автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка расчетно-экспериментальной методики оценки высокотемпературной прочности металла шва в процессе электрошлаковой сварки

Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени государственный технический университет имени Н.Э.Баумана

* , На правах рукописи

ОВЕШНИКОВ Александр Васильевич

УДК 621.791.ОН

РАЗРАБОТКА РАСЧИНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МЕТОДИКИ ЩЕНКИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПРОЧНОСТИ МЕТАЛЛА ■ ШВА Б ПРОЦЕССЕ ЭЛШГРСШ1АК0В0Я СВАРКИ

05.03.06 - Технология и машины сварочного производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москве -1992

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

Научный руководитель - д.т.н.,профессор )ШН0КУР0В В.А.)

- к.т.н., с.н.с. КУРКИН A.C.

Официальные оппоненты: Д.т.н., профессор ШМКЕВИЧ А.И.

к.т.н.. с.н.с.

ПРОХОРЕНКО В.Д.

Ведущее предприятие - ВНЖИонтажспецстрой

Защита состоится "/4 я juhJ _1992г. на заседании

специализированного Совета К 053.15.03 в Московском ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени государственном техническом университете им.Н.Э.Баумана по адресу: 107005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5.

Ban отзыв на автореферат в I экз., заверенный печатью, просим выслать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э.Баумана.

Автореферат разослан "/3 " ¿tftftäJJl 1992p .

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО СОВЕТА . _ „ „___

К.Т.Н.,ДОЦЕНТ В.Й.ШРШ

Подписано к печати 0&-ОчУ2(&ьъи 1,0 п.л. Тираж 100 экз. Заказ ' Типография ЖТУ им. Н.Э.Баумана

• | . 0Е1ДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБСЛК

. Л <

------^--'Актуальность проблемы. Повышение, в экономически оправдании*

пределах, единичных мощностей машин и оборудования связано с необходимостью увеличения абсолютных размеров сечений и длины многих тяжело нагруженных деталей и элементов конструкций. 1«ассиБНые заготовки для таких деталей, как правило, получают с использованием электрошлаковой сварки (ЗШС). В настоящее Еро^ для обеспечения необходимых характеристик выпускаемого оборудования и уменьшения его металлоемкости требуется сваривать электрошлаковыы способом легированные стали повышенной прочности с пределом текучести

в'г = 500... 600 Ша. Сварка таких сталей по технологиям, отработанным на низкоуглеродистах низколегированных сталях, нередко сопровождается образованием в металле пива либо околошовной зоны (С1иЗ) недопустимых дефектов типа горячих трецин. Аналогичные проблем I возникают и при выполнении электрошлаковым способом швов со сложным контуром поверхности сварочной ванны: О-сбразных (сварка вложенных одна в другуо осесимметричных деталей) и П-образных (заварка пазов при ремонте массивных отливок и поковок), на сталях, технология сварки которых считается освоенной. Чтобы избежать значительных материальных потерь от брака, в указанных случаях целесообразно перед сваркой изделия оценить возможность получения сварного соединения без горячих трещин в условиях использования ытат-ной заводской технологии. Для проведения такой оценки необходима отвечающая современным требованиям методика.

Цель работы заключалась в создании расчетно-эксперикенталь-ной методики для оперативной оценки возможности выполнения электрошлаковых швов сложной конфигурации без образования горячих трещин.

Методы исследования. Определение температурных полей, деформаций и напряжений в процессе ЭШС проводилось с использованием теории нелинейной терма- упруго-пластичности и численного метода конечных элементов. Расчеты производились на персональной ЭВМ типа 1Ш РС АТ (363/387) с использованием программного обеспечения, написанного на языке Си. Механические свойства стали 25Д были определены при испытаниях трубчатых образцов на кручение в термодо-формационных условиях ЭШС на установке РПТ-З. Сопротивляемость металла образованию горячих трещин оценивалась при испытаниях на изгиб образцов, свариваемых электроццткоБьш способом, на специаль-

I

но созданной установке при программированном нагружении.

