автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.10, диссертация на тему:Снижение остаточных напряжений в восстановленных наплавкой конструкциях из низкоуглеродистых сталей электродуговой обработкой

На правах рукописи //

005005078

Арефьев Иван Васильевич

СНИЖЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ВОССТАНОВЛЕННЫХ НАПЛАВКОЙ КОНСТРУКЦИЯХ ИЗ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ОБРАБОТКОЙ

05.02.10 - Сварка, родственные процессы и технологии

- 8 ДЕК 2011

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград - 2011

005005078

Работа выполнена на кафедре «Оборудование и технология сварочного производства» Волгоградского государственного технического университета

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Лапин Игорь Евгеньевич.

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Сидоров Владимир Петрович.

Кандидат технических наук Панков Виктор Владимирович.

Ведущая организация ОАО «ВНИИПТхимнефтеаппаратуры»

г. Волгоград.

Защита состоится 23 декабря 2011 г. в 10:00 на заседании диссертационного совета Д 212.028.02 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400005, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан « 23 » ноября 2011г. Ученый секретарь /

диссертационного совета г^/^Г^^"" Кузьмин C.B.

восстановлении крупногабаритных конструкций / И.В. Арефьев, A.B. Савинов, И.Е. Лапин, В .И. Лысак, А.Н. Потапов // Сборка в машиностроении, приборостроении. -2009.-№10.-С. 41-46.

5. Влияние конструкции неплавящегося электрода на формирование шва при аргонодуговой сварке / O.A. Полесский, A.B. Савинов, И.Е. Лапин, В.И. Лысак, И.В. Арефьев // Изв. ВолгГТУ. Серия "Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении". Вып. 4 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2010. - № 4.-С. 138-140.

6. Основные закономерности изменения энергетических и технологических характеристик дугового разряда в смесях инертных газов / A.B. Савинов, O.A. Полесский, И.Е. Лапин, В.И. Лысак, И.В. Арефьев // Сварка и Диагностика. - 2010. - № 6 (ноябрь-декабрь). - С. 14-17.

7. Моделирование тепловых процессов локальной элекгродуговой термообработки сварных соединений неплавящимся электродом / И.В. Арефьев, И.Е. Лапин, В.Н. Стяжин, A.B. Савинов, В.И. Лысак, O.A. Полесский // Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2011. - № 3. - С. 44-48.

Статьи в материалах конференций и других изданиях

8. Возможности снижения сварочных напряжений при ремонте наплавкой технологического оборудования, в том числе подверженного термообработке / М.А. Шуваев, П.Р. Нечипоренко, А.Г. Веретенников, В.М. Горицкий, А.Н. Потапов, A.B. Савинов, И.Е. Лапин, И.В. Арефьев // Состояние и основные направления развития сварочного производства ОАО "Газпром": матер, отраслевого совещания (Арзамас, 4-6 апр. 2006 г.) / ОАО "Газпром". - М., 2006. - С.

9. Арефьев, И.В. Свойства соединений при восстановительной наплавке оборудования химических производств / И.В. Арефьев, И.Е. Лапин // X Региональная конференция ученых Волгоградской области, г.Волгоград, 8-11 ноября 2005 г.: тез. докл. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2006. - С. 166-167.

Ю.Арефьев, И.В. Исследование свойств наплавленного металла при восстановительной наплавке оборудования химических производств / И.В. Арефьев // Научный потенциал студенчества - будущему России: матер. Всерос. науч. конф., г.Ставрополь, 19-20 апреля 2006 г. / Сев.-Кавказ. гос. техн. ун-т [и др.]. - Ставрополь, 2006. - С. 71.

11.Исследование свойств наплавленного металла при ремонтной ручной дуговой наплавке / И.Е. Лапин, А.Н. Потапов, A.B. Савинов, И.В. Арефьев // Современные проблемы повышения эффективности сварочного производства: сб. ст. Всерос. н.-т. конф. с междунар. участ., 15-17 ноября / Тольяттинский гос. ун-т. - Тольятти, 2006. -4.1. - С. 3-7.

12.Разработка технологии восстановительной наплавки оборудования химических производств / И.Е. Лапин, А.Н. Потапов, A.B. Савинов, И.В. Арефьев // Прогрессивные технологии в обучении и производстве: матер. IV Всерос. конф., г.Камышин, 18-20 октября 2006 г. / КТИ (филиал) ВолгГТУ [и др.]. - Камышин, 2006. - Т.1. - С. 77-79.

13.Влияние способов и параметров ремонтной наплавки на ударную вязкость наплавленного металла и зоны термического влияния / И.В. Арефьев, И.Е. Лапин, А.Н. Потапов, A.B. Савинов // Новые перспективные материалы и технологии их

получения. НПМ-2007: сб. науч. тр. междунар. конф., Волгоград, 9-12 окт. 2007 г. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2007. - С. 101-102.

14.Арефьев, И.В. Технологические особенности восстановительной наплавки оборудования химических производств / И.В. Арефьев, И.Е. Лапин // XI Региональная конференция ученых Волгоградской области, г.Волгоград, 8-10 ноября 2006 г. : тез. докл. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2007. - С. 146-147.

15.Влияние параметров ручной дуговой наплавки на остаточные сварочные напряжения и механические свойства сварных соединений / И.Е. Лапин, И.В. Арефьев, A.B. Савинов, А.Н. Потапов // Новые материалы и технологии (НМТ-2008) : матер, всерос. науч.-техн. конф., Москва, 11-12 нояб. 2008 г. В 3 т. Т. 1 / "МАТИ" -Рос. гос. технол. ун-т им. К.Э. Циолковского. - М., 2008. - С. 37-38.

16.Исследования напряжений второго рода сварных соединений спиральношов-ных и прямошовных труб / И.Л. Пермяков, A.B. Савинов, И.В. Арефьев, И.Е. Лапин // Новые материалы и технологии (НМТ-2008) : матер, всерос. науч.-техн. конф., Москва, 11-12 нояб. 2008 г. В 3 т. Т. 1 / "МАТИ" - Рос. гос. технол. ун-т им. К.Э. Циолковского. - М., 2008. - С. 44-45.

17.Арефьев, И.В. Влияние локального электродугового воздействия на снижение остаточных сварочных напряжений / И.В. Арефьев, И.Е. Лапин // ХШ региональная конференция ученых Волгоградской области, г.Волгоград, 11-14 нояб. 2008 г.: тез. докл. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2009. - С. 157-158.

18. Арефьев, И.В. Снижение уровня остаточных сварочных напряжений посредством управления термическим циклом напрлавки и термообработки / И.В. Арефьев, И.Е. Лапин // Проведение научных исследований в области машиностроения : сб. матер, всерос. науч.-техн. конф. с элементами науч. школы (27-28 нояб. 2009 г.). В 3 ч. Ч. 1 / Тольяттинский гос. ун-т [и др.]. - Тольятти, 2009. - С. 18-23.

19.Корниенко, A.A. Исследование влияния термического цикла наплавки и локальной аргонодуговой обработки на механические свойства сварного соединения / A.A. Корниенко, И.В. Арефьев II Тезисы докладов юбилейного смотра-конкурса научных, конструкторских и технологических работ ВолгГТУ, Волгоград, 11-14 мая 2010 г. /ВолгГТУ, Совет СНТО. - Волгоград, 2010. - С. 61-62.

20.Арефьев, И.В. Моделирование локального теплового воздействия дуги с не-плавящимся электродом / И.В. Арефьев, И.Е. Лапин // XIV региональная конференция ученых Волгоградской области (Волгоград, 10-13 нояб. 2009 г.) : тез. докл. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2010. - С. 119-121.

21. Балаян, М.Г. Анализ напряжений второго рода в металле сварного шва, околошовной зоне и основном металле спиральношовных и прямошовных труб / М.Г. Балаян, A.A. Корниенко, И.В. Арефьев // XV региональная конференция ученых Волгоградской области (Волгоград, 9-12 ноября 2010 г.) : тез. докл. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2011. - С. 174-175.

22.Арефьев, И.В. Исследование влияния состава защитного газа на окисление металла шва / И.В. Арефьев, E.H. Смирнова, A.B. Залипаев // Инновационные материалы и технологии в машиностроительном производстве : матер, всерос. науч,-практ. конф. (11-12 марта 2011 г.) / Орский гуманитарно-технологический ин-т (филиал) ГОУ ВПО "Оренбург, гос. ун-т" [и др.]. - Орск, 2011. - С. 10-11.

23.Балаян, М.Г. Исследование остаточных напряжений в сварных соединениях труб большого диаметра / М.Г. Балаян, И.В. Арефьев // Тезисы докладов смотра-

Выявлена зависимость величины коэффициента сосредоточенности к дуги с неплавящимся электродом от конструкции последнего и величины сварочного тока, заключающаяся в 2+3 кратном снижении к при росте тока от 50 до 300А и его постоянстве при дальнейшем росте тока. При этом значение к дуги с диффузным катодным пятном, в среднем, в 2 раза ниже, чем с сосредоточенным, а его величина в аргоне на 20+30% ниже, чем в гелии.

Показано, что коэффициент сосредоточенности дуги с диффузным катодным пятном мало зависит от длины дуги и скорости ее перемещения, а при Ьд, не превышающей 4 мм, влияние этих показателей на величину к отсутствует. Применение такой дуги для локальной термообработки наплавленного металла обеспечивает не только высокую стабильность процесса, но и хорошую воспроизводимость его результатов по уровню остаточных напряжений.

Практическая значимость Результаты исследований легли в основу разработанных технологических рекомендаций наплавки и локальной дуговой термообработки неплавящимся электродом в инертных газах наплавленного металла, которые внедрены на ОАО «Астраханьгазпром» с экономическим эффектом 326 тыс. руб. (доля автора 25 %).

Разработаны способ электродуговой обработки сварных соединений для снятия остаточных сварочных напряжений (патент РФ № 2376345) и неплавящийся электрод для дуговой сварки (патент РФ №88308), обеспечивающие высокую эффективность дуговой термообработки наплавленного металла при осуществлении ремонта крупногабаритных конструкций и технологического оборудования.

Определен комплекс оптимальных параметров режима локальной электродуговой термообработки, связывающий амплитуду колебаний источника нагрева, скорость продольного перемещения, ток дуги, конструкцию электрода, защитный газ, обеспечивающий термообработку сварных соединений без оплавления металла, что способствует эффективному снижению остаточных сварочных напряжений.

Полученные результаты работы также использованы в учебном процессе ВолгГТУ на кафедре «Оборудование и технология сварочного производства».

Апробация работы Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных внутривузовских (2006-2011гг.) конференциях ВолгГТУ, 7 международных, всероссийских и региональных конференциях: всероссийской научной конференции «Научный потенциал студенчества - будущее России» (Ставрополь 2006), всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы повышения эффективности сварочного производства» (Тольятти 2006), всероссийской конференции «Прогрессивные технологии в обучении и производстве» (Камышин 2006), всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ-2008» (Москва 2008), всероссийской научно-технической конференции с элементами научной школы «Проведение научных исследований в области машиностроения» (Тольятти 2009), всероссийской научно-технической конференции «Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности, образовании и экологии» (Тула 2011).

Публикации По результатам диссертационной работы опубликовано 26 работ, в том числе 7 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 8 статей в сбор-

никах научных трудов и материалов конференций, 11 тезисов докладов на научных конференциях, а также получено 2 патента РФ.

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов и списка использованной литературы. Работа содержит 152 страниц, 70 рисунков, 16 таблиц. Список использованной литературы содержит 154 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, приведены цель и задачи исследований, сформулированы научная новизна, практическая значимость полученных результатов и их реализация.

В первой главе проведен анализ современных способов снижения остаточных сварочных напряжений и методов их контроля. Обоснована перспектива разработки способа электродуговой термообработки неплавящимся электродом, обеспечивающего эффективное снижение остаточных сварочных напряжений в наплавленном металле и зоне термического влияния (ЗТВ) при низких энергозатратах и трудоемкости, невысокой себестоимости процесса по сравнению с существующими аналогами, намечены пути решения поставленных задач.

Во второй главе описаны используемые материалы, оборудование и методы исследований состояния и степени деградации металла, уровня и характера распределения остаточных сварочных напряжений 1-го и И-го рода в наплавленном металле и ЗТВ.

Поиск областей с высокой неоднородностью напряженно-деформированного состояния или зон концентрации напряжений (ЗКН) в наплавленном металле осуществляли методом магнитной памяти металла (МПМ) с помощью прибора ИКН-1М-4.

Определение макронапряжений 1-го рода аху осуществляли с помощью метода спекл-интерферометрии с применением лазерного интерферометра, разработанного в Институте проблем механики им. А.И. Ишлинского РАН.

Фазовый состав, структуру, значения микронапряжений оп наплавленного металла и ЗТВ определяли с использованием многоцелевого рентгеновского ди-фрактометра «ДРОН -3».

В третьей главе представлена модель локальной дуговой термообработки неплавящимся электродом в защитных газах, в которой рассматривается схема нагрева пластины толщиной ё, движущимся источником тепла с нормальным распределением теплового потока (рис. 1,а). При этом рассматривались следующие варианты электродугового нагрева: с постоянным значением эффективной тепловой мощности (стационарный режим); с динамическим изменением эффективной тепловой мощности за счет наложения импульсов тока /„ (рис.1, б) на базовый ток 1б (импульсный режим) при различных параметрах длительности импульса /„ и базового тока в стационарном и импульсном режимах с наложением поперечных колебаний.

В рассматриваемой модели учитываются потери на излучение и конвективный обмен с окружающей средой, а теплофизические коэффициенты рассматриваются как функции от температуры.

В случае трехмерного тела при отсутствии теплообмена с окружающим пространством общее уравнение теплопроводности имеет вид:

д1 ср дх2 ду2 Ъг2'

(1)

где а =--коэффициент температуропроводности материала; А - коэффи-

ср

циент теплопроводности; ср - объемная теплоемкость; У'Г - оператор Лапласа.

Z, мм

X, мм

1гв> А

с

б)

Рис. 1. Расчетная схема нагрева пластины(а) и изменение тока дуги при импульсно-дуговой термообработке (б): /& - ток основной дуги; 1Ш - ток дуги во время импульса; - длительность паузы; /„ - длительность импульса тока

Для случая нагрева сварочными источниками тепла, принимая во внимание теплоотдачу с поверхностей рассматриваемой пластины, в расчетах использовали дифференциальное уравнение Фурье следующего вида:

? = Т)-КТ-Т) (2)

б/ ср дх2 ду2

2а

где Ъ = - коэффициент температуроотдачи пластины толщиной <5; срЗ

а - коэффициент поверхностной теплоотдачи; Т - температура поверхности тела; Тс - температура окружающей среды.

Температурное поле от быстродвижущегося нормально распределенного источника в любой точке пластины:

(3)

где д - эффективна тепловая мощность источника; к - коэффициент сосредоточенности источника тепла; Т - радиус пятна нагрева, рассчитываемый как

3,46 п Г? Ь

г = ; 8 - толщина пластины; Ка - функция Бесселя от аргумента — + — ;

Я = т/х2 + у1 + 21 - расстояние до заданной точки, в которой необходимо определить температуру, - координаты точки.

Тепловой поток от нормально распределенного движущегося источника нагрева с учетом импульсного изменения во времени <7, можно записать:

<7„ = Ш и Л ехр(-*((* - V/)2 + /) (4)

где Ш = 1б +

__'и +'б

Ии-Ь) -

функция изменения тока во

времени (рис. 1, б) при условии 1И < г6, г2 = [х-VI)1 + у2 - радиус пятна нагрева; V - скорость продольного передвижения источника тепла.

Характер перемещения электрода у(0 при термообработке поперечными колебаниями дуги определяется с помощью функции Хевисайда Н(1), цикличность которой в СОМБОЬ МиЫрЬукь задается синусоидальной зависимостью: У (О = У + (Н(') ятОа/) - 0,05, с)п где у - коэффициент, учитывающий смещение оси колебаний относительно оси сварного шва, СО - частота колебаний электрода, с - коэффициент, позволяющий выбрать форму колебаний от прямоугольной до синусоидальной, п - коэффициент, определяющий величину амплитуды колебаний.

При подстановке выражения (4) в (3) для импульсного источника получим:

ТЪЛ) = г„ + ехрфХо(гГ^1}

2 жЛд 2 а \4а а

С помощью расчета получены тепловые поля и термические циклы для различных схем локальной термообработки неплавящимся электродом, анализ которых свидетельствует, что скорость охлаждения металла на границе шва и ЗТВ как для сварочного источника нагрева постоянной мощности, так и для импульсного источника без колебаний электрода характеризуется высокими значениями. Показано, что интенсивное снижение температуры со скоростью №охл > 12 °С/сек способствует образованию высокого уровня остаточных сварочных напряжений и ухудшению механических свойств, в связи с чем необходимо применение специальных мер.

Положительные результаты для минимизации остаточных сварочных напряжений показало применение поперечных колебаний неплавящегося электрода при проведении локальной дуговой термообработки (ТО), оптимальный выбор параметров которых значительно снизил максимальные значения температуры ТЦ.

Расчеты показали существенную зависимость максимальной температуры на поверхности обрабатываемого металла от коэффициента сосредоточенности дуги, в связи с чем проводились исследования влияния конструкции неплавящихся электродов и величины тока на сосредоточенность разряда в аргоне и гелии.

Анализ полученных результатов выявил зависимость величины коэффициента сосредоточенности к дуги с неплавящимся электродом от конструкции последнего и величины сварочного тока 1д, заключающуюся в 2-^3 кратном снижении к при росте тока от 30 до 250А и его постоянстве при дальнейшем росте I (рис. 2). При этом коэффициент сосредоточенности дуги с диффузным катодным пятном, в среднем, в 2 раза ниже, чем с сосредоточенным, а значения к в аргоне на 20-30% ниже, чем в гелии.

Результаты, приведенные на рис. 2. свидетельствуют о существенном влиянии геометрии рабочего участка электрода и величины тока на сосредоточенность дуги и позволяют рекомендовать применение для дуговой термообработки электродов с заточкой рабочего участка на обратный конус при величине дуги 1д >200А.

Распределение теплового потока дуги в гелии, помимо большего значения к, характеризуется большей величиной удельного теплового потока q (рис. 3), в связи с чем для дуговой термической обработки без оплавления поверхности металла целесообразно применение в качестве защитного газа аргона.

а б

Рис. 3 - Распределение тепловых потоков дуги в аргоне (а) и гелии (б) Определены зависимости температуры максимума термического цикла Ттах от коэффициента сосредоточенности дуги и величины импульса тока (в случае импульсной ТО). Данные расчетов и экспериментов (рис. 4) свидетельствуют о возможности эффективного управления термическим циклом ТО за счет регулирования величины импульса тока, и выбора рациональной конструкции электрода, исключая вероятность оплавления металла. Так, например, при использовании электродов с рабочим участком в виде обратной конической заточки или полого катода, обеспечивающих значения к < 0,05 лш~2достигается снижение температуры максимума термического цикла (Ттак) на 15+20%.

Увеличение коэффициента сосредоточенности к > 0,06 мм'2 при использовании электродов с конической заточкой рабочего участка способствует достижению пиковых значений температуры Ттах с последующим спадом последней в связи со значительной локализацией вводимого тепла.

100 200 30» 40В I, А Рис. 2 - Зависимость коэффициента сосредоточенности к дуги от тока 1,вида газа и формы рабочего участка электрода

Выявлены зависимости коэффициента к от скорости перемещения источника Vnp (рис. 5) и длины дуги L (рис. 6) для различных конструкций электродов, которые свидетельствуют о значительном снижении к при увеличении скорости перемещения дуги вследствие отставания («растягивания») анодного пятна нагрева в диапазоне скоростей 2,0н-3,0 хЮ'2м/с с последующим постоянством при дальнейшем увеличении Vnp (рис. 5). Рост длины дуги от 2 до 6 мм способствует снижению к в 2,5-КЗ раза, что, касательно электродов с конической заточкой, согласуется с данными A.B. Царькова. При этом применение электродов, обеспечивающих горение дуги с диффузным катодным пятном, снижает к в 4 раза и практически не зависит от длины дуги (рис. 6).

Проведенные исследования позволяют выбирать рациональные параметры режима термообработки, конструкции неплавящихся электродов, скорость и характер перемещений источника нагрева, защитного газ, обеспечивающие благоприятный термический цикл ТО, низкие скорости охлаждения и отсутствие оплавления на поверхности термообрабатываемых участков. В то же время, от вышеуказанных параметров ТО напрямую зависит распределение тепла по сечению обрабатываемого металла, т.е. глубина термообработки. В связи с этим проводились исследования по определению влияния амплитуды колебаний А неплавящегося электрода, скорости продольного перемещения источника (в случае ТО с поперечными колебаниями), тока дуги и ее сосредоточенности на глубину термообработки у60о-

Рис. 5 - Зависимость коэффициента сосредоточенности к дуги от скорости перемещения У„р источника нагрева: /а =150А, иц = 12В, 1 - электрод с рабочим участком в виде сопряженных конусов, 2 - коническая заточка электрода (а= 60°), защитный газ - аргон

maxi

°с 800

700

600

500

400

300

■ 3 1„ = 250А

\2_\

О.

3

1 = 20 0А

/ к. —

п 3 1„=1 Г 50А-

2 XI г-/ 1„=1 00А~

1 / V,,/

Г

4

1. Обратный конус

2. Полый катод

%

3. Конус (<х=60°)

0,05

0,15 к, мм

Рис. 4 - Зависимость максимальной температуры Ттах от коэффициента сосредоточенности к и величины импульса тока: ¡в = 50А, иа = 12 В, г„ = 2с, тб = 3 с, Уто = 0,5+1,0 х1(Г3м/с, Аг 100%, Х=35 мм, 7=5 мм, 2=-1,5 мм, <5= 20 мм

мм 0,12

0,08

0,04

1 2 3

У

1

2 3 4 5 Ь, мм

Рис.6 - Зависимость коэффициента сосредоточенности к от длины I дуги: /а =150А, — — - - электрод с рабочим участком в виде

сопряженных конусов, — - коническая - ^

- У„р=2,0Х10~2М/С, 3 г' " " газ - аргон

заточка электрода (а = 60"), 1- У„р=1,0х1(Т2м/с, 2 \глр=2,0х1(Г2м/с, защитный

Анализ полученных данных распределения температуры по сечению пластины в зависимости от амплитуды колебаний (рис. 7) свидетельствует, что снижение последней значительно увеличивает глубину ТО, при этом растет температура максимума ТЦ и применение А<5 мм нецелесообразно ввиду достижения в поверхностном слое температуры плавления. При этом увеличение тока также способствует повышению глубины увоо наряду с ростом температуры максимума ТЦ и вероятности оплавления металла. Для исключения последней требуется увеличение амплитуды колебания источника

Л>10н-15 мм, а значения тока должны быть ограничены /¿<300А, исходя из геометрических размеров термообрабатываемых конструкций, скорости продольного перемещения и др. з

Увеличение скорости продольного перемещения более 0,5x10" м/с, наряду с уменьшением температуры максимума ТЦ и вероятности оплавления поверхности, снижает и глубину ТО (рис. 7). На основании проведенных измерений и расчетов построены области параметров ТО (рис. 8), на которых отмечены участки благоприятных параметров по термическому циклу (красная область) и по термическому циклу и глубине термообрабатываемого слоя (желтая область). Параметры ТО,

Ч'боо, мм

12

9 6

0

1Д=300А \

200А \

ч\ Л Л

к=0,03мм' —1Д=150А

/ ^^

10

А, мм

х10 м/с

Рис. 7 - Зависимость глубины термообработки Щт от амплитуды А колебаний электрода (а) и скорости продольного перемещения У„р источника (б); _ - экспериментальные значения,.........значения, полученные с помощью расчета

выбранные из желтых областей, позволяют обеспечить требуемый термический цикл и высокую глубину обработки. Контрольные измерения напряжений до тер-

мообработки (указаны внизу) и после нее (вверху) показывают максимальную эффективность режимов, выбранных из этой области.

Четвертая глава посвящена разработке технологии дуговой обработки наплавленного металла.

При подготовке образцов проводили восстановительную полуавтоматическую импульсно-дуговую наплавку в смеси Аг+18%С02 плит из стали 16ГС толщиной 90 мм, заполняя плоскую разделку глубиной 8мм и шириной 30мм узкими продольными валиками (образец 1), двумя широкими швами с поперечными колебаниями (2% поперечными колебаниями обратноступенчатым способом наложения слоев (3).

Оценка напряженно-деформированного состояния наплавленных образцов осуществлялась в три этапа: 1) определение зон концентраций напряжений (ЗКН) с использованием метода магнитной намята металла МПМ; 2) измерение уровня остаточных сварочных напряжений в найденных областях ЗКН, определение их знака, направления действия с помощью метода лазерной спекл-интерферометрии; 3) исследование уровня микронапряжений рентгеноструктурным анализом.

Анализ данных результатов контроля МПМ говорит, что наплавка продольными валиками (образец 1) характеризуется наиболее высокими значениями магнитного поля рассеивания (Нр) и магнитного показателя ( т) практически для всех обнаруженных ЗКН поверхностного слоя, которые относятся к группам предельных или недопустимых показателей. Применение поперечных швов с обратноступенчатым наложением слоев, способствует снижению уровня Нр и Ш, однако, при этом увеличивается количество зон концентрации напряжений.

Исследование остаточных сварочных напряжений с помощью метода спекл-интерферометрии (рис. 9,10) показывает, что напряжения первого рода а, в образце 1 характеризуются наибольшими значениями остаточных сварочных напряжений /-го рода (о)=200+21 ОМПа), соответствующих 0,8 сгг основного металла.

Наплавка по схеме 3 характеризуются наименьшими значениями растягивающих напряжений а, как в наплавленном металле, так и сжимающих напряжений в зоне термического влияния, что связано с более низкими скоростями охлаждения металла сварного соединения и возможностью управления термическим циклом. Так в образец 3 (рис. 9) внесены напряжения первого рода, равные + 150±2М7а, тогда как на образцах, наплавленных узкими продольными валиками и двумя широкими швами, фиксировались значения а,>+ 1Ш200МПа и выше.

В то же время максимальные значения растягивающих напряжений в металле наплавки и околошовной зоны достигают 0,5 аг основного металла, в результате чего с учетом рабочих нагрузок результирующие напряжения могут превысить допустимые. Применение локальной аргонодуговой обработки на рекомендованных режимах снижает значения растягивающих макронапряжений в наплавленном металле до о> = +90+100±2М7я (<0,4+0,5 аТ), несколько расширяя область их действия в ЗТВ. Помимо снижения растягивающих макронапряжений, за счет локальной дуговой ТО уменьшается уровень и сжимающих о> на 30-40%.

Выполнение локальной термической обработки наплавленного металла и ЗТВ без оплавления с применением дуги с диффузным катодный пятном, перемещающейся с поперечными колебаниями, способствует снижению растягивающих напряжений первого рода на 50+60% (Дет,=90+110 МПа, рис. 9,10) и сжимающих

300 250 200 150 100 50 0

I,A

18 15 12 9 б 3 0

к, х1СГм*Г

Рис. 8 - Области оптимальных режимов термообработки, связывающие амплитуду поперечных колебаний А с величиной тока 1 (а) и скорость продольного перемещения V„p с коэффициентом сосредоточенности к (б) макронапряжений на 30н-40% при минимальном воздействии на основной металл.

Результаты рентгеноструктурного анализа размеров блоков мозаики после ТО отражают их более равномерное распределение от зоны наплавленного металла к основе у образца, выполненного с поперечными колебаниями обратно-ступенчатым способом, тогда как при наплавке по другим схемам, наблюдается значительное измельчение блоков в конце зоны термического влияния, имеющее наибольшее проявление при наложении продольных валиков.

Рентгеноструктурный анализ микронапряжений Œlt показал, что у образцов, наплавленных по схемам 7 и 2, напряжения П-го рода увеличиваются при переходе от зоны наплавленного металла до начала зоны термического влияния, где они достигают максимумов, с последующим падением до близких к нулю значений в области основного металла. В образцах, наплавленных по схеме 3, напряжения П-то рода рас-

а =+238МШ о>+247МПа

к=0,03мгсг, &-20 мм, V„=0,5xl0Wc

5

10 А, мм

2500

СТх=+102МПа

<Зг=+244МПа

2000 1500 1000 500

1,= 200А, А-10вш, 5=20&ш, V=0,5>10Wc

10

V„, xlOrWc

пр'

пределяются между зонами наплавленного металла, начала ЗТВ и конца ЗТВ более равномерно. В то же время при наплавке поперечными колебаниями обратноступен-чатым наложением слоев достигаются наименьшие значения микронапряжений од<100М7а. Другие схемы наплавки характеризуются напряжениями второго рода стц> 150+115МПа.

о., МПа

г, мм

область напряжений сжатия

наплавленный

область растягивающих напряжений

Рис. 9-Р определение макронапряжений ах в пластине с наплавкой узкими продольными валиками

Результаты рентгеноструктурного анализа после локальной термообработки выявили снижение уровня напряжений второго рода аИ наплавленного металла на 30+40%. При этом локальная термическая обработка неплавящимся электродом позволила значительно снизить размер блоков мозаики в зоне термического влияния, одновременно увеличив данный параметр в области наплавленного металла на 200+300 Ä, что, в целом, позволило получить более равновесную структуру.

В образцах 3 до термообработаи напряжения II-го рода распределяются между зонами наплавленного металла, начала ЗТВ и конца ЗТВ более равномерно. В тоже время наименьшие значения микронапряжений были достигнуты при реализации данной схемы наплавки с последующей локальной аргонодуговой термообработкой.

Исследование структур металла наплавок свидетельствует после ТО о низком содержании бейнита и мартенсита, не превышающем 1,5+3,0%. Преобладающей структурой является феррит+перлит (54,8+69,0%).

При анализе результатов испытаний на ударный изгиб после ТО образцов из зоны наплавленного металла установлено, что металл наплавки 3, обладает большими значениями вязкой составляющей излома образца и стойкостью к динамическому разрушению в диапазоне температур Г=0+-50 °С, чем образцы 1 и ¿.Однако при понижении температуры испытаний наблюдается снижение работы разрушения данного образца, что говорит о разупрочнении металла за счет некоторого укрупнения зерен, вызванного снижением скоростей охлаждения металла. Применение локальной термической термообработки неплавящимся электродом способствует повышению значений KCl] и доли вязкой составляющей в изломе наплавленного металла.

Значения твердости после термообработки, измеренные по методу Виккерса в наплавленном металле образца, выполненного поперечными колебаниями с обратно-ступенчатым наложением слоев, меньше чем в образцах, выполненных по схемам 1 и 2. При этом распределение твердости в сварном соединении при движении от поверхности вглубь металла более равномерное в сравнении с другими схемами на-

мм

плавки. Локальная термическая обработка дугой неплавящегося электрода способствует некоторому снижению уровня твердости в наплавленном слое глубиной до 6 мм. <Л, МПа'

мм

Рис. 10 - Распределение напряжений 1-го рода: а - макронапряжения в пластине наплавленной с поперечными колебаниями обратно-ступенчатым способом, б - тоже после ТО

Наплавка поперечными колебаниями обратноступенчатым способом способствует получению плотных валиков с низкими значениями микропористости и наименьшим средним уровнем микротвердости (1600-И700-М?7а). При этом наблюдается плавное изменение микротвердости в диапазоне всей рассматриваемой зоны (от наплавки к основному металлу), что свидетельствует о близости структуры наплавленного металла к равновесной.

Общие выводы

1. Разработанная в ходе исследований модель дуговой термообработки неплавя-щимся электродом в инертных газах с поперечными колебаниями дуги в стационарном и импульсном режимах, позволяет оптимизировать режим процесса, обеспечивая реализацию термических циклов, характеризующихся низкими значениями скорости охлаждения 1¥т и максимальной температуры нагрева Т^, не превышающей температуру плавления. Модель учитывает взаимосвязь параметров режима горения дуги, свойств защитного газа, конструкции рабочего участка неплавящегося электрода, а также зависимость теплофизических коэффициентов от температуры.

2. Совместное применение методов магнитной памяти металла для определения зон концентрации напряжения и спекл-интерферометрии для численного определения уровня остаточных напряжений обеспечило высокую достоверность результатов исследований и повысило точность измерений.

3. При механизированной наплавке минимальные остаточные макро- и микронапряжения достигаются при выполнении поперечных швов с обратноступенчатым наложением слоев. Локальная термическая обработка металла наплавки и зоны

термического влияния диффузной дугой с катодом, заточенным на обратный конус, в аргоне обеспечивает снижение в 1,5 раза уровня напряжений первого рода, способствуя более равномерному распределению их в сварном соединении.

4. Применение электродов, обеспечивающих горение дуги с низкими значениями коэффициента сосредоточенности к, дает возможность реализации мягких термических циклов процесса термообработки и ее осуществления без оплавления поверхности металла, что обеспечивает остаточные напряжения первого рода в наплавленном металле на уровне, не превышающем 90+110 МПа без проведения отпуска после сварочных работ.

5. Применение локальной аргонодуговой термообработки, кроме снижения экстремальных значений напряжений, способствует уменьшению твердости наплавленного металла, наряду с увеличением ударной вязкости в диапазоне отрицательных температур, приводит к увеличению пластичности металла, снижая вероятность его водородного охрупчивания при эксплуатации оборудования в сероводородной среде.

6. По результатам исследований разработаны методические рекомендации по механизированной наплавке и локальной обработке неплавящимся электродом в аргоне, гелии и их смесях, применение которых позволяет существенно снизить количество ЗКН и уровень микро- и макронапряжений на ремонтных участках при высоком качестве формирования сварных швов. Представленные в работе технические и технологические рекомендации после проведения испытаний на металле с различной степенью деградации и отработки методики контроля качества наплавочных работ могут быть оформлены и приняты в виде стандарта предприятия ООО «Астраханьгазпром».

7. Результаты научных исследований и технологические рекомендации ремонтной наплавки и локальной электродуговой термообработки неплавящимся электродом толстостенного абсорбера внедрены на ООО «Астраханьгазпром». Суммарный экономический эффект от разового применения разработанной технологии составил 326 тыс. рублей, доля автора - 25%.

Основные публикации по теме диссертации:

Статьи в журналах, рекомендуемых ВАК

1. Минимизация напряжений в наплавленном металле при восстановлении наплавкой оборудования химических производств / И.В. Арефьев, И.Е. Лапин, В.И. Лысак, А.Н. Потапов, A.B. Савинов // Ремонт, восстановление, модернизация. -2007. - №8. - С. 36-39.

2. Влияние параметров ручной дуговой наплавки на остаточные сварочные напряжения, механические свойства наплавленного металла и околошовной зоны / И.В. Арефьев, И.Л. Пермяков, A.B. Савинов, И.Е. Лапин, А.Н. Потапов, В.И. Лысак, П.Р. Нечипоренко // Известия Волплрадского гос. техн. ун-та. Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении». Вып. 2: межвуз. сб. науч. ст. / отв. ред. Ю. П. Трыков; ВолгГТУ. - Волгоград, 2008. - № 10. - С. 77-80.

3. Сравнительный анализ напряжений второго рода в сварных спиральношов-ных и прямошовных трубах / И.Л. Пермяков, A.B. Савинов, И.В. Арефьев, И.Е. Лапин, В.И. Лысак, П.Р. Нечипоренко // Известия Волгоградского гос. техн. ун-та. Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении». Вып. 2: межвуз. сб. науч. ст. / отв. ред. Ю. П. Трыков; ВолгГТУ. - Волгоград, 2008. -№ 10. - С. 74-77.

4. Снижение уровня макро- и микронапряжений в наплавленном металле при

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Выход из строя и разрушение крупногабаритных конструкций и оборудования, работающего в условиях действия повышенного давления и температуры, агрессивных, сред, абразивного износа, часто связан с превышением расчетного срока эксплуатации. В современных условиях низкой инновационной активности все более актуальной становится разработка способов восстановительного ремонта, позволяющих максимально продлить эксплуатацию действующих объектов. С помощью наплавки в целом ряде случаев удается эффективно и экономически выгодно решать задачи восстановления дорогостоящего оборудования.

Одной из основных проблем ремонта при помощи дуговой наплавки является возникновение остаточных напряжений, величина которых, суммируясь с рабочими, может превосходить допустимые значения. В условиях наплавки крупногабаритных конструкций общая термообработка практически нереализуе-ма, а применение местной обработки газовым пламенем, в силу невысокой локальности нагрева, может привести к значительным деформациям и напряжениям как в сварных соединениях, так и в основном металле. В связи с этим требуется поиск альтернативных методов минимизации остаточных сварочных напряжений на основе местной термообработки, отличающихся высокой концентрацией источников тепла и эффективностью процесса.

Известны примеры использования высококонцентрированных источников тепла, например, электронного луча или плазмы, для местной обработки сварных соединений, однако возможность реализации этих способов ограничена небольшими размерами ремонтируемых узлов, либо сложностью и дороговизной оборудования. Наиболее технологичным способом снижения остаточных напряжений в условиях ремонта крупногабаритного оборудования сегодня является локальная электродуговая термообработка неплавящимся электродом, основанная на оплавлении металла шва или переходной зоны. Однако ремонт технологического оборудования часто осуществляется в условиях деградации металла, когда срок эксплуатации конструкции практически исчерпан и любой повторный, даже технологический переплав, нежелателен.

В связи с изложенным разработка научно обоснованной технологии локальной дуговой термообработки наплавленного металла и зоны термического влияния, обеспечивающих снижение уровня остаточных сварочных напряжений термообработкой без оплавления металла, а также требуемые механические свойства соединений является актуальной задачей.

Основополагающими в решении проблем восстановления деталей, обеспечения их надежности и технического диагностирования являются труды Н.В. Авдеева, Ф.Х. Бурумкулова, Е.Л. Воловика, Л.С. Ермолова, В.В. Курчаткина и др. Значительный вклад в развитие представлений об остаточных напряжениях и методах их снижения внесли Г.А. Николаев, В.А.Винокуров, Е.О. Патон, Я.Д. Вишняков, И.А. Биргер, H.H. Давиденков, Л.И. Дехтярь, А.Г. Григорьянц, В.Ф. Лукьянов, М. В. Шахматов, П.И. Кудрявцев, Н.О. Окерблом, W. Cheng, М.Т.

Автор выражает глубокую благодарность заслуженному деятелю науки РФ, д-ру техн. наук, профессору В. И. Лысаку за участие в формировании направления и методологической подготовке исследований, а также за оказанную помощь при их анализе

Flaman, M. Moore, A. Niku-Lari и др. отечественные и зарубежные ученые. Работы A.B. Царькова систематизировали и преумножили опыт дуговой термообработки сварных соединений неплавящимся электродом, обогатив его новыми техническими и технологическими разработками.

Цель работы Повышение эксплуатационной надежности сварных конструкций на основе разработки и внедрения научно обоснованной технологии локальной электродуговой термообработки неплавящимся электродом в инертных газах наплавленного металла при ремонте крупногабаритного оборудования из низкоуглеродистых сталей.

Задачи исследования

1. Исследовать влияние конструкции неплавящихся электродов и вида защитного газа на сосредоточенность дуги;

2. Выявить взаимосвязи коэффициента сосредоточенности дуги с ее тепловым воздействием на металл при термообработке неплавящимся электродом;

3. Разработать модель распространения тепла в металле при локальной дуговой термообработке нормально распределенным колеблющимся импульсным источником нагрева, учитывающую зависимости теплофизических свойств материала от температуры;

4. Исследовать влияние параметров электродуговой обработки в условиях действия нормального кругового источника тепла в импульсном и колеблющемся режимах на температурно-временные параметры нагрева обрабатываемого металла;

5. Систематизировать полученные результаты, разработать пути и средства управления и термическим циклом дуговой термической обработки неплавящимся электродом наплавленного металла.

6. Внедрить научно-технические и технологические разработки на предприятиях, осуществляющих ремонт крупногабаритного оборудования с выполнением наплавочных работ.

Научная новизна работы состоит в выявлении взаимосвязей между основными параметрами локальной дуговой термообработки наплавленного металла и сосредоточенностью дуги с тепловыми характеристиками процесса и величиной остаточных напряжений.

Построена математическая модель, описывающая тепловые процессы при дуговой обработке неплавящимся электродом в условиях действия нормального кругового источника тепла с поперечными колебаниями в стационарном и импульсном режимах, с учетом вида защитного газа, конструкции неплавящихся электродов и зависимостей теплофизических свойств обрабатываемого материала от температуры.

Определены критерии выбора режима локальной электродуговой термообработки без оплавления металла, связывающие конструкцию неплавящегося электрода, амплитуду колебаний источника нагрева, ток дуги и скорость ее продольного перемещения, а также свойства защитного газа с величиной остаточных напряжений. Показано, что наименьший уровень остаточных напряжений достигается при скоростях охлаждения fV0X, наплавленного металла на границе с ЗТВ, не превышающих 12 °С/с и коэффициенте сосредоточенности к дуги не более 0,05 мм2.

конкурса научных, конструкторских и технологических работ ВолгГТУ, Волгоград, 10-13 мая 2011 г. / ВолгГТУ, Совет СНТО. - Волгоград, 2011. - С. 63-64.

24.Моделирование локальной электродуговой термообработки сварных соединений / В.II. Стяжин, И.В. Арефьев, И.Е. Лапин, В.М. Волчков, А.Н. Стяжин // Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности, образовании и экологии : докл. VIII всерос. науч.-техн. конф. / Тульский гос. ун-т [и др.].-Тула, 2011.-С. 66-69.

Патенты и полезные модели

25. Пат. 2376345 РФ, МПК С 11 D 9/50, В 23 К 28/00. Способ аргонодуговой обработки сварных соединений для снятия остаточных сварочных напряжений / И.В. Арефьев, И.Е. Лапин, И.Л. Пермяков, В.И. Лысак, A.B. Савинов, А.Н. Потапов; ГОУ ВПО ВолгГТУ. - 2009.

26. П. м. 88308 РФ, МПК В 23 К 35/02. Неплавящийся электрод для дуговой сварки / O.A. Полесский, A.B. