автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.10, диссертация на тему:Разработка технологии точечной сварки сжатой дугой боковой стены пассажирского вагона из коррозионно-стойкой стали

На правах рукописи УДК 621.791

005043082

Стрельников Илья Владимирович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ТОЧЕЧНОЙ СВАРКИ СЖАТОЙ ДУГОЙ БОКОВОЙ СТЕНЫ ПАССАЖИРСКОГО ВАГОНА ИЗ КОРРОЗИОННО-СТОЙКОЙ СТАЛИ

05.02.10 - Сварка, родственные процессы и технологии

АВТОРЕФЕРАТ

1 7 МАЙ 2012

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2012

005043082

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете им. Н.Э.Баумана

доктор технических наук, доцент КОНОВАЛОВ Алексей Викторович.

доктор технических наук, профессор, ЯМПОЛЬСКИЙ Виктор Модестович

доктор технических наук, ПОЛОСКОВ Сергей Иосифович

Ведущая организация: ЗАО НО «Тверской институт

вагоностроения», г. Тверь.

Защита диссертации состоится « 3 í » NQSI_2012г. в 14:30 часов

на заседании диссертационного совета Д 212.141.01 при Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., 5.

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

Ваш отзыв на автореферат диссертации в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Телефон для справок (499) 267-09-63

Автореферат разослан «_ _» (ЗнрQÍ)Я_2012 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.141.01, доктор технических наук, доцент

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

А.В. Коновалов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В настоящее время согласно директиве РЖД на Тверском вагоностроительном заводе осуществляется переход с производства пассажирских вагонов из углеродистой стали на производство вагонов из коррозионно-стойкой стали, которые имеют нормативный срок эксплуатации 50 лет. Одним из основных крупногабаритных листовых многослойных сборочных узлов вагона является боковая стена. При изготовлении боковых стен для сварки нахлесточных соединений традиционно используется односторонняя контактная точечная сварка (КТС). Однако в ряде случаев применение КТС затруднено либо постановкой нечетного числа сварных точек, либо недостаточным для пары сварных точек расстоянием до края нахлестки, либо отсутствием медной подкладки под частью деталей. В этих случаях возможно применение дуговой точечной сварки. Учитывая достаточно высокие требования к качеству лицевой поверхности (отсутствие короблений, сварочных брызг, раковин), к коррозионной стойкости, а также к стабильности качества сварки, целесообразно использовать дуговую точечную сварку сжатой дугой (PSW-сварку).

Эффективное использование PSW-сварки сдерживается отсутствием нормативной документации на геометрию сварной точки, дефектность, допустимую величину зазора, и т.д. Применение нормативных требований для сварных соединений, полученных при сварке свободной дугой, к PSW-соединениям затруднительно вследствие характерных особенностей поперечного сечения точки.

Цель работы: обеспечение качества сварных соединений коррозионно-стойкой стали, выполняемых точечной сваркой сжатой дугой.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

1. Исследовать влияние конструктивно-технологических параметров сварки сжатой дугой на формирование сварной точки;

2. Исследовать влияние основных конструктивно-технологических параметров сварки сжатой дугой на прочность соединения;

3. Исследовать влияние геометрии рабочего торца электрода на его стойкость, стабильность сварки, проплавления и геометрию сварной точки.

4. Разработать рекомендации по назначению режима сварки, обеспечивающего получение бездефектной сварной точки заданной прочности.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись экспериментальные и теоретические методы исследований: металлографический анализ микро- и макроструктуры с использованием оптического микроскопа OLYMPUS ВХ51М (Япония), фрактографический анализ, измерения микротвердости сварных шлифов на цифровом микротвердомере DM8 (Италия), механические испытания сварных соединений на универсальной разрывной машине N100K-S Tinius Olsen (США), определение границ сплавления сварной точки магнитопорошковым методом, планирование эксперимента и статистическая обработка экспериментальных

данных, компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния сварного соединения с использованием метода конечных элементов.

Научная новизна.

1. Установлено, что при точечной сварке сжатой дугой электромагнитные силы в сварочной ванне направлены от периферии точки к ее центру и лишены тангенциальной составляющей, что опровергает гипотезу об образовании характерных дефектов типа усиления по краям, лунки в центре и центральной поры в результате интенсивного вращения расплавленного металла.

2. Установлено, что причиной образования указанных дефектов является быстрая кристаллизация деформированной давлением дуги и плазменной струи сварочной ванны при завершении сварки.

3. Экспериментально показано, что эффективным путем устранения характерных дефектов типа усиления по краям, лунки в центре и центральной поры при точечной сварке сжатой дугой является снижение расхода защитного газа и плавное снижение тока на завершающем этапе сварки.

4. Установлены количественные взаимосвязи между геометрическими параметрами сварных точек деталей из коррозионно-стойкой стали и конструктивно-технологическими параметрами сварки сжатой дугой, на основе которых разработаны методические рекомендации по назначению режимов сварки для получения бездефектных сварных соединений при требуемой производительности.

Практическая значимость работы. На основе полученных результатов подобраны оптимальные параметры режима точечной сварки боковой стены вагона сжатой дугой, разработан стандарт организации СТО 05.1943-2010 «Плазменная точечная сварка. Соединения сварные точеные», даны рекомендации по минимизации характерных дефектов (центральной поры и глубокой лунки).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на II и III Всероссийских конференциях молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (Москва 2009, 2010), VIII Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (С.Петербург, 2009), I Всероссийской научно-практической конференции «Прогрессивные технологии и перспективы развития» (Тамбов, 2009), XVII Всероссийской научно-практической конференции «Инновации. Интеллект. Культура» (Тобольск, 2009), XI Международной научно-технической Интернет-конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (Брянск, 2010), II Всероссийской научно-практической конференции «Прогрессивные технологии и перспективы развития» (Тамбов, 2010), II Всероссийской молодёжной научной конференции «Научный потенциал молодёжи - будущее России» (Муром, 2011).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК, получен патент на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех

глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Диссертация написана на 130 стр., и содержит 63 рисунка, 14 таблиц, списка литературы из 110 наименований, 7 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность диссертационной работы, сформулированы научная новизна, основные цели и задачи, определена практическая значимость полученных результатов.

В первой главе приведены требования к боковой стене пассажирского вагона и особенности ее конструкции, рассмотрены возможности и проанализированы исследования различных видов и способов точечной сварки.

