автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка экспериментально-расчетного метода оценки технологической прочности при сварке высокопрочных сталей по щелевой разделке

РГ6 од

Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции / Я ' орсан,а Трудового Краевого Знамэни государственный'"технический университет имени Н.Э.Баумана

ГРИЦЕНКО Алексей Михайлович

РАЗРАБОТКА ЗЖПЕИШЕНТАЛЬНО- РАСЧЕТНОГО МЕТОДА ОПЕНКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ПРИ СВАРКЕ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЯ Ш ШЕЛЕВОЯ РАЗЛИЛ®

05.03.06 - Технология и машины сварочного производства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученей степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Москва - 1993

Работа выполнена в Московском ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени государственном техническом университете имени IIЭ. Баумана

Научный руководитель - к. т. н. , доцент ЯКУШИН Б. Ф.

Официальные оппонент- д.т.н., профессор Стекков О.И.

к, т.е., доцент ЧарнввскиЙ Д.М.

Ведуне предприятие - НПО "ВШ1М", г. Москва"

Защита состоится п\3» МЛ Я 1993г. ка заседании специализированного Совета К- 053.15.03 в Московском ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени государственном техническом университете имени Я Э. Баумана по адресу: 107005, МЬсква, 2-я Бауманская ул., д. 5.

Ваш отзыв на автореферат в 1 яка., заверенный печатью, просим выслать по указанному адресу.

С диссертацией тхно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. IIЭ. Баумана.

Автореферат разослан " Х'Ч-ЬсиеаЕ Г.

УЧЁНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

сгащшдтровАндаго совзт/

К Т.К. , ДОПЕНГ

Подписано к печати Ц')у, С/%, Объем 1,0 п. д. Тираж 100 эта. Заказ ¿'¿3 ' Типография МГТУ им. IIЭ. Баумана

ОБЩАЯ ХЛРАКТЁРИСТШ РАБОТЫ

Актуальность проблемы. иартенслгные стали, обладая высокими служебными свойствами, являются ва<шейшим иатериалоь в специальном машиностроении. Однако, по мере повыаенип прочности сталей закономерно снижается свариваемость, что вызывает усложнение технологии их сварки и понижает производительность сварочного производства.

Наиболее резко эта проблема проявляется при сварке тяжелых керпуешгх конструкций из мартен ситных сталей, оЗладаигах погьекниой склонностью как к холодным (при сварке феррито-иер-литньм швом), так и к горячим С при сварке аустениткьвд швом) трещинам. Леоспектизнкм является использование аустенитко-фер-реткыл сварочных материалов,. обеспечиЕаших повыиенкуп стойкость против горячих трепин в пве и холодных в СШЗ огловремен-ко, а также применение способа сварки по кэлэвей разделта, где число про ¡голов снижается в 2-3 раза по сравнению с Х-образной разделкой и, соответственно, увеличивается произведете л:. кость. В этих условиях необходимо с на то ина s реиеше проблгмк г.с свариваемости, производительности я стоимости спаосчаих рабег. Традиционное экспериментальное решение этой задачи с помощью проб при сварке толстост5йКЫХ конструкций из термо упрочненных сталей является весьма трудоемким, в связи с больпими затратами на изготовление образцов, их сварку, разрезку и анализ.

Необходима разработка экспресс-оценок сопротивляемости горячим .трещинам на базе расчегйос или экспериментально-расчетных методов. Однако, на современном этапе расчетные методы оценки слабо развиты и имеют," как правило, вид статистических моделей, безотносительно к технологии сЕарки. Это не позволяет их использовать применительно к сварке тяжелых корпуенкх конструкций, когда требуется сопоставление реального темпа дейси-магии сварного соединения с критическим, зависящих как от/металлургических, так и технологических факторов. Таким образом, необходимо создание зксшрнмвяталмю-расчэтнсго метола оценки технологической прочности, , учитывающего одновременное влияние химического состава ьйталла шва и релтма caspra.

иель ра6оты._ Обеспечение условий свариваемости мартексит-ных сталей путем оптимизации технологии сварки на основе разработки экспериментально-расчетного метода оценки технологической прочности.

Штоды исследования. Сопротивляемость образованию горячих трещин определялась по количественной методике МВТУ и статистическим моделям. Влияние режима,сварки на параметры сварочной ванны исследовалось с применением метода "выдувания" жидкого металла из-под дуги. Уравнение поверхности фронта кристаллизация, и направление роста кристаллитов при объемной схеме кристаллизации рассчитывались из условия ортогональности осей кристаллитов к поверхности фронта кристаллизации с использованием метода Роэекброкз на ЗБЫ СМ-4 и ПЭВМ типа IBM/PC. Содержание остаточного феррита определялось с помощью прибора Forstsr. Распределение легирующих элементов изучалось на сканирующем электронном микроскопе РЭМ-100У. Коэффициенты регрессионного уравнения получены с применением пакета статистической обработки данных "STATGKAPH".

Научная новизна. В результате проведенных исследований разработана методика экспериментально-расчетного определения показателя технологической прочности, предусматривающая комплексную оценку влияния химического состава и режима сварки, на основе которой:

1. Установлено, что для аустеиитно-ферритных швов снижение показателя технологической прочности при возрастании тока и скорости сварки пропорционально увеличению угла срастания кристаллитов в сзарном шве в условиях направленной объемной схемы кристаллизации, и определен коэффициент кореляции межу показателем технологической прочности и углом срастания крис-т шиитов равный 5,11*10 и/к*рад.

2, Разработана регрессионная модель, учитывающая влияние химсостава металла шва на сопротивляемость горячим треданам при фиксированном режиме сварки для хромоникелевых сталей аус-тенитно-фзрритного класса, которая имеет вид линейной зависимости показателя технологической прочности от хром-никель эквивалента (E(CiVNt), 4ерритного числа (FN) и содержания вредных примесей серы и фосфора (P+S).

Практическая ценность работы заключается в разработке комплекса средств для экспериментально-расчетной оценки технологической прочности, включая создание компьютерных программ и экспериментально-исследовательского оборудования с компьютерным управлением, а такие рекомендаций по совершенствованию технологии сварки по щелевой разделке, позволивших увеличить

производительность в 1,6-1,7 раза при обеспечении необходимого уровня технологической прочности.

Апробация работы. Результаты проведенных исследований докладывались на' научно-технической конференции сварщиков г. .Ленинграда в ЛШГГП в 1930 г., на конференции свараиков СНГ, проводимой ^СТУ им. Н. 3. Баумана в 1093 г. и на научном семинаре кафедры "Ыашиньг и автоматизация сварочных процессов" МГТУ им. Е Э. Шумана в 1992 г.

Структура л объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, сбиих выводов по работе и приложения. Выполнена на 208 машинописных листах, содержат 53 рисунка, 12 таблиц и 107 наименований использованных литературных источников.

Глава 1. ГЬсЕяш/эна анализу проблем, возникающих при сварке корпусных конструкций из высокопрочны* сталей. Рассмотрены применяемые технологии и способы сварки, причины и механизм образования горячих трещин в аустенитных швах, а такай методы исследования технологической; прочности. Шкааана необходимость экспериментально-расчетной оценки сопротивляемости образованию горячих трещин, которая должна учитывать в равной мере влияние химсостава, и режима сварки.

Для производства крупногабаритных тяжелых корпусных конструкций применяют листовой прокат из высокопрочных термоупроч-ненных сталей типа 30ХУЛ, 30Х2НМА толщиной до 100 мм. харакгв-ригуемых как ограниченно свариваемые. Проблема сварки высокопрочных сталей состоит в обеспечении их свариваемости, а, следовательно, и надежности сварных соединений.

Комплексное легирование этих сталей углеродом, хромом, молибденом и никелем обуславливает повышенную склонность к образованию горячих и холодных трещин при сварке. Существуют два альтернативных4 технологических варианта сварки рассматривав.«« конструкций: феррито-перлитным и аустенитным игаом. При сварке по первому варианту высока опасность возникновения холодных трешин в околошовной зоне (0!1Ш. Чтобы предотвратить их необходим высокотемпературны?, подогрев для уменьшения процента мартенсита в структуре и содержания водорода, 1 что неприемлемо для сложных крупногабаритных конструкций из термоупрочненных сталей и поточного производства. Второй вариант требует применения однофазных аустенитр'-гх сварочных материалов с большим

я

«

¡запасом аустевитноет Однако, однофазная кристаллиеация еы&ы-ьает повышенную склонность к образованию горячих трещин при сварке за счет выделения по границам кристаллов легкоплавких , эвтектических: прослоек. Чтобы снизить опасность возникновения горячих трещин существующая технология сварки предусматривает сварку на пониженных режимах, что существенно снижает производительность.

В случае многопроходной сварки больших.толщин значительно повысить производительность позволяет применение технологии сварки по щелевой раздела, при которой снижается число проходов, объем механообработки, расход свариваемых материалов, а такяк повышается прочность за счет эффекта контактного упрочнения "мягкой" прослойки. Однако, теплофиаические условия, присущие данной технологии, приводят к условиям кристаллизации, приближенным к "плоской" схеме, и, тем самым, усиливают склонность к высокотемпературным разрушениям, особенно при выполнении корневого прохода

Для сварки по целевой разделке термоупрочненных сталей необходимо использование сварочных материалов, обеспечивающих 'повышенную стойкость против горячих трещин в шве и отсутствие холодных трепан б ОШЗ. Это может быть достигнуто с помощью компромиссного варианта - применением двухфазных сталей аусте-нитно-ферритного класса, поиск которых и разработка технологии сварки требует комплексных методов исследования свариваемости. Существующие методы оценки технологической прочности нацелены на избирательный анализ и не предусматривают обобщенной количественной оценки.

К настоящему времени выполнено значительное число научных работ, иссвяшенных анализу причин хрупкого разрушения в процессе кристаллизации. В работах IIН. Прохорова, Б. А. Ыовчана, М. X. ИЬршороаа, Т. А. Черншювой, Е И. Медовара, С. Лун дина, И. Грикняка, Д. Борланда и других указаны пути повышения технологической прочности, основанные на анализе металлургического аспекта проблемы, но не учитывающие роль технологии и, в частности, релина сварки. С другой стороны, в работах Б. Ф. Якушина, Г. «V Славина, К Вилкен, А. Же лева вам анализ технологического аспекта проблемы и установлена зависимость технологической прочности от режима сварки. Применив в качестве показателя технологической прочности критический темп деформации (&;р), а -1 •

в качества'критерия режима сварки - произведение мощности дуги на скорость сварки (Я^Усв), в работах ЕФ. Якушина выявлены однотипные зависимости йф=Г(Ю, имэюде одинаковый характер для сплавов различного химсостава. Для определения текшего значения показателя технологической прочности (Вер) необходимо знать его максимальное значение (Вкро), которое предлагается определять по влиянию химсостава на фиксированном оптимальном реязше, и его относительное сЕшшкие (К)-при увеличении критерия режима сварки, которое учитывается за счет изменения схемы кристаллизации.

Однако, такой метод оценки технологической прочности требует большого объема экспериментов для оценки показателей свариваемости в широком диапазоне реяимов и химсоставов, что особенно трудоемко при сварке тялелых корпусных конструкций из. териоупрочненных сталей. .

Предполагается, что решение этой проблемы может быть достигнуто при помощи экспериментально-расчетного метода, учитывающего суммарное влияние металлургических и технологически* ¿акторов на сопротивляемость образованию горячих трещин.

В соответствии с вышеизложенным в диссертационной работе решались следующие задачи;

1. Выявление функциональных связей между показателем технологической прочности и параметрами схемы кристаллизации аус-тенитного шва

• 2. Определение влияния параметров объемной схемы кристаллизации на сопротивляемость горячим трещинам при варьировании режима сварки.

3. Определение влияния критерия химсостава металла пва на сопротивляемость -горячим трещинам при фиксированном реииме сварки. • . -

4. Разработка методики определения показателя технологической прочности, учитывающего влияние режимов сварки и химсостава металла шва.

5. Совершенствование оборудования для реализации высокоэффективных методов оценки сопротивляемости образованию горячих трещин. .

6. Разработка рекомендаций по повышении технологической прочности при сварке.тяладых корпусных конструкций по одэлевой разделке. ' •

Глава £. Посвящена исследованию функциональных связей мевду технологической прочностью металла шва и режимом сварки. Для анализа влияния параметров .режима сварки на технологическую прочность были Еьйраны серийно применяемая сварочная проволока Св-ШХ20ШГ7Т и дополнительно - Св-СтавШТЮ и Св-08Х19ЮС£С2, которые принадлежат одному аустенитно-фер-ритному структурному классу.

Сварка по щелевой разделке имеет особенности, связанные с тем, что дуга горит в узком зазоре между стенками разделки. Напряжение дуги зависит от размера зазора, а условия качественного формирования шва при сварке по шэлевой разделке требуют такой комбинации тока и скорости сварки, чтобы площадь поперечного сечения ива оставалась постоянной при изменении параметров рездама.

Для выбора значений силы тока и скорости сварки, которые удовлетворяет указанному условию проведены экспериментальные, исследования с использованием теории планирования многофакторного эксперимента Установлено, что качественное формирование шва обеспечивается, если площадь его поперечного сечения составляет около 100 кв. мм, что позволило получить зависимость силы тока С АЗ от скорости сварки Си/с] при которых сохраняется это значение:

I - 147,7 + Б7,26*10""3 * Уев (1)

Данная зависимость в дальнейшем была использована для выбора режимов сварки по щелевой разделке при оценке технологической прочности. Сварка образцов проводилась на значениях скорости сварки от 1'4 .до 23 и/ч (3,89*10~3 - 6,39*10~3 м/с) и, соответственно, значениях тока от 200 до 380 А. Диаметр электрода - 2 мм, вылет - 40-46 им. В качестве защитного газа применялась смесь 851 Аг + 15% С02, что обеспечило струйный перенос металла и эффзктивнуо ваш.л у от окисления.

При испытаниях образны сваривались встык и нагружались по схеые трехточечнего изгиба, что позволило получать в вершине Ева поперечные растягивающие деформации и приводило к образованию продольных горячих трещин, характерных для реальных конструкций. Испыгывался металл шва корневого прохода, как наименее стойкий. Ш значениям критической скорости растяжения и средней скорости охлаждения металла шва в ТИХ вычисляли критический теми деформации Вкр См/грая]. Значения критического б

темпа деформации установлены на различных режимах сварки для 1саждого исследуемого химсостава сварочной проволоки. Поскольку изменение тока и скорости сварки обеспечивает одинаковую площадь шва, химсостав наплавленного металла оставался практически неизменным. Это позволило оценивать технологическую прочность металла шва, учитывая влияние режима сварки, так гак при установленных условиях' остальные факторы на изменяются.

Принял в качестве критерия рекима (И) произведение яффэк-тиг.ной мощности дуги на скорость сварки, установлены функциональные зависимости между показателем технологической прочности (Вкр) и указанным критерием для каждой марки сварочной проволоки. Они имеют однотипный вид кривых с маюсимумом. Наибольшая сопротивляемость ' горячим трещинам наблюдается для марки 07Х18Н9ТЮ, наименьшая - 08Х19ГОЕСС2. Ее изменение пропорционально логарифму критерия режима !?. При введении полулогарифмической системы координат Функции Вкр=П 1дЮ носят линейный характер (Рис. 1. а) и описываются уравнением:

Екр - Бкро - ИМеСК/Яо) (2)

Указанные выше зависимости получены при кристаллизации шва по объемной схеме. Они подтверждают установленнуп ранее Б Ф. Якушиным и II Г. Галямевыи Физическую модель для плосютй схемы кристаллизации. Характер функций Вкр»ПГ?) остается неизменным, так как определяется объективными процессами, происходящими в.металле пша при кристаллизации. Практический интерес при оценке технологической прочности представляют высокопроизводительные режимы, расположенные правее оптимального значения - соотзетствупаэго максимальному значения показателя Екрс (Рис. 1.а).

Превалирующее влияние на технологическую прочность оказывает схема кристаллизации, обусловливающая совокупность углов, под которыми участки кристаллитов встречаются в зоне срастания. В результате металлографического" анализа устакослено. что при возрастании критерия регат I? угол срастания кристаллитов в центре ива постепенно увеличивается до тех пор, пока не образуется стык двух фронтов в виде переплетения вершин кристаллитов. Для определения относительного снижения показателя технологической прочности при увеличении режима был ЕВвден крите. рий макроструктуры, выраженный Через угол срастания кристаллитов (8). Поиск аналитических решений показал, что предлоетшыч

Е Н. Прохоровым формулы для определения направления осей кристаллитов рассматривают частные случаи поверхностей (эллиптические, параболические, конически?), описываемые квадратичными уравнениями. При анализе полученных экспериментальным путем форм сварочной ванны, определено, что при.сварке по щелевой разделке данйые решения не могут быть использованы, так как поверхность фронта кристаллизации отличается от рассмотренных случаев. Это требует решения задачи в общек виде с применением численных методов. ' •

Для расчета пространственного угла срастания кристаллитов создана компьютерная программа, основанная на принятом ранее условии ортогональности осей кристаллитов к поверхности фронта кристаллизации, которая определяет пространственное положение ортогонали к этой поверхности (Рис.2). Численное значение угла срастания кристаллитов (0) зависит от координат точки А, в которой борется нормаль к поверхности фронта кристаллизации, поэтому расчет велся при постоянных значениях относительных координат т.А (Кхо, Куо'.Кго"), выбранных таким обрааок, чтобы обеспечивалось подобие ее расположения на поверхности. После проведения расчетов были получены зависимости угла срастания кристаллитов от критерия режима сварки, которые в полулогарифмической системе координат имеют линейный характер (Рис. 1.6). В форме подобной уравнению (2) южно записать:.

8 - 6о + т*1е(й/!?а) (3)

Путем решения системы уравнений (2) и (3) определен коэффициент кореляции межу показателем технологической прочности (Вкр) и углом срастания кристаллитов (8), равный 5,1*1*10"'' ы/к*рад. В итоге ^ учитывая влияние угла с растащи кристаллитов и используя коэффициент шредяции, для сварочных материалов и условий сварки, близких к уже исследованным, относительное снижение (К) показателя технологической прочности при увеличении критерия режима сварки (Ю определено расчетным путем и составляет К-10,2*10'6 ' Км/к)/1еЮ. Для оценки новых сварочных материалов и технологий сварки при использовании разработанных расчетных программ возможно значительно сократить 'экспериментальные исследования'и ограничиться проведением испытаний для получения опорных данных.и контроля достоверности расчетов. •

Таким образом, установлены функциональные связи между 8 ■'''■'. ■ ' •

технологической прочностью и схемой кристаллизации от режима сварки, а также созданы расчетные программы, что позволило предложить экспериментально-расчетную модель оценки сопротивляемости горячим трещинам, которая достоверна для условий сварки, приводящих, к получении швов со столбчатой макроструктурой. ' \\

Глава А Шсйяшена исследованию влияния химического состава металла,'шва ^сопротивляемость образованию горячих трещин. Рассмотрены вопросы, связанные с расчетными*и экспериментальными методами оценки технологической прочности металла шва аустенитно-ферритных сталей..

Фазовый состав- высоколегированных аусгенитиых сталей зависит от соотношения легкрующ« элементов ферритизаторов ССг.Э!,Мэ,Т1, А1,НЬ,У,V) и аустениэатороа (М1,С,Со,Мп,Си,М,В), комплексное влияние которых определяет свойства металла шва Рассматривая, псевдобинарную диаграмму Ре-Сг-1Л, различные исследователи отмечают три основных способа образования первичной структуры л процессе.твердения металла ива: с первичной кристаллизацией' аустеиитной Фазы, когда остаток.расплава в междендритном пространстве затвердевает как эвтектика, и с первичной кристаллизацией ферритной фазы, когда образовавшиеся дендриты в процессе охлаждения преобразуютая в аустенит, а также с двухфазной кристаллизацией. 4 Одновременное выделение двух фаз из жидкого металла приводит к получению мелкой дезориентированной структуры, когда ферритная фаза может сохраниться в ядре дендритов и после охлаждения, в результате чего вероятнЬсть образования горячих трещин уменьшается.