Научная новизна работы связана с раскрытием закономерностей деформирования металла шва сложного контура в температурном интервале хрупкости СШХ) при электрошлаковой сварке сталей типа 25Л. Установлено, что:

особенностью круговых швов, соединяющих осесиыметричные детали, по сравнению с аналогичными прямыми швами, являются существенно больше собственные поперечные деформации удлинения в ТИХ, повышающие опасность образования горячих трещин; снижение темпа деформаций металла ива в ТИХ в 1,5...4,5 раза и повышение стойкости против образования горячих трещин может быть достигнуто за счет" смещения во времени интенсивных деформаций удлинения по отношении к прохождению ТИХ путем конструктивно-технологических воздействий.

характер распределения поперечных деформаций металла в процессе иК П-образных ремонтных швов зависит от соотношения размеров завариваемого паза; деформации удлинения в ТИХ, опасные в отношении образования горячих трещин, возникают при глубине завариваемого паза, составляющей более 0,7 от ширины.

Практическая ценность работы

1. Создана установка для программированных испытаний металла сварного соединения на стойкость против образования горячих трещин в процессе ШС. Установка эксплуатируется в МТУ им. Н.Э.Баумана. Техническая документация на ее изготовление передана в ПО НКЮ (г.Краматорск).

2. На основании разработанной методики проведен анализ возможности использования электрошлакового процесса, соответствующего нормативной документации ПО ШИЗ, для заварки пазов шириной 600... 1200 мм и глубиной 300...500 мм в шаботах из стали 25Л. Практические рекомендации переданы в.ПО НКМЗ,

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Всесоюзной конференции "Прочность и диагностика сварных консгрук- . ций" в г.Твери и на научном семинаре кафедры "Ыашины и автоматизация сварочных процессов" МГГУ им.. Н.Э.Баумана.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из.введения, четырех глав, общих выводов и результатов, приложения. Выполнена на 103 мяшинсписных листах, содержит. 63 рисунка, 7 таблиц и 92 наименования литературных источников. . .

Z

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, содержатся краткие сведения о характерных случаях, требующих оценки высокотемпературной прочности в процессе ЭД1С.

Первая глава посвящена анализу состояния вопроса. Образование горячих трещин в процессе ЙШС определяется двумя факторами:

свойствами металла сварного соединения и напряженно-деформированным состоянием (НДС) конструкция. При. охлаждении металла от температур, близких к температуре равновесного солидуса, его прочность и пластичность остаются на весьма низком уровне в некотором интервале температур, получившем в литературе название температурного интервала хрупкости ГОШ;. На фоне низких механических свойств материала при высоких температурах происходит развитие собственных сварочных деформаций и напряжений, вызванное неравномерным нагревом металла и связанными с ним температурными и пластическими деформациями. Эти физические явления неизбежно сопровождают процесс сварки плавлением. Однако их совокупное негативное влияние может и не приводить к возникновению разрушений. Изучением способности сварных соединений выдерживать без разрушения различного рода воздействия, которые могут возникнуть в процессе сварки под влиянием сварочных деформаций и напряжений занимается один из разделов науки о сварке - технологическая прочность сварных соединений.

В соответствии с теорией технологической прочности, разработанной в МПУ им. Н.Э.Баумана Н.Н.Прохоровым, сопротивляемость сварного соединения образованию горячих трещин определяется тремя основными факторами: пластичностью металла в ТИХ, величиной ТИХ и характером нарастания деформаций при охлаздении (темпом деформации сварного соединения).. При этом значение каадого фактора и характер его изменения зависят от многих параметров:

пластичность и характер ее изменения в ИХ определяются химическим составом сплава, схемой кристаллизации сварного шва, развитием химической и физической неоднородности и другими факторами, значение и степень влияния которых существенно зависят, от методов, приемов сварки, применяемых режимов и т.д. -

ширина ТЛХ зависит от, химического состава свариваемых материалов и применяемых присадочных дроволок, флюсов, режима сварки, определяющего форму шва, схему кристаллизации и процессы структуро-образования в шве и СИЗ, размер зерна, характер и интенсивность

протекания ллквационных и сегрегационных процессов и т.д.

теки деформации зависит от скорости охлаждения, коэффициента линейного расширения сплава и свойств металла ОШЗ.