Большой вклад в совершенствование дуговой точечной сварки внесли

A.Г. Потапьевский, B.C. Хожило, А.З. Блитштейн, Д.И. Вайнбойм, H.A. Соснин, С.А. Ермаков, П.А. Тополянский, B.JI. Руссо, Б.В. Кудояров,

B.А. Коновалов, В.И. Вишняков, В.И. Астахин, В.И. Столбов, В.П. Сидоров, И.П. Куркин, А.Е. Аснис, В.С Виноградов, В.А. Веселов, С.И. Полосков,

C.В. Крылов, В.В. Мартынович, К.В. Лялин, А.Н. Тимошенко, В.П. Лозовский, А.И. Акулов, В.М. Ямпольский, И.П. Куркин, А.Я.Бродский, Н.М.Будник, Л.А. Доброквашин, Н.И. Каховский, A.A. Казимиров, В.Я. Дубовецкий, Е.В. Пенкевич, М.М. Дубашинский, М.П. Богдановский М.И. Домбровский, А.Ф. Ромашев, М.М. Крайчик, A.B. Обухов, С.А. Егоров, S. Giessler, R. Pinkernelle и др., которыми решен ряд задач в области обеспечения качества, стабильности, экономичности процесса, а также повышения стойкости неплавящегося электрода, «образмеривания» нестандартных соединений.

Проведенный анализ способов точечной сварки показал, что для сварки крупногабаритной тонколистовой конструкции боковой стены железнодорожного пассажирского вагона из коррозионно-стойкой стали с жесткими требованиями к обратной (видовой) поверхности целесообразно применение PSW-сварки. Однако, эффективное использование плазменной точечной сварки сдерживается недостаточным знанием закономерностей протекания процесса, а также отсутствием нормативной технической документации (НТД). Установлено, что поперечное сечение плазменной точки имеет характерную геометрию с достаточно широкой номенклатурой конструктивных элементов (рис. 1), отличную от геометрию сварной точки, полученной свободной дугой.

Отмечаются случаи появления на сварной точке центральной поры или глубокой лунки, порой переходящей в сквозной свищ (рис. 2). Если поры можно визуально обнаружить и измерить их глубину, то для того, чтобы выявить внутренние поры необходимо проведение механических испытаний, либо изготовление макрошлифов с разрушением образцов-свидетелей.

Центральные поры, глубокие лунки и непровары значительно снижают прочность точечного соединения, и требуют постановки дополнительных «запасных» сварных точек. Выплески и полости с оборотной стороны приводят трудоемкой операции по исправлению (подварки и механической зачистки) и снижают эстетичность изделия, что особенно важно, если сторона является видовой.

Рис. 1. Конструктивные элементы (а) и внешний вид (б) Р8\\^-соединения: Б и сі - наружный диаметр и диаметр литого ядра; § и §і-усиление и общее ослабление; ш як- диаметр и глубина лунки;

1 - зона термического влияния с цветами побежалости;

2 и 3- «кайма» усиления и общее ослабление; 4 - центральная лунка

Рис. 2. Дефекты PSW-соединения: а - в виде глубокой лунки; б - в виде поры

Следует также отметить, что технология PSW-сварки осуществляется без присадочного или электродного металла. Поэтому особую остроту приобретает вопрос обеспечения стабильности качества PSW-сварки: воспроизводимость глубины проплавления, диаметра литого ядра и геометрии внешней поверхности, а также отсутствие характерных дефектов зависят от многочисленных технологических факторов. Так, к последним следует отнести, прежде всего зазор между свариваемыми листами, состояния электрода, плотность поджатия нахлесточного соединения к медной подложке (при ее наличии).

С учетом довольно существенного расхождения процессов TIG и PSW-сварки необходима разработка методических рекомендаций по настройке и оптимизации режима.

Вторая глава посвящена исследованию влияния конструктивно-технологических параметров на особенности формирования PSW-соединения.

Процесс PSW-сварки заключается в сквозном расплавлении верхнего и частично нижнего листов струей ионизированного газа (смесью аргона с 5% водорода) в течении одного или нескольких импульсов с заданной конфигурацией без использования

присадочного материала. Новая технология принципиально отличается от сварки свободной дугой большим давлением плазмообразующего ■ ~ -и газа, более высокой концентрацией тепловой

энергии дуги, а также особой конструкцией Рис.3. Разрез горелки сварочной горелки (рис. 3).

для PSW-сварки

Для проведения исследований использовалось оборудование PSW 500 фирмы SBI (Австрия), с особой фокусировкой плазменной струй, электронным программированием параметров режима (конфигурации импульса), возможностью проведения сварки в автоматическом режиме.

Возможность использования PSW-сварки при изготовлении листовых конструкций была оценена путем проведения сравнительных механических испытаний с КТС. Механические сравнительные испытания на срез, отрыв и скручивание показали сопоставимость плазменных и контактных сварных точек для сочетаний толщин боковой стены по диаметру литого ядра, срезывающему усилию, а также по глубине проплавления и пластичности (таблица 1). Результаты испытаний соответствуют требованиям отраслевого стандарта ОСТ 24.050.34 «Проектирование и изготовление стальных сварных конструкций вагонов».

Таблица 1.

Сравнение PSW-сварки и КТС

Сочетание толщин, мм Вид сварки Минимальный диаметр литого ядра, мм Минимальное срезывающее усилие, кН

Факт, значения По ОСТ 24.050.34 Факт, значения По ОСТ 24.050.34

2,5+1,5 PSW 7,6/7,7/7,6 7,0 23/24/23 15,0

КТС 7,6/7,5/7,6 23/24/24

1,5+2 PSW 7,4/7,5/7,4 6 22/22/22 11,0

КТС 7,5/7,4/7,5 22/22/22

Для оценки влияния возмущающих факторов на стабильность качества PSW-cвapки был проведен сравнительный анализ сварных точек, выполненных в различных технологических условиях.

Таблица 2.

Влияние условий Р8\¥-сварки на характеристики сварной точки

Условия РБШ-сварки На подкладке На весу

Зазор, мм 0 0,5 0

Диаметр ядра, мм 5,5±0,5 4,7±1,4 5,4±0,6

Усилие среза, кН 9,3±1,1 7,2±3,5 9,5±0,9

Брак по некруглости, % 0 20 7

Были выполнены Р8\>У-соединения без зазора (на весу и на медной подкладке) и с зазором на медной подкладке. Согласно результатам эксперимента разброс значений срезывающего усилия и диаметра литого ядра плазменной точки как при сварке на медной подкладке, так и при сварке на весу, примерно одинаков. Однако при сварке на весу диаметр литого ядра имеет несколько большее отклонение от некруглости (некруглостью принято условие амах/<и„>1,2), что, вероятно, вызвано ухудшением условий отвода теплоты. Повышение зазора резко ухудшает качество плазменной точки: разброс значений диаметра литого ядра значительно отклоняется от закона нормального распределения, литое ядро получается «рваное» (значительное отклонение от некруглости), разброс значений срезывающего усилия растягивается в сторону с меньшими значениями (рис. 4, таблица 2).