Недостаточность сведений о соотношении объемов жидкой и твердой фаз, температуре плавления, смачиваемости хидкостьй твердой фазы, эффективных коэффициентах распределения элементов в неравйЬвесных условиях сварки не позволяет разработать обобщенную физическую модель, связывающую сопротивляемость образованию горячих трещин и химический состав металла шва. Поэтому, во «всех известных работах такие вависимости строятся на основе статистических моделей и регрессионного, анализа

Для оценки влияния химсостава в настоящее время известно около десяти различных расчетных показателей образования гора-чих трещин. Предварительная проверка возможнАти использования этих уравнений -показала значительный разброс результатов рас-

0 -

чета и экспериментальных данных, что, вероятно," объясняется различием в режимах сварки при проведении исследований, допустимые отклонения которых не приводятся. Это вызвало необходимость получения новой регрессионной модели для оценки состав-дащей Екро показателя технологической прочности, которая отражает влияние химсостава. ■

При построении расчетной модели, за ее основу была принята линейная зависимость показателя технологической прочности 'от хром-никель эквивалента <ЕС Cr/U J), ферритного числа (FN) и содержания вредных примесей серы и фосфора (P+S). После статистической обработки экспериментальных данных было получено уравнение, все коэффициенты которого являются значимыми*.

Вкро=! -3,779 Ь2,331 *Е( Cr/N i НО, 4961 *FH-47,33*( P+S) ) *10~ 7 (4) . • Применение полученной модели для оценки сопротивляемости горячим трещинам значительно сократит число экспериментальных исследований при определении показателя технологической прочности в зависимости от химсостава металла шва. С другой стороны, известно, что статистические методы обработки данных направлены на построение моделей, которые носят вероятностный ха- • растер и не могут полностью заменить, но весьма аффективно дополняют экспериментальные исследования. В атом случае необходимо проведение экономного (по времени и затратам) эксперимента, подтверждающего или корректирующего модель. При оценке сопротивляемости горячил трещинам 'этим требованиям отвечает испытания образцов с имитацией термодеФормационного сварочного-цкма. необходимо отметить,', что закристаллизованный к прокатанный металл имеот различную зависимость пластичности от температуры, поэтому образцы для испытаний вырезались из сваренных по целевой разделке пластин, что обеспечивало в испытуемом сечении закристаллизованный металл шва.

Оценка технологической, прочности проводилась на машине для исследования свариваемости МИС-1, позволявшей нагревать по заданной программе испытуемый образец.с его одновременным деформированием. Установленные в имитационное приспособление образцы нагревались по закону, соответствующему реальному термическому циклу, который был получен при сварке образцов со долевой . разделкой. Плавно увеличивая от опыта к опыту старость растятата образцов определяли величину критического теша де-, (формации Якриы металла в TJfX, при которой происходит хрупкое 10

меакристаллическое разрушение образца.

Сравнивая результаты испытаний при имитации сварочного цикла для сплавов 08Х20ШГ7Т, 07Х18ЮТ10 и 08ХШ19КС2, а тага® результаты, полученные при сварке этими же проволоками, установлена кореляшонная связь между показателями Всро и Вкрим. В атом случав регрессионное уравнение (4) с учетом'значения коэффициента ко реляции Ким^О, 169 для случая испытаний с имитацией сварочного -цикла можно записать в следуншм виде: Вкрим=(-2,23б+1,379*Е(Сг/Н1)+0,2936*ГМ-28,01*(Р+2))*10"6 (Б)

Если при оценке технологической прочности новых материалов экспериментальные данные, полученные при испытаниях с имитацией сварочного цикла, имеют хорошую сходимость с результатами расчета по формуле (5), то влияние химического состава металла шва на мисазатедь технологической прочности Вкро определяется по уравнению (4) без корректировки регрессионной модели.

Таким образом, установление кораляционньа связей между Вкро и - Верим, дало возможность оценивать влияние химсрстава металла шва на технологическую прочность по экспериментально-расчетной методике с проведением экономных экспериментальных исследований при использовании регрессионных моделей, которые достоверны для Ге-Сг-Ш сплавов, имеющих аустенитно-фер-ритную структуру, применение которых при дуговой сварке ыар-тенситных сталей по шалевой разделке является предпочтительным. • • '• Глава 4. Лосвяаена разработке основных положений по применении) экспериментально-расчетного метода оценки технологической прочности, а тага® вопросам создания нового исследовательского оборудования для реализации этого метода.

