ------------ ---------хладостойкость сварных соединений.

При сварке стали 18Б увеличение погонной энергии привело к повышению хладостойкости и снижению критической температуры хрупкости (рис.1.4). Ударная вязкость металла шва и околошовной зоны отличалась незначительно. Наблюдалось некоторое измельчение структуры с увеличением доли ферритной составляющей [673. Отмечается также, что ударная вязкость околошовной зоны стали 18Б при температуре -40°С не ниже чем свойства основного металла и выше, чем у аналогичной по химическому составу стали СтЗ. Высокие механические свойства зоны термического влияния обеспечиваются отсутствием закалочных структур и незначительным ростом зерна С68]. В то же время в работах [69,703 отмечается, что ниобий повышает твердость и прочность стали, но неблагоприятно влияет на ударную вязкость металла шва как после сварки, так и после отжига, в связи с чем содержание ниобия рекомендуется делать максимально низким [713, так как, по данным работ [70,723, он может вызвать неблагоприятные структурные изменения.

В исследованиях авторов [9,413 показано, что легирование низкоуглеродистых хромомарганцовистых сталей ванадием и другими сильными карбидообразующими элементами способствует получению более однородной и дисперсной структуры проката с более высокой прочностью и пластичностью. Механизм воздействия малых присадок данных элементов заключается в выпадении карбидов или карбонит-ридов после окончания прокатки в межкритической области. Наличие таких частиц в стали приводит к измельчению зерна и блоков мозаики, а также к увеличению плотности дислокаций (рис. 1.5.) и повышению сопротивления их перемещению . Ударная вязкость основного металла имеет высокие значения при температурах от 20 до

Т-1

Л О

Ль ДОси

50

23 0

1 • 0 О» •

0 / 1 Л.

V \ ' X ) \ о4 8

2/4

40

56 ц/у, кДж/см

Рнс 1.3 Изменение ударной вязюостн металла околоиювнои зоны соединения стали 15Г2АФДпс б зависимости от погонной энергии сварки : ф - при - 40°С; 0 - при - 60°С;---------минимально допустимое значение ударно! оязкозти [41] а^Дж/см

80

60

40

20

4 \ \ ***

3 \\ \ V ¿г ✓Л "I* / тб у-"" У-^Г 1 К Г- 1 } У / ^ У У у 1 ' / ^ у / У /

У / ' / / у > X х у у У У * у / / < / / *' ■3 у / У /

60 40 20 0 Т,°С

Рис. 1.4. Зависимость ударной вязкости металла околошовной зоны от температуры при различной погонной энергии дуги (минимальные значения) в кДж/см: / - 8; 2 - 20; 3 - 24; 4 ~ 44. Пунктирные линии - сталь без ниобия, сплошные - с ниобием [67]

Рис. 1.5 Характерная морфологическая структура выделений в микролегированных сталях: а) частицы нитрида алюминия *30000, б) частицы соединений титана *30000, в) частицы соединений ниобия*50000, г) частицы соединений ванадия *50000.[36].

-100°С. Однако в результате воздействия термического цикла сварки ударная вязкость металла участка перегрева снижается, особенно при отрицательных температурах, и .в ряде случаев находится ниже допускаемого значений (Рис.1.6). Снижение ударной вязкости сварных соединений в сталях с присадками сильных карбидообразую-щих элементов отмечается так же в работе [731. Причины снижения ударной вязкости в работах [9,733 не раскрываются.

Исследование хладостойкости сварных соединений низколегированных марганцовистых сталей с добавками ванадия, бора и азота показало, что они склонны к низкотемпературному охрупчиванию металла шва и линии сплавления[55,74,753.

С целью получения более высоких значений ударной вязкости было рекомендовано снижение погонной энергии и применение многопроходной сварки [763. При объяснении явлений, приводящих к низкотемпературному охрупчиванию, определяющим считалось время пребывания металла в области высоких температур. Увеличение времени пребывания металла околошовной зоны и шва в области высоких температур способствует росту зерна аустенита при одновременном растворении карбидов и карбонитридов в аустените. При последующем охлаждении выпадающие в узком интервале температур карбиды ниобия и ванадия вызывают высокую концентрацию напряжений, что порождает низкотемпературное охрупчивание. При этом также происходят процессы ликвации элементов на границах зерен и образование новых нитридных фаз, что приводит к нарушению когерентной связи в межзеренных микрообъемах зтв[773.