3,1 3,8 4,6 5,3 6,0 6.7 7.4

4,8 5,2 5,5 5,9 6,3 6,6 7,0 4,6 5,1 5,6 6,2 6,7 7,3 7,8 Диаметр литого ядра, мм Рис. 4. Гистограммы распределения размера диаметра литого ядра при различных условиях сварки:

а - на медной подкладке с нулевым зазором; б - на весу с нулевым зазором; в - на медной подкладки с зазором 0,5мм

Зависимость геометрии Р8\У-соединения от параметров режима, а также технологических факторов определялась экспериментально.

11 10 9 8 7 б 5 4 3 2 1

300 400 500 600 700 800 900

Рис. 5. Зависимости диаметра литого ядра от времени

_ d, мм

►

** у *

♦

j

t, С*0,001

Рис. 6. Диаграммы зависимостей глубины проплавления к и диаметра литого ядра с1 от силы тока

Одним из важнейшим критериев Р8\\^-соединения, определяющим прочность, является диаметр литого ядра <1 Для определения зависимостей последнего от параметров режима применялся метод перебора, при котором поочередно исследовалось влияние одного параметра, при постоянных значениях

остальных (рис. 5). Зависимости близки к линейным.

Вторым важным параметром, влияющим на стабильность значения прочности и

сглаживающим негативное влияние зазора, является глубина провара к Регулирование глубины провара позволяет избежать выплеска или выходящей поры (поверхностной «раковины») с обратной стороны сварной точки. На основании металлографических исследований установлено, что увеличение тока приводит к глубокому, неширокому проплавлению нижней заготовки, а увеличение времени - к увеличению диаметра литого ядра и незначительному увеличению

глубины (рис.6).

Исследования взаимосвязи размеров оставшихся конструктивных элементов и параметров сварки позволили установить следующие закономерности: наружный диаметр и диаметр лунки плотно сгруппированы вдоль линии тренда и возрастают с увеличением тока и времени сварки, причем последний изменяется в абсолютном значении незначительно; глубина центральной лунки меняется незначительно при изменении времени и тока сварки, причем значения отличаются значительным разбросом; усиление и общее ослабление несколько возрастают с увеличением времени и тока сварки, в результате поверхность плазменной точки покрывается концентрической волной.

Ь, мм

Рис. 7. Зависимости изменения геометрии сварной точки от зазора

Экспериментально установлено, что при увеличении зазора наружный диаметр возрастает, что вызвано увеличением тепловложения в верхнюю деталь; усиление уменьшается, а ослабление увеличивается, что вызвано перемещением расплавленного металла в пространство между заготовками; лунка исчезает, что объяснимо большим прогибанием сварочной ванны (рис. 7).

При взаимодействии тока с собственным магнитным полем в соответствии с законом Ампера возникает электромагнитная сила: Р = ]хВ,

где ] - плотность тока, В -магнитная индукция, Т7 - сила, действующая на элементарный объем расплавленного металла в сварочной ванне.

Как следует из рис. 8, электромагнитные силы Р лишены тангенциальной составляющей

(направлены к центру шва) и поэтому не могут являться причиной образования характерного профиля Р8\¥-соединения. Рис. 8. Схема распределения Таким образом, причинами образования электромагнитных сил в сварочной усиления по краям и лунки в центре ванне: 1 - электрод; 2 -дуга; 3 - являются сила давления дуги и линия тока; 4 - сварочная ванна сопутствующих разогретых до высоких

температур сварочных газов.

В третьей главе рассмотрены свойства РЭХУ-соединения.

Установлено, что прочность сварных плазменных точек, полученная экспериментально, хорошо соотносится с прочностью точечного соединения, полученной теоретически (таблица 3).

Таблица 3.

Прочность при нагружении на срез для Р8\У-соединений при различных условиях: на весу (В); на медной подкладке (М); автоматическая (А); ручная (Р)

Сочетание толщин, мм Условия сварки Диаметр литого ядра Прочность при срезе, кН

Эксперимент Расчет

2,5+2 М/Р 5,5...6,5 8...16 12,0

2,5+1 В/Р 5,5...6,5 6...13 9,4

2,5+1,5 М/Р 5,5...6,5 7...15 10,3

1,5+2,0 М/А 5,0...6,0 7,5...14 7,4

1,0+1,5 М/А 5,5...6,5 7...13 6,3

2,0+1,5 М/А 5,5. ..6,5 9,5...15 10,3

2,5+1,5 М/А 5,5. ..6,5 9,5...15 10,3

7'° Г^ср

Кроме того, поскольку технология Р8\\^-сварки

осуществляется без

использования присадочного или электродного металла, существенное влияние на прочность сварной точки оказывает зазор.

Экспериментально найдено, что при критической величине зазора образования литого ядра плазменной сварной точки не происходит, а разброс значений диаметра литого ядра плазменной точки увеличивается при

увеличении значений зазора (рис.9).

Критичность такого фактора, как зазор, проявляется не только в возможности получения дефектной сварной точки с непроваром или повышенным ослаблением, но и в повышенных значениях напряжений в месте сопряжения заготовок и литого ядра. Была смоделирована плазменная сварная точка с характерной геометрией, разбита на конечные элементы, и далее были приложены срезывающие усилия (рис. 10).

О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 Рис. 9. Зависимость диаметра литого ядра от зазора при Р8\^сварке

Рис. 10. Напряженное состояние Р8\\ґ-соединения при нагружении срезывающим усилием

Рис. 11. Макроструктура Р8\У-соединения

Из рисунка 10 видно, что наиболее нагруженные места сварного соединения расположены в месте сопряжений свариваемых деталей, и для их уменьшения необходимо стремиться к минимизации зазора.

На шлифах, вырезанных перпендикулярно поверхности по центру плазменной сварной точки, были произведены макро- и

микроисследования (рис. 11, 12).