Для прогнозирования стойкости сварных соединений против образования горячих трещин необходимо количественно оценить уровень технологической прочности в зависимости от химсостава металла шва и режима сварки. 11а основе проведенной работы был создай алгоритм определения показателя технологической прочности. Общая схема действий по разработанной экспериментально-расчетной методике предусматривает действия по еле душны двум основный направлениям - первое: определение максимального значения показателя технологической прочности (Вкро) в зависимости от химсостава для различных сварочных материалов на ои-' 11

•гимальном рекиме сварки, и второе: определение относительного снижения этого показателя в зависимости от критерия режима (ГО при переходе на более производительные режима.

По первому направлению проводятся исследования технологической прочности при сварке или имитации сварочного цикла для материалов различного химсостава экспериментальными и расчетными методами с использованием полученного регрессионного уравнения. Второе направление предусматривает оптимизацию ре-, жима сварки по критерию макроструктуры шва При ¿том произво-' дится расчет параметров' уравнения фронта кристаллизации и пространственного угла срастания кристаллитов для случая объемной схемы и определяется* степень снижения (К) показателя (Вкр) при увеличении критерия режима (Я). После, учета влияния . химсостава и режима сварки критический темп деформации рассчитывается по уравнению (2). Последовательность.действий по данному алгоритму различается в зависимости от накопленного банка данных по способам сварки, используемым "сварочным материалах« и типам соединений. Оценка сопротивляемости горячим трещинам при помоии экспериментально-расчетного метода подтверждена данными испытаний натурных образцов.

Апробация предложенного метода была проведена при оценке технологической прочности нового сварочного материала 04Ж2ГОМЗТЮ, разработанного во БНИИСтали, вместо применяемого в настоящее время 03320Н9Г7Т. Рекомендации по повышению Технологической прочности и оптимизации технологии сварки основывались на сопоставлении критического темна деформации, определенного для исследуемого материала, и темпа деформации реапь-ного натурного образца ' с использованием вероятностного под-, хода (Рис.3). Доведенные исследования показали, что применение для сварки по шёлевой разделке проволоки 04Х22НЗМЗТЮ, имеющей повышенную сопротивляемость горячим трешкам, дало возможность повысить значение критерия режима до !?кр=0,05Э кЛж*м/о2 (что соответствует 1-360 А и Усв=5,83*10" ^с^ и/ч) по сравнению с 08ЭЕ0Н9Г7Т, у* которой (Зкр-О.ОЗЗ кДк*м/сг (ЬЗОО А и Усв=4,17*1(Г3 м/с-15 м/ч), без снижения уровня технологичес- > кой прочности. . .

Для экспериментальной • оценки технологической' прочности Сьаа разработана и создана при участии диссертанта машина дл?

Данные Шзфедя ЕВ. 12 * "

исследования свариваемости ШС-l, имеющая аналоговое и компьютерное управление. Принцип действия МКС-1 основан на модели. равании металлургических к тепдофизичеекях процессов сварки для металла шва и зоны термического влияния по ГОСТ 26388-84 и ГОСТ 26389-84 и позволяет проводить оценку сопротивляемости горячим и холодным трещинам металла шва и околошовной аоны, а тага® механические свойства в интервале температур от 20 град, до Тплавх Применение ПЭВМ типа IBM/PO, : связанного через НАГЬАЩ преобразователи с исполнительным блоком машины, и специально рааработанных управляющих и расчетных компьютерных программ обеспечивает моделирование термического и деформационного цикла по различным законам, а также возможность автоматизированной обработки результатов, и создания банка данных. 1й своим техническим возможностям МКС-1 не уступает, а по некоторым, и превосходит зарубежные аналоги.

Таким образом, обеспечение свариваемости мартенситных сталей на высокопроизводительных режимах достигается путем оптимизации технологии сварки и применения аустенитно-ферритных сварочных материалов, которые рекомендованы в результате исследований, проведенных с помощью разработанного экспериментально-расчетного метода оценки технологической прочности.

ОБЩЕ вывода

1. При многопроходной сварке крупногабаритных конструкций из высокопрочных сталей по нулевой разделке аустенитно-феррит-ными швами установлено, что, по сравнению с Х-обрааной разделкой наряду с повышением в 2-3 раза производительности, возрастает дефектность формирования швов и склонность к образование горячих трещин, особенно в корневом проходе. Для оптимизации технологии сварки необходима комплексная методика, предусматривающая оценку сопротивляемости горячим трещинам с учетом влияния металлургических и технологических факторов.

2. Установлено, что дефектность формирования швов, обусловленная теилофизическими условиями сварки по делабой разделке шириной 8; 10 ш, предотвращается, если площадь поперечного сечения ива составляет около 100 кв. мм, а ток и скорость сварки являются при этом зависимыми величинами.

3. При сварке толстолистокого металла по далавай разделке установлено, что зависимость показателя технологической проч-

13.

ности Вф от критерия режима сварки J?=q*VcB при неизменном химическом составе металла ива, имеет вид кривой с максимумом, а снижение показателя Вкр на производительных режимах функционально связано с увеличением угла срастания кристаллитов, отражающего изменение схемы кристаллизации.

4. Создана компьютерная программа, позволявшая описать поверхность фронта кристаллизации и рассчитать угол срастания кристаллитов, как угол между ортогоналями к этой поверхности, й условиях объемной схемы кристаллизации аустенитно-Ферритных сталей, и на ее основе определено относительное снижение

_ с

(¡МО,2*40 ) показателя технологической прочности Вкр при увеличений критерия режима свгфга R.

5. Установлена кореляционная связь между показателями технологической прочности' при сварке образцов и при имитации сварочного цикла, что объясняется идентичностью природы образования горячих трешин по ликвационным ыэккристаллиткым "прослойкам в сравниваемых способах.

6. Для учета влияния химического состава аустекитна-Фер-ритных сплавов с содержанием ферритпой фазы до 16-2СК. разработана регрессионная модель определения показателя технологической прочности Вкро на фиксированном режиме, р. включающая в качестве параметров хром-никвль эквивалент Е(Сг/Н1), ферриткое число FN и суммарное содержание вредных примесей серы и фосфора (Р+3).

7. На основе полученных закономерностей разработана экспериментально-расчетная методика, предусматривающая комплексный полход и количественную опенку сопротивляемости горячим трещинам . с учетом влияния металлургических и технологических факторов.

8. Разработаны рекомендации по экспериментально-расчетному выбору двухфазных аустенитно-ферритных сварочных материалов и технологий, обеспечивающих,отсутствие горячих трещин в толстолистовых конструкциях при сварке по щелевой разделке, осно-

- ванные на сравнении полученных зависимостей критического темпа деформации от режима сварки и темпа деформации иесткой пробы, адекватной реальней сваоной констругашн.

9.- При участии диссертанта соадана и передана в НПО"ВйАЫ" испытательная каягаиг дли исследования свариваемости МйС-1, имеющая аналоговое и компьютерное управление, что позволяет !4

проводить экспериментальную оценку сопротивляемости образованию трешин различной природы, в том числа при имитации сварочного цикла, расчетную обработку результатов, а также создавать базы данных, реализуемые на ПЭЖ

Основное содержание диссертации отражено в работах: 1. Якушин R Ф., Гриценко А.М., Гаджиев ЕГ. Расчетно-экспериментальный метод определения сопротивляемости металла шва образованию горячих трещин // Сварочное производство. - 1991. - ?) 4. - С. £9-32.

г. К с. 1609589 СССР, ШШ B23R Е8/00. Способ оценки сопротивляемости образованию горячих трешин н устройство для его осудествдения /Б.©. Якушя, А. М. Гриценко, Л. О. Буланенков //Eli - 1991. - N 2. - С. 23.

3. Якушин В. Ф., Гриценко А. Н. Испытательная машина исследования свариваемости // Автоматизация в сварочном производстве: Материалы научна-технической конференции сварщиков Урала и Казахстана. - Ижевск, 1989. - 4.1 - С. 57-58.

4 з

Цтл

so

S)

Рис, 1. Зависимость Вкр (а) и в (61 of R в полулогарифмической системе координат: 1-07Х18Н9Щ 2-ОаЖОН0ГГГ;' й-ОаХШШНЯ

Рис. 2. Схема определения направления роста оси кристаллита (п- п) из произвольной тоща) АС Ко, Yo, Zo)

a)

0,5 О

Рис.3. Влияние режима сварки и химсостава на величину sanaca технологической прочности (а) и вероятность образования горячих тревдн (C):IíKpi и Ккр,. -критические режимы свар-га; для сплавов ОЗЖОМГЛ и 04Я12ШМЯТП. соответственно \