Такое количество факторов, влияющих на"процесс трещинообразо-вания, и сложность их 'всестороннего учета привели к разработке множества экспериментальных методов оценки сопротивляемости материалов образованию горячих-трещин, основными из которых являются технологические пробы различной жесткости (технологические методы) и метода; сскованные на принудительном деформировании металла при помощи специального оборудования (машинные метода).

Разработке- технологических методов оценки высокотемпературной прочности при оЫС посвящены работы А.5.1.Макара, Ю.Н.Готальского, И.В.Новикова, С.А.Островской. Эта методы не получили широкого распространении из-за высокой трудоемкости и невозможности оценить фактическую сопротивляемость металла образованию горячих трещин в случае, когда разрушения образцов проб не происходит. Машинные методы испытаний металла на стойкость против образования горячих трещин в условиях ЭШС разрабатывались Б.Ф.Якушиным, Л.Ф.Башевым, Г.З.Волоикевичем, И.И.Сущук-Слюсаренко, Д.А.Дудко, Л.П.Ерегиным, В.¿¡.Семёновым, В.Л.Гулида,. А.И.Рымкевичеи, А.С.Гельманом и другими. Принципиальная сущность этих методов заключается в деформировании испытуемого шва, находящегося в ТИХ, с заданным темпом деформаций вплоть до разрушения. Все исследователи отмечают невозможность проведения испытаний, на стойкость против образования горячих трещин в процессе ЭШС на натурных образцах и предлагают испытывать образцы уменьшенных размеров:на изгиб или на растяжение. Анализ различных методов, испытаний и экспериментального оборудования, эксплуатируемого в ИЭС им, Е.О.Патана, НШГШЛШе (г.Краматорск), на заводе "Волгоцеммаш" (г.Тольятти) и др., показал,что методическая проработка.вопросов, связанных с обеспечением соот- • ветствия мевду технологической прочностью лабораторного образца и стойкостью сварного соединения реальной детали против образования горячих трещин в процессе ЗШС, явно недостаточна. Указанное обстоятельство затрудняет использование известных способов испытаний для оценки фактической высокотемпературной прочности реальных сварных соединений массивных деталей; • -

В последние годы, благодаря комплексу работ, проведенных", под руководством В. А.'Винокурова В. Л .Мельниковым, А.А.Павловичем;';'.'' З.В.Аладиьскам, А.С.Куркиным, А\С.Киселевым был разработан'метод';

определения напрякенно-дефоркярованного состояния пул здоктро-шлаковой сварке массивных деталей различной конфигурации, основанный на численном решении задач теплопроводности и неизотермических упруго-пластических задач. А.А.Павлович показал возможность использования разработанного метода для определения том-па деформации металла шва в ТИХ. Появилась боэмо:янсс?ь судить об опасности образования горячих треяден, сопоставляя расчетные значения темпа деформации металла в ЧИХ с критическими значениями, но реализация такой возможности требует создания методики, позколля-и',ей путем сочетания расчетов термодеформационных процессов при 01Х и испытаний экспериментальных образцов оценить воз«о;шс?.ть обеспечения высокотемпературной прочности в процессе ::влрш; ирл конкретном сочетании конструктивно-технологических параметров. ¿1а основания вышеизложенного были сформулированы цель и следующие задачи исследования:

1. Создание экспериментальной установки для исследования процесса высокотемпературного разрушения.

2. Расчетное определение температурных полей и напряженно-деформированного состояния соединения Э1ЯС с целью сопоставления различных вариантов конструктивно-технологических решений и подготовки программ испытаний образцов,

3. Разработка методики проведения испытаний на высокотемпературную прочность.

4. Проведение испытаний в условиях программированного нагру-жения и оценка высокотемпературной прочности при сварке крупногабаритных деталей. .

Во второй главе разрабатывается методика оценки возможности обеспечения высокотемпературной прочности в процессе ЗШС и конструкция испытательной установки. Основные подозрения расчетно-экспериментальной методики оценки стойкости сварного соединения против образования горячих трещин можно рассматривать как частный случай белее общих положений расчетно-экспер-дментального метода оценки конструктивно-технологической треэдностойкости элементов сварных конструкций, основные идеи которого принадлежат 3.Л.Винокурову. Методика реализуется в следующей последовательности:

1. Производится расчет температурных полей и соответствующих им ДцС в рассматриваемой детали при ШЗ.-

2. На основании анализа НДС определяются зоны, наиболее-: опасные в отношении возникновения горячих трещин.