Одной из причин снижения ударной вязкости высокопрочных сталей считается крупное зерно, выросшее в результате перегрева ( рис.1.7 ) [46,78,79]. Авторы работы [803 в качестве основной о о

Дж/см"1 120

100 80 60 40 20 0 к / ч, Ж

2 \

Т°,С

-80 -40 О

Рис 1.6. Изменение ударной вязкости основного металла (1) и участка перегрева (2) околошовной зоны стали 16Г2Б [9]

КСЦ-чрДж/см2

300

250

200 150

100

50 0

КСУ.ю^Дж/см2 I

1 1 1 у

-------- »—.—--дд^ м :

1 )

125

150

50

25

01 2345 678 9 10 Рис 1.7. Зависимость ударной вязкости металла ЗТВ от балла зерна в (по ГОСТ 5639-82): 1-сталь 10ХСНД; 2-сталь 14Г2АФ и 16Г2АФ; 3 09Г2С; 4-15Г2АФДПС [43] Or? — fW I причины, снижающей ударную вязкость зоны термического влияния высокопрочной низколегированной стали, называют крупное зерно аустенита, выросшее в результате перегрева. Считается, что увеличение размеров зерна приводит к уменьшению работы распространения трещины. В работе [36] отмечается, что в зтв сталей, микролегированных сильными карбидообразующими элементами, образуется хрупкий участок с укрупненными первичными зернами. В околошовной зоне, нагревавшейся свыше 1350°С, происходит растворение частиц карбидов ванадия, ниобия и титана, а также частичное оплавление карбонитридов этих элементов. В процессе охлаждения растворенные частицы выделяются в виде тонких пленок (Рис.1.8).

Вследствие растворения микролегирующих частиц в участке перегрева зоны термического влияния эта область обогащается микролегирующими элементами, а также углеродом и азотом. Повышенное содержание титана или ниобия при ¡г- di превращении вызывает появление структур игольчатой морфологии[72,81,82]. Часть микролегирующих элементов, в особенности ниобий[833 и ванадий[843, выпадает в виде межфазных выделений. Взаимодействие этих частиц с дислокациями ухудшает пластичность зоны термического влияния. Выпадение дисперсных частиц в области, имеющей крупнозернистую структуру, повышает температуру перехода в хрупкое состояние. В то же время наиболее слабым участком сварного соединения считается зона сплавления (Рис.1.9), примыкающая непосредственно к металлу шва. Эта зона состоит из частично оплавившихся зерен основного металла и характеризуется значительной химической неоднородностью [85,86,87]. В результате активного роста зерна и протекающего высокотемпературного превращения происходит миграция границ зерен. Границы при этом обогащаются легирующими элемента

Рис. 1.9. Схема изменения ударной вязкости в зоне термического влияния [35] ми и неметаллическими включениями. Под действием термического цикла сварки происходит подплавление этих участков[88,893.

В связи с различным коэффициентом растворимости в твердом и жидком металле происходит диффузия легирующих элементов [63, 90,91, 3 и углерода с образованием так называемой перлитной гряды и обезуглероженной прослойки[923. При повышении содержания углерода резко возрастает степень ликвации серы [9,933. Имеются сведения, что содержание серы в локальных объемах может увеличиваться более чем в 2000 раз[943.

Дальнейшая кристаллизация подплавленных участков может привести к образованию надрывов, а высокий уровень внутренних напряжений и деформаций будет способствовать перерастанию их в микро- и макротрещины. Сульфидные эвтектики ванадия[953 и других элементов выпадают в виде тонкой пленки по границам зерен. Наличие микронадрывов и хрупких фаз, имеющих большую площадь, снижает механические свойства этой зоны [963 и может вызвать необратимое падение ударной вязкости, которое не удается устранить последующей термообработкой [883. В связи с этим при сварке низколегированных сталей рекомендуется применять сварочные материалы с пониженным содержанием вредных примесей и использовать сварку на пониженной погонной энергии.

Авторы работы [973, считают, что на снижение сопротивляемости хрупкому разрушению по линии сплавления оказывают влияние карбиды ванадия, которые выделяются по границам зерен и значительно снижают вязкость стали. Однако одновременное легирование ванадием и азотом приводит к тому, что карбонитриды оказываются равномерно распределены в теле зерен феррита. Границы зерен очищаются от карбидов, это способствует повышению сопротивляемости хрупкому разрушению. Результаты, приведенные в работе [74], не противоречат этому мнению. В стали РеЕЗ- 55 совместное легирование титаном и ниобием препятствует росту зерна аустенита в околошовной зоне. Отмечается[98], что сварка на повышенной погонной энергии приводит к снижению количества дисперсных частиц ПЫ,-однако их плотность достаточно велика для предотвращения роста зерна. Уменьшение соотношения И/Ы приводит к снижению вязкости с увеличением погонной энергии.