г в

Рис. 12. Микроструктура плазменной сварной точки: а - основного металла, х200; б - зоны сплавления сварного соединения, х40; в - литой зоны в центре сварной точки за столбчатыми кристаллами, *100; г - ЗТВ, хЗОО; д - зоны равноосных кристаллов, х400

Анализ проведенных исследований показал, что структура плазменной точки двухфазная аустенитно-ферритная, по краям имеется дендритное строение с ориентированием кристаллитов в сторону теплоотвода, а в центре -мелкозернистая структура. Крупные неметаллические включения, трещины, непровар, газовые пузыри отсутствуют. Микротвердость литой зоны, ЗТВ и основного металла образцов не имеет существенных различий и составляет 211...222 HV0,1.

Микроструктура основного металла (рис. 12, а) - аустенитная с наличием ферритной фазы в виде отдельных строчек в количестве -5%, ориентированной по направлению прокатки, что обуславливает некоторую анизотропию свойств. Величина зерна аустенита соответствует баллу 7 по ГОСТ 5639-82. В литой зоне у линии сплавления фиксируется характерная столбчатость (рис.12, б). В центре точки наблюдается зона разориентированных равноосных кристаллов получаемая в результате более медленного охлаждения (рис. 12, в, д). Рост аустенитного зерна в ЗТВ отсутствует (рис.12, г). Микродефектов (мелких трещин, пористости) в различных зонах сварного соединения не выявлено.

Фрактографические исследования производились на образцах, полученных после проведения испытаний на отрыв (рис. 13). В большинстве случаев разрушение

происходило по ЗТВ, где макрорельеф излома отличается однородностью, с мелкошероховатой матовой поверхностью (рис. 13, а).

Реже встречались случаи неоднородного излома с разрушением не только по ЗТВ, но и по литой зоне точки, где макрорельеф излома серого цвета, сглаженный, характерный для литой стали (рис. 13, б). Дефекты в изломах не выявлены.

Также был изучен вопрос обеспечения стабильной работы неплавящегося электрода при PSW-сварке: была произведена оценка его стойкости, исследован механизм разрушения, а также изменения геометрии сварной точки при различных углах заточки и материалах электрода.

Эксперименты показали высокие сварочно-технологические свойства вольфрамового электрода марки WS-2 DIN EN 26848, легированного 1,3... 1,7% безториевой смесью оксидов лантаноидов. При исследовании геометрии рабочего торца электрода рассматривалась заточка на конус с притуплением до диаметра 0,5...0,8 мм с различными углами заточки а (15°...40°). Притупление с одной стороны увеличивает стойкость вольфрамового электрода, с другой -увеличивает диаметр литого ядра сварной точки при некотором уменьшении глубины проплавления за счет расфокусировки дуги. Диаметр электрода принят равным 3,2 мм исходя из конструкции сварочной горелки.

а б

Рис. 13. Излом плазменной точки: а - по ЗТВ; б - по ЗТВ и по литой зоне, х8

Влияние угла заточки на геометрию сварной точки определялось с помощью макрошлифов после приработки (N>50 циклов сварки). Увеличение угла заточки благотворно сказывается на прочностных характеристиках сварной точки - увеличивается диаметр литого ядра, однако несколько увеличивается наружный диаметр, что отрицательно сказывается на качестве сварной конструкции. Отмечено относительно малое снижение глубины проплавления, что выгодно отличает Р8\У-сварку от сварки свободной дугой.

Установлено, что при выполнении достаточно большого количества сварных точек возникают две следующие причины потери работоспособности: эрозия с образованием типичного

«венчика» на конце конусной части (для углов а=20°...40°), либо перегрев конусной части и выгорание образующегося венчика (для углов а=15°.. .25°) (рис. 14)

Стойкость вольфрамового электрода после -500 циклов сварки оценивалась комплексно: по изменению геометрии, прочности, проценту ложного поджига. Установленоно, что угол заточки менее 15... 20° приводит к резкой эрозии и разрушению конусной части электрода. С другой стороны, при углах, больших 35... 40°, ухудшается способность к поджигу. Кроме того, при малых Рис. 15. Уменьшение диаметра литого уГЛах заточки (<15...20°) после ядра при изменении угла заточки 400... 500 циклов ухудшается вольфрамового электрода качество сварки (рис. 15).

Таким образом, показано, что выгорание, эрозия и обеднение легирующими присадкам рабочего конца электрода с образованием на нем «венчика» приводит к уменьшению величин силовых характеристик и нарушению стабильности потока плазмы, к повышенному «блужданию» катодного пятна, и, как следствие, к уменьшению диаметра литого ядра, увеличению наружного диаметра и уменьшению способности к поджигу.

Четвертая глава посвящена внедрению полученных результатов на производстве при изготовлении боковых стен железнодорожного вагона с оптимизацией процесса по параметрам режима и разработкой НТД.

а б

Рис. 14. Обеднение редкоземельными металлами венчика, N=500 св. точек: а - общий вид; б - венчик

^(Ы-О)

О N=300---

О М=500 -

Боковая стена кузова пассажирского железнодорожного вагона моделей 61-4440, 61-4447 (рис. 16) выполнена из сваренных между собой гладких и гофрированных листов, подкрепленных элементами жесткости. Диапазон толщин

составляет от 1+2,5 до 2,5+1 мм, сварка части плазменных сварных точек выполняется на весу.

Для подбора параметров режима PSW-сварки были разработаны методические рекомендации, приводящие к получению бездефектных сварных соединений при требуемой производительности:

I. выбор плазмообразующего газа и расстояния от торца электрода до верхней детали исходя из толщины верхней заготовки и производительности;

II. определение величины сварочного тока исходя из значения диаметра литого ядра, повышенного в -1,2..2,0 раза и проплавления -50...90% толщины нижней детали при нулевом зазоре;

III. определение времени сварки исходя из равномерности глубины проплавления нижней детали, производительности и уменьшения послесварочных деформаций;

IV. проверка обеспечения диаметра литого ядра, превышающего нормативное в -1,0. ..1,5 раза, прочности и проплавления -20...70% толщины нижней детали при максимальном зазоре;

V. при невыполнении условий I-IV коррекция сварочного тока, времени сварки, давления и расхода плазмообразующего газа;

VI. принятие мер для устранения характерных деффектов PSW-сварки (лунки и внутренней поры);

VII. коррекция времени и тока сварки при превышении предельных значений размеров конструктивных элементов после статистического исследования (15...51 проб для зазора с нулевым и максимальным значениями).