3. Расчетным или экспериментальным путем .исследуются температурные псля и соответствующе им НДС при ЭШС образца из материала детали, испытываемого на специальной установке.

4. По результатам анализа температурных полей и НДС в реальной детали и в образце строится такая программа испытания образца, которая за счет регулирования параметров режима сварки, условий охлаждения и дополнительного деформирования образца обеспечивает максимальное соответствие между образцом и деталью по условиям возникновения горячих трещин.

.5. Проводятся испытания образца на трещиностойкость в условиях программированного нагрухенил. Отсутствие высокотемпературных- разрушений в образце должно пос^.жить гарантией их отсутствия в реальной свариваемой электрошлаковым способом детали.'

В данной методике важную роль играет процедура перехода от оценки стойкости против образования горячих трещин на лабораторных образцах к оценке згих ке параметров в реальных деталях в условиях ЗШС. Слоглость этой процедуры обусловлена следующими обстоятельствами:

1. Наличием сложного трехмерного НДС в зоне образования горячей трещины.

2. Одновременным протеканием термодеформационных и физико-химических процессов, оказывающих влияние на прочность и пластичность в высокотемпературной области.

3. Отсутствием данных об изменении механических свойств многих конструкционных материалов в диапазоне температур сварочного цикла, близких к ТИХ.

В этих обстоятельствах единственным надежным средством моделирования условий прохождения ТИХ является максимально близкое воспроизведение в образце всех параметров температурного состояния и НДС, возникающих при ЭШС реальной детали. В соответствии с теорией технологической прочности, равная опасность образования горячих трещин в образце и в реальной детали обеспечивается, если одинаковы соответствующе: пластичность металла в ТИХ, границы ТИХ и темп деформации, сварного соединения при охлавдении. Этого можно добиться за счет изготовления образцов из метериала изделия, применения аналогичных сварочных'материалов, штатной заводской тех-нологил сШС и программированного нагруасения образца в специальной установке. Поскольку обеспечить программированное изменение всех

кгмпонент деформированного состояния в образце практически невоз-£

можно, в основу методики заложено общепризнанное допущение об-образовании высокотемпературного разрушения по схсме нормального отрыва и о возможности использования компоненты деформации, нормальной к плоскости образования горячей трещины, в качестве параметра, полностью определяющего этот процесс. Второе допуценис разработанной методики заключается в предположен™, что схема деформированного состояния металла шва сварного соединения в ТИХ изменяется незначительно при уменьшении толщины свариваемого сШС металла. В основе данного допущения лежат следующие соображения. Область шва, находящаяся в ТИХ при сварке металла неболькой толщины, 01фужена слоями более холодного и прочного материала со стороны свариваемых деталей и со стороны формирующих устройств, поэтому по мере усадки "подтягивание" металла возможно только сверху со стороны сварочной ванны. Это справедливо и для больших толщин, так как одинаковые условия в соседних сечениях исключают перемещения металла в направлении тол-дины. •

Далее в работе приводится краткая характеристика математических моделей, лежащих в основе разработанного б МГСУ им. Н.Э.Баумана программного комплекса "Сварка" для расчета температурных полей и ВДС при ЭШС. Задача определения теппературных полей рыпается с использованием метода элементарных балансов и явной схемы интегрирования уравнения теплопроводности по времени. Неизотермическая упруго-пластическая задача определения НДС в процессе £ШС решается по теории течения с применением метода конечных элементов. Б настоящее время программный комплекс "Сварка" включает все компоненты, необходимые для численного моделирования термодеформационных процессов при ЭШС, В соответствии с разработанной методикой, судить о фактической сопротивляемости металла шва образованию горячих трещин в процессе ЭШС можно лишь на основании сочетания расчетов деформационных процессов и испытаний экспериментальных образцов в условиях программированного нагружения. Готовой установки для проведения таких испытаний не существовало, и она была создана.

При создании экспериментальной установки были, поставлены следующие основные требования:

1. Обеспечение совмещения сварочных процессов и процессов принудительной деформации исследуемой зоны образца.