Из вышесказанного следует, что металл, нагревающийся до под-солидусных температур, обладает пониженными механическими свойствами. В то же время ширина этого участка незначительна, однако при сварке на повышенной погонной энергии размеры этого участка настолько велики, что охрупчивание проявляется четко.

Анализ литературных данных показал, что высокопрочные стали, микролегорованные сильными карбидообразующими элементами, достаточно широко используются в строительстве, однако их применение в мостовых конструкциях ограничено. Имеются сведения об опытных попытках использования таких сталей. Одной из причин этого является низкотемпературное охрупчивание сварных соединений.

В настоящее время существует несколько точек зрения на причины, вызывающие это явление. Различными авторами высказывается мнение, что причинами, снижающими ударную вязкость, могут быть:

- образование закалочных структур;

- крупное зерно, выросшее в результате перегрева;

- образование микрохимической неоднородности по зоне сплавления;

- дисперсионное твердение, которое вызывают выпавшие карбонитриды или только карбиды.

Не существует единого мнения о режимах сварки, которые следует применять для обеспечения хладостойкости сварных соединении. При этом рядом автором высказываются диаметрально противоположные точки зрения. Это затрудняет создание оптимальной технологии сварки сталей данного класса и сдерживает их широкое применение.

Исходя из вышесказанного, можно сформулировать следующие задачи исследования:

1. Изучить причины низкотемпературного охрупчивания по линии сплавления стыковых соединений из сталей 10ХСНДА и 15ХСНДА, полученных в монтажных условиях.

2. Изучить влияние исходной структуры, сварочных материалов и способов термообработки проката на ударную вязкость сварных соединений.

3. Изучить влияние формы разделки кромок соединяемых элементов на хладостойкость сварных соединений и рекомендовать тип разделки кромок под сварку.

4. Изучить влияние водородного охрупчивания на хладостойкость сварных соединений сталей 10ХСНДА и 15ХСЩА, микролегированных ниобием и ванадием.

5. Разработать технологию монтажной сварки данных сталей, обеспечивающую получение свойств сварных соединений, удовлетворяющих требованиям нормативно-технической документации.

Т7 77 Л T~j Л f-j UATrniíA 7П 1 IX \ {ГГТГЛТТТ*!/ Л ТТОГЛГОГГТГПЧГТ-ГСТ 7ЛГ1Г1ТТТ7ЧТГЧП Л t ПЛТк i ¿lHDrt 1VLH i СГЛНЛП У1 iVIE. 1 иД-MrVH iirUDli^E.ril'La яииладип.чшш . 1 ВЫиир мЗ,Т SpIíSJIuE

Как отмечалось ранее, в течении ряда, лет в качестве основных материалов для изготовления мостовых конструкции применяются

-1 Г\\,'питг Л CZXrrtTJTT — TÍI-W-IT C^J-1 о -.и —

Licuivi ±ил1пд И ±илолД, ±зьшу иг.ЗемЫе Пи íui i и / io-^i, 3 В ииСЛедкие годы также микролегированные ниобием и ванадием стали

-1 Г\\ГГП ТТ7А -1 С\/П7 ПТ Л ,,-,,-r-. .--ч т.,, "ЛГ -t A -i С1 ОП Г\П

1ильг1др. п хильпдн, аьшу ur^ctfMbie ни и i*±~ * ушлиди n¿> этого, во всех экспериментах были исполъзовзны указанные стали промышленных плавок, х им ич в с кии состав и механические свойства которых представлены в таблицах 1.3,1.4 Т1ППТ prt-tn Г|И ТТ.Т -1 ,1 -1 СНОП ПО т-.,-, ™

LUÍ JJ.i=y:ílU XРt*UU±3dHWЯМ i Ubi О / XО-'г? i И i. J i-i- Х~Ü1 Ли- ÍJ|C , пуила.! кз указанных сталей выпускается трех классов и трех категорий. Деление кз классы производится по содержанию вредных примесеи в сталях и, прежде всего, серы и фосфорз, з деление нз категории -по структуре прокзтз после того или иного видз термической обработки. Структурное состояние прокзтз, вид его термообработки, а также содержзние вредных примесей в стали в зависимости от класса и категории приведены i. CÜJ a/i a íw л i, о целях выяснения влияния исходной структуры прокзтз PI чистоты металла по вредным примесям на чувствительность сварных соединении к низкотемперзтурному ох-рупчивзнию в опытах применялись дзнкые стзли всех категории и всех классов. При этом по содержанию фосфора и серы прокат промышленных плавок выбирался так, чтобы колебание этих элементов находились в пределзх мзрочного состава от и, 15 до 0,035 % весовых ,

В качестве сварочных материалов при автомзтическои свзрке соединений ручной дуговой сваркой марки УОШШЗ/55, выпускаемые по