Подбор режимов сварки предварительно производится на образцах технологических проб, имитирующих плазменные сварные соединения боковых стен. При необходимости определения диаметра литого ядра, а также наличия дефекта в виде центральной поры (п. II, IV, V, VI и VII) целесообразно производить статические испытания на срез; при определении глубины проплавления (п. II, IV, V и VII) - испытания на отрыв; при учете повышенного перегрева, и, как следствие, деформаций и роста зерна (п. III) - испытания на скручивания, а также фрактографический анализ изломов после испытания на

Рис.16. PSW-соединения на боковой стене

срез и отрыв; по возможности, следует контролировать все вышеприведенные параметры по макрошлифам (п. II-VII).

После проведения подбора режима Р8"\У-сварки на образцах (п. 1-УП) выполняется его апробация непосредственно на изделии или макете.

Также найдена эмпирическая зависимость, которую целесообразно применять для сокращения времени и упрощения настройки режимов сварки:

с1 = {-2-2,5-* + 0,007 • I + 0,028 • I - 2,8 ■ Ь}^18^1^))+0Л5ехр(0>7.5)} (1)

где (I — диаметр литого ядра, мм;

I — время сварки, мс;

I - сварочный ток, А;

Ь - зазор, мм;

Б - толщина верхней свариваемой детали, мм.

Как было сказано выше, применение НТД на геометрию сварных точек, полученных свободной дугой, к полученных сжатой дугой, недопустимо по причине существенного расхождения по геометрии, дефектам, сочетаниям толщин и т.д. Данное обстоятельство вызывало трудности при проведении контроля качества и оформлении конструкторской документации на боковую стену вагона. Выход был найден в разработке стандарта организации (СТО) «Плазменная точечная сварка. Соединения сварные точеные».

Основой при разработке СТО служили государственные стандарты на дуговую и контактную точечную сварку, отраслевой стандарт на производство вагоностроительных сварных конструкций и экспериментальные исследования.

Определение допуска на размеры конструктивных элементов РБЭД-соединения производилось по разработанной методике исходя из условий обеспечения прочности сварной точки и диаметра литого ядра. А именно: при постоянных значениях сварочного тока и зазора выполнялось построение зависимостей конструктивного элемента и диаметра литого ядра от времени; графически определялся диапазон значений конструктивных элементов, соответсвующих минимально допустимому диаметру; проводились обобщения значений конструктивных элементов для других значений тока сварки и зазоров, приводящих к получению бездефектных точек; принимались крайние значения (наибольшее и наименьшее) с учетом величины стандартной ошибки конструктивного элемента.

Основные выводы и результаты

1. Установлено, что при точечной сварке сжатой дугой электромагнитные силы в сварочной ванне направлены от периферии точки к ее центру и лишены тангенциальной составляющей, что опровергает гипотезу об образовании характерных дефектов типа усиления по краям, лунки в центре и центральной поры в результате интенсивного вращения расплавленного металла.

2. Установлено, что причиной образования указанных дефектов является быстрая кристаллизация деформированной давлением дуги и плазменной струи сварочной ванны при завершении сварки.

3. Экспериментально показано, что эффективным путем устранения характерных дефектов типа усиления по краям, лунки в центре и центральной поры при точечной сварке сжатой дугой является снижение расхода защитного газа и плавное снижение тока на завершающем этапе сварки.

4. Установлены количественные связи между геометрическими параметрами сварных точек деталей из коррозионно-стойкой стали и конструктивно-технологическими параметрами сварки сжатой дугой, на основе которых разработаны методические рекомендации по назначению режимов сварки для получения бездефектных сварных соединений при требуемой производительности.

5. Обоснована целесообразность применения при точечной сварке сжатой дугой вольфрамового электрода, легированного лантаноидами, с углом заточки 20...30° для обеспечения длительной стойкости электрода, стабильного поджига дуги и оптимальной геометрии сварочной точки.

6. Установлено, что качество соединений, выполненных точечной сваркой сжатой дугой, чувствительно к условиям ее выполнения: оптимальна организация сварки на медной подкладке; удовлетворительно выполнение сварки на весу; проведение сварки на повышенных зазорах приводит к резкому снижению прочности и увеличению разброса ее значений.

7. Подобраны режимы точечной сварки сжатой дугой для всех сочетаний толщин, применяемых при изготовлении боковой стены. Экспериментально показано, что показатели прочности, пластичности и геометрические характеристики сварных соединений, выполненных точечной сваркой сжатой дугой, а так же их повторяемость в условиях массового производства, сопоставимы с аналогичными показателями при контактной точечной сварке.

8. На основе проведенных исследований разработан и внедрен стандарт организации «Плазменная точечная сварка. Соединения сварные точеные», гармонизирующий требования к геометрическим характеристикам и показателям качества соединений. Технология точечной сварки сжатой дугой используется при изготовлении боковой стены пассажирского вагона моделей 61-4440, 61-4447 на ОАО «Тверской вагоностроительный завод».

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Разработка стандарта организации на сварные точечные соединения, выполненные плазменной сваркой / И.В. Стрельников [и др.] // Будущее машиностроения России: Сборник материалов II Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов,- Москва, 2009. - С.73-74.

2. Влияние параметров режима на геометрию плазменной сварной точки / И.В. Стрельников [и др.] // Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности: Сборник трудов VIII Международной научно-практической конференции,- Санкт-Петербург, 2009. - С.158-164.

3. Размеры и дефекты PSW-соединения для различных режимов сварки / И.В. Стрельников [и др.] // Сварка и диагностика,- 2009. - №5. -С.45-49.

4. Лобжа Г.И., Коновалов A.B., Стрельников И.В. Влияние зазора на прочность и диаметр литого ядра плазменной сварной точки для сочетаний толщин 2,5+1 и 2,5+2 мм // Прогрессивные технологии и перспективы развития: Материалы I Всероссийской научно-практической конференции- Тамбов, 2010. — С.126-129.

5. Коновалов A.B., Стрельников И.В. Плазменная точечная сварка: возможные дефекты и меры по их устранению // Инновации. Интеллект. Культура: Сборник трудов XVII Всероссийской научно-практической конференции. - Тобольск, 2010. - С.57-59.

6. Определение размеров наружного диаметра PSW-соединения / И.В. Стрельников [и др.] // Новые материалы и технологии в машиностроении: 11-я Международная научно-техническая Интернет-конференция. - Брянск, 2010,-URL: http://science-bsea.bgita.ru/2010/mashin_2010/konovalov_opred.htm (дата обращения: 18.04.2012).