2. Обеспечение возможности регистрации деформаций и термического цикла сварки при испытаниях.

3. Возможность изменения скорости принудительной деформации по заданной программе.

4. Компактность, простота и удобство обслуживания. Конструкцию разработанной установки поясняет рис. I. Образец

<3 нагружается при помощи специальных рычагов 6, нижняя часть которых париирно соединена с ходовыми гайкаю; механизма нагружекия 4. КалдеС рычаг имеет б верхней части захват и упор, причем положение упора молсет регулироваться. В зависимости от этого положения н образце можно имитировать условия как образования поперечных■горячих трещин в С'!13, ггак и условия образования продольных трещин в шве. Технические данные разработанной установки приведены б таблице I.

Таблица I

Технические данные установки для испытаний на сопротивляемость образованию горячих трещин в процессе ЭШС

Диапазон регулирования скоростей 0,001...0,417 мм/с

Регулирование скорости перемещения плавное

¡»¡яксимальноя величина испытываемого сечения образца 16 ООО мм2

Габаритные размеры установки: длина ширина высота 12Б0 мы 800 мы 2400 мм

Аппаратура для программирования и регистрации деформационного цикла в процессе* испытаний состоит из программирующего прибора РУ5-01Ы, регистрирующего прибора КСЛ-4, измерительной электронной системы модели 217. Закон изменения относительных перемещений концов фиксированной базы измерения, охватывающей сварной шов. задается в определенном масштабе на бумажной диаграммной ленте прибора РУ5-01М в виде кривой.

Установка работает по следующему принципу: программирующее устройство выдает сигнал о требуемом в данный момент времени относительном перемощении базовых точек, который сравнивается с сиг налом, поступающим через измерительную систему модели 21? от специально разработанного датчика перемещений, характеризующим .дей-8

ствительное значение программируемого параметра. В случае несовпадения этих сигналов включается привод механизма нагрудения образца, устраняющий имеющееся рассогласование. Измерение температуры в шве осуществляется при помощи стандартной вольфрам-рениевой термопары, защищенной кварцевым наконечником, с записью термического цикла на диаграммную ленту прибора КСП-4. Запуск программы принудительного деформирования осуществляется в тот момент, когда температура шва на стадии охлавдения достигнет верхней границы ТИл.

Новизна методических разработок и технических решений, описанных во второй главе, подтверждена двумя положительными решениями по заявкам на выдачу авторских свидетельств: № 4796817/27 (025333) от 01.03.90 и Г» 4805693/27 ( 032783) от 22.03.90г.

В третьей главе исследуются высокотемпературные деформации металла шва соединений ЭШС для оценки его стойкости против образования горячих трещин. Рассмотрен ряд случаев использования ЭШС для выполнения круговых и П-образкьгх швов, в практике выполнения которых отмечено появление продольных горячих трещин. Исследование проводилось с использованием программного комплекса "Сварка", разработанного в МП У им.Н.Э.Баумана. Теплофизические свойства стали 25Л были взяты из литературных данных. В качестве источника сварочного нагрева использовалась модель П-образного источника, состоящая из одного "металлического" и двух "шлаковых". Механические свойства стали 2БЛ определяли путем испытания трубчатых образцов на кручение в термодеформационных условиях ЭШС по методике, разработанной Л.А.Лавловичем под руководством В.Л.Винокурова.

Случай сварки круговых швов обладает важной особенностью, связанной с наличием осевой симметрии, что позволяет использовать для расчета деформационных процесоов двумерные конечные элементы. Было рассмотрено четыре варианта сварки осесимметричных деталей из стали 25Л, отличающихся различным сочетанием конструктивно-технологических параметров. Расчет деформационных процессов в круговом шве при ЭШС оси диаметром 780 мм с обечайкой толщиной 210 мм по первому варианту, соответствующему базовой технологии ПО НКЫЗ, показал, что собственные поперечные деформации удлинения металла пвя на стадии охлавдения в ТИХ достигают 0,45?. Величину ТИХ в услоьи-ях ЭШС (14Ь0°С - 1250°С) принимали в соответствии с литературными данными. Экспериментальная сварка натурного образца по этой технологии в ПО ККМЗ сопровождалась образованием горячей треилны. Разрушение располагалось по оси сварного шва и охватывало око до половины длины его окружности.

Второй вариант расчета деформационных процессов в осесимметричных деталях отличался от первого наличием технологического подогрева наружной обечайки до 200°С. Это привело к снижению уровня собственных поперечных деформаций металла сварного шва в ТИХ до 0,3/2. В расчете по третьему варианту тсшрша нагретой до 200°С обечайки была уменьшена вдвое и равнялась ЮЬ мм. ото обеспечило дальнейшее снижение уровня собственных поперечных деформаций металла сварного шва в ТИХ до 0,1%. Четвертый вариант расчета термодеформационных процессов в осесимметричных деталях отличался от третьего тем, что в качестве механических свойств материала свариваемых заготовок были использованы свойства более прочной стали bCX2i.:i>E. Для четвертого варианта исходных данных был получен самый низкий уровень собстьснннх поперечных деформаций удлинения металла шва в ТИХ, а, следовательно, и минимальная опасность образования горячих трещин. В целом, расчеты показали возможность осуществления НДС круговых швов без образования горячих трещин.

Далее ь рабств проанализированы термодеформационные процессы, протекающей при ремонте типобых шаботов из стала 25Я. Ремонт таких аоСотов заключается в заварке электрошлаковым способом пазов . шириной G0Q...I2C0 мм и глубиной 300...5QO мм, образовавшихся в результате удаления дефектных участков металла (трещин, рыхлот, раковин и др.). В каадом конкретном случае ремонта параметры режима и процессы, зависящие от этих параметров, определяются конкретными размерами подлежащего заварке паза. Анализировались три характерных случая: ьварка широкой ремонтной вставки сечением 1200 ш х 3UC 1.-У, вйарка вставки средних размеров (S00 мм х 400 мм) и вварка узкой вставка (600 мн х 500 мы). При атом параметры режима £DC проникались в соответствии с нормативной документацией, действующей на ПО UKÜ3. Б результате конечноэлемецтного анализа . термодеформациенных процессов в области высоких температур по указанным вариантам Сило установлено:

1) опасной зоной, в которой возможно образование горячих трещин, является середина бокового участка'fi-образного шва;

2) характер деформационных процессов в опасной зоне сварного соединения зависит от сочетания размеров завариваемого паза;

о) в случае ввархи широкой или средней ремонтной вставки собственные поперечные деформации в ТИХ в опасной зоне сварного соединения являются отрицательными, то есть шов сокращается, и опасности обра зевания горячих трещин нет;

10 -

4) в случае вварки узкой ремонтной вставки в середине бокового участка П-образного шва имеют место собственные поперечные деформации удлинения в ТИХ, достигайте 0,

Б) смена знака собственных поперечных деформаций металла шва в ТИХ в опасной зоне сварного соединения с "плюса" на "минус" происходит при увеличении коэффициента формы завариваемого паза, равного отношению ширины паза к его глубине, до 1,5. Случаи вварки узких ремонтных вставок, с коэффициентом формы паза меньшим 1,5, сопровождаются накоплением в иве поперечных деформаций удлинения в ТИХ и яребуют экспериментальной проверки возможности обеспечения высокотемпературной прочности в процессе ЭЙС.

Помимо перечисленных вариантов, был рассчитан еще один случай ЭШС, при котором моделировались условия вварки узкой ремонтной вставки в деталь меньших, чем типовой шабот, размеров. Было установлено, что при уменьшении размеров ремонтируемой детали проявля-*ется тенденция к увеличению опасности образования горячих трещин.

В четвертой главе описываются испытания металла шва на стойкость против образования горячих тревдш в условиях моделирования различных вариантов ремонтных соединений. Всего на экспериментальной установке (рис. I) было сварено четыре образца из стали 25Л размером 300 мм х 300 мм х 100 мм. Все образцы были изготовлены из одной отливки массой 60 тонн. СЕарочные материалы и параметры режима ЗШС назначали на основании технологических данных реального процесса, представленных ПО НКМЗ, таким образом, чтобы обеспечить в образце механические свойства наплавленного металла и скорости охлаждения в области высоких температур близкие к реальным. Использовали электрошлаковую сварку плавящимся мундштуком из стали ЮХСВД с подачей двух электродных проволок Св.ЮГ2 диаметром 3 мм. Применяли сварочный флюс марки АН-343А. Возможность обеспечений требуемой глубины проплавления (10...20 мм) при принятых параметрах режима ЭШС предварительно оценивали по результатам численных экспериментов с использованием программного комплекса "Сварка". Параметры режима ЭЕС экспериментальных образцов были приняты следуввд-ми: суммарный сварочный ток С^ = 630 А; напряжение сварки Ц/Б; скорость сварки ^ = 0,014 см/с;'высота шлаковой вянны Ишл =00 мм.

Эти параметры были одинаковыми для всех испытанных сбрлпцоп. Первый образец был сварен в экспериментальной, установке при гыкточенном механизме нагружения. В процессе СИЮ в средней часта сердца № I регистрировали на одном уровне термический цикл сея и пс-] >::-

IX

мещеиия свариваемых кромок на базе 100 ми. Сопоставление расчетных И экспериментальных данных показало, что на стадии охлаждения до температуры 900°С различие соответствующих значений теш ера туры в реальной детали п а образце не преььпяаег Такой уровень точности моделирования температуры был признан достаточным.

Несоответствие между наблюдаемыми перемещениями в процессах S1UG образца и реального шабота в разработанной методике устраняется за счет программированного нэгрукения. Если база для измерения перемещений в образце и в детали одинакова, то, при условии равенства свсбсднкх температурных деформаций для моделирования деформационных гтроцзссов в образце необходимо воспроизвести такой ке закон изменения наолкдземых перемещений А(и) , какой имеет место б детали. В данной работе размер базы для измерения перемещений равнялся ICO ш. Точки базы располагались по середине образца симметрично относительно продольной оси ишэ.

Программа нагружения образца J? 2 строилась на основании результатов расчета перемещений на базе 100 мм в опасной зоне П-об-разного ремонтного шва, происходящих при вварке узкой вставки сечением 600 мм х £00 ым в типовой ьабот. Как было установлено, этлт случай явпяется самым неблагоприятным. Программу изменения перемещений кремок образца на базе ICO мм наносили на диаграммную ленту программирующего прибора ЕУ5-01М в виде кривой. Запуск программы нагружения не выполнение осуществляли в тот момент, когда показания прибора KCfI-4, peraетриругэдго температуру в иве fía одном уровне с осями для навески датчика перемещений, достегали верхней границы ТИХ. После испытания сварной под подвергали ультразвуковому контролю и проводили исследование макропяифа шва. Отсутствие разрушений б металле шва позволило сделать вывод о том, что высокотемпературная прочность в процессе ЭШС обеспечивается, и технология, используемая в ПО НКМЗ, может быть применена для заварки узких пазов.

Испытание образца № 2 не дало ответа на вопрос о фактическом запасе пластических свойств материала в условиях ЭШС. Программа нагружения образца № 3 была построена таким обрезом, чтобы увеличить величину собственной деформации металла шва Б области ТИХ в 3 раза по сравнению с нагруженном образца № 2. Результаты испытаний показали, что и в этом случае исчерпания пластических свойств металла не происходит, горячие трещины не образуется. Можно обоснованно утверждать, что применительно к ремонту типовых шаботов

штатная ¡заводская технология ЭШС обеспечивает не менее чем трек-кратный запас технологической прочности. Образец 4 был испытан по программе, соответствующей случаю вварки узкой ремонтной вставки в деталь уменьшенных размеров. Данная программа обеспечила увеличение уровня поперечных деформаций металла на базе 100 мм в 5,5 раз по сравнение с программой нагружения образца № 2. Испытания показали, что з этом случае имеет место исчерпание пластических свойств металла, и происходи? нарушение его сплошности. Технология ремонта, используемая на ПО НКЖ, в данном случае не обеспечивает получения качественного сварного соединения без образования горячей трещинм. Для обеспечения высокотемпературной прочности в процессе ЗДС необходимо использование дополнительных технологических мероприятий по борьбе с горячими трещинами.

Основные выводы и результаты

1. Анализ существующих методик испытаний на сопротивляемость металла образованию горячих трещин показал, что они не обеспечивают оценки опасности образования высокотемпературных разрушений при ЭШС деталей со сложной конфигурацией шва вслествие недостаточного учета элияния конструкционного фактора. Воздействие-этого

фактора на ВДС может бэть установлено путем численного моделирования термодеформационных процессов на ЭВМ и воспроизведено при постановке испытаний путем программированного нагружения образцов в процессе сварки.

2. Численное моделирование термодеформационных процессов, протекающих при Э'ЛС осёсимметричных деталей, позволил? установить закономерности изменения относительных перемещений.свариваемых кромок в период пребывания^металла шва в ТИХ и связь этих'Перемещений с возможностью образования горячих трещин в круговом,шве.-

Установлено, что: •

основной причиной развития собственных поперечных деформаций удлинения металла ива-является увеличение внутреннего радиуса охватывающей детали при ее нагреве сварочным источником теплоты;

высокотемпературные разрушения при ЭЫС возникают при соапаце -нии во времени значительных собственных поперечных деформаций удлинения с неблагоприятным тешературно-структурним состоянием металла в процессе охлаждения, вызывающим снижение пластичности (ТИХ);

уменьшение опасности образования высокотемпературных разрушений возможно за счет регулирования уровня и кинетики собственных поперечны с деформаций удлинения металла шва в ТИХ путем конструктивно-технологических воздействий (подогрев, изменение толщины охватывающей обечайки) с целью смещения во времени интенсивных деформаций удлинения по отношении к прохождению ТИХ.

3. Конечноэлемектный анализ термодеформационных процессов позволяет производить сравнительную оценку вариантов конструкций деталей и технологии ЭШС по опасности высокотемпературных разрушения.

Применительно к случаю заварки прямоугольных пазов в массивных деталях (ремонт шаботов из стали 25Л) установлено, что:

характер распределения собственных поперечных деформаций металла П-образного шва в ТИХ зависит от соотношения размеров завариваемого паза; ' > ■

деформации удлинения в ТИХ, опасные в отношении образования горячих трещин, возникают в середине бокового участка Д-образного мза при глубине завариваемого паза, составляющей более 0,7 от ширины.

4. Разработана расчетно-экспериментальная методика оценки высокотемпературной прочности металла шва при ЭНС, базирующаяся на методе оценки конструктивно-технологической трещиностойкости при сварке В.А.Винокурова. Методика основана на сочетании расчета термодеформационных процессов а сварной соединении реальной детали и испытаний специальных образцов, программа нагружения которых строится по результатам проведенных расчетов. Критерием подобия деформационных процессов в детали к в образце является равенство перемещений берагоз шва в ТИХ в процессе 321С.

5. Дтя проведения испытаний разработана и изготовлена установка , позволяющая воспроизводить тепловые и деформационные условия, возникающие в зоне кристаллизации при ЭХ, за счет осуществ-. леиия электроллаковой срарки образца и его нагружения изгибающим моментом. Новизна разработанной методики и конструкции испытательно;; установки подгзер'йдены полотая* альными решениями по заявкам на видачу авторских свидетельств I'4805653/2? (032783) от 22.03.90г. к Г 4726817/27 (025338) от 01.03.90г.

6. По результатам проведенных исследований разработаны практические рекомендации по возможности использования штатной заводской технологии ЭШС ПО НКМЗ для ремонта шаботов из стали 25JI. Эти рекомендации и рабочая документация на изготовление испытательной установки переданы для использования в ПО НКМЗ.

Основные положения работы изложены в следующих печатных трудах:

1. Овешников A.B. Расчетно экспериментальная методика оценки высокотемпературной прочности металла шва в процессе электрошлаковой сварки //Прочность и диагностики сварных конструкций. Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции. -

М., 1991. - С.28.

2. Куркин A.C., Кругов В.А., Овешников A.B. Испытания металла на конструкционно-технологическую трещиностойкость (КТТ) при электрошлаковой сварке //Деп.рук. ВИНИТИ. - 1991. - J." 4. - С.74-75.

ляекзсть oOpnjObiHüB горячих-трс-ш^н в процессе ЭШС