7. Стрельников И.В., Коновалов A.B. Разработка технологии PSW-сварки боковин из нержавеющей стали // Будущее машиностроения России: Сборник материалов III Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов. -Москва, 2010.-С.110-111.

8. Исследование взаимосвязи наружного диаметра и диаметра литого ядра сварного соединения при плазменной точечной сварке / И.В. Стрельников [и др.] // Вестник ТвГУ. Серия Физика,- 20Ю.-№25, выпуск 8,- С. 57-63.

9. Коновалов A.B., Стрельников И.В., Штемпфер Ф. Некоторые вопросы качества плазменной точечной сварки: Металлография, фрактография, статистика// Сварка и диагностика,- 2010.- №5 -С. 47-50.

10. Стрельников И.В., Коновалов A.B. Стабильность PSW-сварки в зависимости от параметров вольфрамового электрода // Прогрессивные технологии и перспективы развития: Материалы II Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых - Тамбов, 2010.-С.242.

11. Стрельников И.В., Коновалов A.B. Взаимосвязь зазора и геометрии точки при сварке сжатой дугой // Научный потенциал молодёжи - будущее России: II Всероссийская молодёжная научная конференция - Муром, 2011 г. -С. 248-249.

12. Коновалов A.B., Стрельников И.В. Определение оптимальной геометрии вольфрамового электрода при точечной сварке сжатой дугой // Известия высших учебных заведений. Машиностроение.-2011.-№ 6.-С. 53-57.

13. Пат. RU 2444424 С1, МПК В 23 К 31/12, В 23 К 10/02. Способ контроля качества плазменной точечной сварки / И.В. Стрельников (RU), Г.И. Лобжа (RU), В .К. Мешков (RU); заявитель и патентообладатель ОАО «ТВЗ» (RU). -№2010126796/02; Заяв. 30.06.2010 // БИ. - 2012. - №7.

Подписано к печати 26.04.12. Заказ №287 Объем 1,0 печ.л. Тираж 100 экз. Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5 (499) 263-62-01

61 12-5/2496

Московский государственный технический университет им. Н.Э Баумана

СТРЕЛЬНИКОВ ИЛЬЯ ВЛАДИМИРОВИЧ

УДК 621.791

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ТОЧЕЧНОЙ СВАРКИ СЖАТОЙ ДУГОЙ БОКОВОЙ СТЕНЫ ПАССАЖИРСКОГО ВАГОНА ИЗ КОРРОЗИОННО-СТОЙКОЙ СТАЛИ

Специальность 05.02.10 - Сварка, родственные процессы и технологии

На правах рукописи

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент А.В. КОНОВАЛОВ

Москва-2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5 Глава 1. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ И СПОСОБОВ ТОЧЕЧНОЙ СВАРКИ ЛИСТОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОРРОЗИОННО-СТОЙКИХ

СТАЛЕЙ 8

1.1. Особенности сварки изделий из коррозионно-стойких сталей

на примере боковой стены вагона 8 1.1.1 Конструкционно-технологические особенности сварки

тонколистовых крупногабаритных изделий 8

1.1.2. Металлургические особенности сварки аустенитных сталей 9

1.2. Способы точечной сварки 13

1.2.1. Контактная точечная сварка 13

1.2.2. Лазерная точечная сварка 16

1.2.3. Дуговая точечная сварка 17

1.2.3.1. Дуговая точечная сварка в защитных газах плавящимся электродом, а также модификации 18

1.2.3.2. Дуговая точечная сварка неплавящимся электродом в среде защитных газов 23

1.2.3.3. Дуговая точечная сварка штучным электродом 32

1.2.3.4. Дуговая точечная сварка порошковой проволокой 34

1.2.3.5. Дуговая точечная сварка по отверстиям 34

1.2.3.6. Дуговая точечная сварка под флюсом 35

1.2.3.7. Дуговая точечная сварка обжатой дугой 36

1.2.4. Обоснование выбора плазменной точечной сварки при изготовлении боковой стены 44

1.3. Особенности геометрии соединения и характерные дефекты плазменной точечной сварки 48

1.4. Цель и задачи работы 50

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ОСОБЕННОСТИ

ФОРМИРОВАНИЯ PSW-СОЕДИНЕНИЯ 52

2.1. Принцип действия и оборудование для PSW-сварки 52

2.1.1. Сущность PSW-сварки 52

2.1.2. Оборудование и параметры цикла PSW-сварки 54

2.1.3. Выбор плазмообразующего газа для PSW-сварки 55

2.2. Сравнительные испытания точек, полученных КТС и PSW 56

2.3. Статистическое исследование влияния технологических факторов на прочность сварной точки 58

2.4. Конструктивные элементы сварной точки 60

2.4.1. Диаметр литого ядра и глубина проплавления 60

2.4.2. Конструктивные размеры верхнего профиля сварочной ванны 63

2.4.3. Зазор между свариваемыми деталями 69

2.4.4. Характерные дефекты и меры по их предотвращению 69

2.5. Выводы главы 2 73 Глава 3. СВОЙСТВА PSW-СОЕДИНЕНИЯ 74

3.1. Прочность плазменной сварной точки 74

3.1.1. Определение прочности сварной точки 74

3.1.2. Зависимость прочности сварной точки от величины зазора 77

3.2. Металлография, фрактография и твердость PSW-соединения 80

3.2.1. Металлографические исследования 80

3.2.2. Определение границ сплавления сварной точки магнитопорошковым методом 83

3.2.3. Фрактографическские исследования, микротвердость 86

3.3. Оптимизация параметров неплавящегося электрода 86

3.3.1. Причины, влияющие на стабильность ТС 86

3.3.2. Марка и подготовка торца неплавящегося электрода 87

3.3.3. Причины потери работоспособности электрода 88

3.3.4. Влияние угла заточки электрода на геометрию точки, выполненной PSW- сваркой 92

3.3.5. Влияние угла заточки электрода на стабильность PSW-сварки 94

3.4. Выводы главы 3 97

Глава 4. ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА PSW-CBAPKH, РАЗРАБОТКА

ИТД НА PSW-СОЕДИНЕНИЯ И ВНЕДРЕНИЕ ПРОЦЕССА

ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ БОКОВЫХ СТЕН ВАГОНА 98

4.1. Внедрение плазменной точечной сварки при производстве

боковых стен пассажирского железнодорожного вагона 98

4.1.1. Конструкция боковой стены пассажирского вагона 98

4.1.2. Технология и оборудование для сборки и сварки боковой стены 99

4.2. Оптимизация режима PSW-сварки 104

4.2.1. Обобщенная методика выбора режимов PSW-сварки 104

4.2.2. Настройка режимов PSW-сварки на боковой стене пассажирского вагона из коррозионно-стойкой стали 106

4.3. Разработка стандарта организации на геометрию PSW-соединения 110

4.3.1. Определение предельных отклонений размеров конструктивных элементов PSW-соединения 110

4.3.2. Этапность разработки СТО на геометрию PSW-соединения 116

4.4. Выводы главы 4 117

Общие выводы по работе 119

Литература 121

Приложения 132

ВВЕДЕНИЕ

На долю железнодорожного транспорта приходится около 40...50% пассажирских перевозок. Поэтому железнодорожный транспорт в России имеет важное значение в жизнеобеспечении экономики и реализации социальных услуг [1, 2]. При этом постоянно повышаются требования к эстетическому восприятию, скоростному режиму, надежности перевозок, плавности хода, что требует совершенствования конструкции и технологии производства железнодорожного транспорта.

В настоящее время согласно директиве РЖД на Тверском вагоностроительном заводе осуществляется переход с производства пассажирских вагонов из углеродистой стали на производство вагонов из коррозионно-стойкой стали, которые имеют нормативный срок эксплуатации 50 лет. Одним из основных крупногабаритных листовых многослойных сборочных узлов вагона является боковая стена. При изготовлении боковых стен для сварки нахлесточных соединений с сочетанием толщин от 1+1 до 2,5+2,5 мм традиционно используется односторонняя контактная точечная сварка (КТС). В ряде случаев применение КТС затруднено либо постановкой нечетного числа сварных точек, либо недостаточным для пары сварных точек расстоянием до края нахлестки, либо отсутствием медной подкладки под частью деталей. Возможно применение дуговой точечной сварки. Учитывая высокие требования к качеству лицевой поверхности (отсутствие короблений, сварочных брызг, раковин), к коррозионной стойкости, а также к стабильности качества сварки, целесообразно использовать дуговую точечную сварку сжатой дугой (PSW-сварку).

Вопросам обеспечения стабильности и совершенствования процесса дуговой точечной сварки (ДТС) посвящено большое число работ отечественных и зарубежных ученых (А.Г. Потапьевский, B.C. Хожило,

A.З. Блитштейн, Д.И. Вайнбойм, С.А. Ермаков, В.А. Коновалов, В.И. Астахин,

B.П. Сидоров, И.П. Куркин, А.Е. Аснис, В.С Виноградов, В.А. Веселов,

С.И. Полосков, В.В. Мартынович, А.Н. Тимошенко, А.И. Акулов, 8. 01е8з1ег, II. РткетеНе и др.). Однако ряд вопросов остается нерешенным или решены применительно к ДТС свободной дугой или же для другого материала. Так, применение нормативных требований для сварных соединений, полученных ДТС, к РЗ'^соединениям невозможно вследствие характерной геометрии точки. Малоисследован вопрос образования таких дефектов как центральная внутренняя пора, глубокая лунка, выплеск и раковина с обратной стороны. Так как процесс Р8\¥-сварки производится без применения электродного или присадочного материала, особую значимость приобретает проблема обеспечения стабильности качества и влияния на него различных технологических возмущений (зазора, состояния между электродами и т.д.). Внедрение нового процесса Р8\¥-сварки предполагает разработку рекомендаций по настройке и оптимизации режима сварки, а также нормативной документации на геометрию и дефекты для составления конструкторско-технологической документации и контроля качества.

Представляемая работа посвящена обеспечению качества соединений коррозионно-стойкой стали, выполняемых точечной сваркой сжатой дугой с применением экспериментальных и теоретических методов исследования: металлографический анализ микро- и макроструктуры, фрактографический анализ, измерения микротвердости сварных шлифов, механические испытания сварных соединений, определение границ сплавления сварной точки магнитопорошковым методом, планирование эксперимента и статистическая обработка экспериментальных данных, компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния сварного соединения с использованием метода конечных элементов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Причины образования и эффективные методы устранения характерных дефектов типа усиления по краям, лунки в центре и центральной поры при точечной сварке сжатой дугой;

2. Зависимость качества соединений, полученных точечной сваркой сжатой дугой, от условий ее выполнения: на медной подкладке; на весу; на повышенных зазорах;

3. Количественные связи между геометрическими параметрами сварных точек и конструктивно-технологическими параметрами сварки сжатой дугой, на основе которых разработаны методические рекомендации по назначению режимов сварки для получения бездефектных сварных соединений при требуемой производительности;

4. Оптимизация формы рабочего торца и состава неплавящегося электрода для обеспечения его длительной стойкости, стабильного поджига дуги и оптимальной геометрии точки при сварке сжатой дугой.

Автор считает своей приятной обязанностью выразить искреннюю признательность и благодарность научному руководителю доктору технических наук A.B. Коновалову за повседневное внимание, терпение и помощь в выполнении данной работы.

Глава 1. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ И СПОСОБОВ ТОЧЕЧНОЙ СВАРКИ ЛИСТОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОРРОЗИОННО-СТОЙКИХ СТАЛЕЙ

1.1. Особенности сварки крупногабаритных изделий из коррозионно-стойких сталей на примере боковой стены вагона

Вагонный парк должен характеризоваться высокой надежностью и долговечностью конструкции, обеспечивающих безопасность движения поездов. Боковая стена является составной частью цельнонесущей конструкции кузова пассажирского железнодорожного вагона [1, 2]. В свою очередь, в сварной конструкции боковой стены наиболее слабым местом является сварной шов, зона термического влияния и прилегающие к нему участки основного металла. Качество сварного точечного соединения определяется, прежде всего, технологическими и металлургическими факторами.

1.1.1. Конструкционно-технологические особенности сварки тонколистовых крупногабаритных изделий

Конструкция боковой стены (см. также п. 3.2.1) имеет ряд особенностей:

- имеются места, в которых применение медных подкладок невозможно («трехслойный сэндвич»);

- часть детали имеет сравнительно неширокие выступы, которые должны быть надежно зафиксированы;

- существуют эстетические требования: отсутствие короблений, сварочных брызг, раковин и др. дефектов на лицевой поверхности, являющейся «презентационной» поверхностью вагона: так, например, допуск прямолинейности плоской обшивки в надоконной зоне составляет 2,5 мм на длине 2000 мм в продольном направлении, 2 мм на длине 1000 мм в продольном направлении, 3 мм в поперечном направлении, а гофрированной обшивки - 1 мм на длине 1000 мм в продольном направлении.

- требования по прочности (см. также п. 3.5);

- требования по надежности, стабильной воспроизводимости качества сварки.

Особое внимание следует уделить требованиям по надежности и воспроизводимости качества сварки: стабильной повторяемости диаметра литого ядра, глубины проплавления, отсутствия дефектов (см. п.п. 2.3- 3.1).

Также следует отметить, что такие крупногабаритные детали, как боковая стена, габариты которой вместе с технологическими припусками на крепление зажимов растягивающих устройств, но без учета дверных проемов, составляет ~2250х22500мм, (см. также п. 3.2.2) имеет целый ряд технологических ограничений:

- сложностью кантования изделия;

- необходимость, как правило, сборки под сварки на одной позиции и собственно сварки на другой;

- необходимость маневренности сварочного оборудования при сборке под сварку;

- сложность исправления брака на последующих операциях;

- труднодоступность изделия, в том числе для контроля, с оборотной стороны непосредственно в процессе сборки или сварки.

При сборке крупногабаритных листовых конструкций с использованием точечной сварки возникает также проблема минимизации зазора нахлесточного соединения, а также обеспечения постоянства его значения (см. также п. 3.5).

1.1.2. Металлургические особенности сварки аустенитных сталей

Долговечность и надёжность вагонных конструкций зависят от коррозионной стойкости элементов кузова. Поэтому особое внимание уделяют выбору материала, для изготовления применяются низколегированные и

коррозионно-стойкие стали, алюминиевые стали, пластмассы, а также стойкие защитные покрытия [1,2].

Благодаря комплексу технологических и механических свойств: коррозионной стойкости, свариваемости, пластичности, прочности, обрабатываемости резанием, - сплавы на основе железа с высоким содержанием хрома (>16%) и никеля (>8%), так называемые классические Ге-М-Сг сплавы, или т.н. коррозионно-стойкие стали марок 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 12Х18Н12Т, 08Х18Н9, 03Х16Н9М2, 06Х16Н11МЗ по ГОСТ 563272, несмотря на относительно высокую стоимость широко применяются в качестве конструкционных материалов в теплоэнергетике, химическом, транспортном и атомном машиностроении [3-5].

Однако, применение коррозионно-стойких сталей в сварных конструкциях, связано с возможным возникновением некоторых трудностей:

- межкристаллитная коррозия (МКК);

- образование крупных столбчатых кристаллитов, рост зерна;

- склонность к образованию горячих трещин в шве и по линии сплавления;

- 475-градусная или тепловая хрупкость;

- значительная суммарная пластическая деформация металла шва и околошовной зоне, коробление [3-5].

Аустенитные коррозионно-стойкие стали имеют склонность к МКК в зоне шва и зоны термического влияния (ЗТВ). МКК является коррозией, возникающей на границах зерен, и связана с перераспределением хрома. Механизм возникновения МКК состоит в следующем. Под действием критических температур (500...800°С), например, во время сварки, по границам зерен выделяются карбиды, обогащенные хромом. Одновременно происходит обеднение хромом приграничных слоев зерен (до значения Сг<12%), которое ведет к потере стойкости под действием агрессивной среды. Поскольку проникновение агрессивной жидкости в сталь идет по границам зерен, а

собственно зерна остаются нетронутыми, по внешнему виду металла нельзя определить, поражен ли он межкристаллитной коррозией. Для этого необходимо приложить нагрузку к металлу. При этом раскрываются коррозионные трещины, а отдельные зерна могут даже выпасть из деформируемого металла. Стойкость против МКК уменьшается при увеличении длительности нахождения в интервале критических температур. Поэтому, необходимо, по возможности, уменьшать время сварки. Также благотворное действие на способность к сопротивлению МКК оказывают:

- легирование сильными карбидообразующими элементами -титаном и ниобием, имеющими большее сродство к углероду, чем хром;

- формирование двухфазной аустенитно-ферритной структуры, либо структуры аустенита с небольшой примесью феррита;

- термической обработкой, например закалкой: при нагреве до 1050... 1100°С карбиды хрома растворяются в аустените, а быстрое охлаждение фиксирует аустенитную структуру;

- технологическими приемами: сваркой короткой дугой, ускоренным охлаждением (см. п.п. 3.2, 3.3) [3-7].

Образование крупных столбчатых кристаллитов, рост зерна и микрохимической неоднородностью металла из-за повышенной ликвации Р, S, С, Si также является проблемой при сварке хромоникелевых сталей. Решение данной проблемы - в измельчении зерна, подборе способа и режима сварки с высокой концентрацией тепловой энергии и быстрым охлаждением, создании двухфазной структуры (см. п. 3.7) [3-6]

При длительном нахождении изделий из высоколегированных аустенитно-ферритных сталей в интервале температур от 350 до 500°С может появиться 475-градусная или тепловая хрупкость, а аустенитных или аустенитно-ферритных сталей в интервале температур от 550 до 850°С может возникнуть охрупчивание в результате выпадения а-фазы, представляющей собою интерметаллид (т.н. сигматизация). Предотвращение охрупчивания швов

- резком снижении их ударной вязкости - достигается ограничением в металле феррита (менее 15...20%), а также назначение оптимальных режимов сварки с быстрым охлаждением (см. п.п. 3.5, 3.7) [3-7].

Вследствие достаточно высокого коэффициента теплового расширения, и пониженной теплопроводности высоколегированных сталей значительно возрастает суммарная пластическая деформация металла шва и околошовной зоны. Для снижения коробления следует использовать способы, режимы и технику сварки, обеспечивающие максимальную концентрацию тепловой энергии, уменьшение потерь тепла (см. п.п. 1.2.3, 1.2.4, 3.2) [3- 6].

Горячие трещины возникают в зоне температурного интервала хрупкости (ТИХ) (при кристаллизации сварочной ванны или непосредственно после, при малой пластичности металла), когда сочетание неблагоприятных факторов (режим сварки, низкая пластичность, способ закрепление и напряженное состояние, способ кристаллизации, наличие вредных примесей и т.д.) приводит к случаю, при котором деформационная способность оказывается меньше параметров напряженно-деформированного состояния в результате неравномерного нагрева в процессе сварки. Повышенная склонность аустенитных швов к трещинам обусловлена не только особенностями их кристаллизации, но также значительно большей ус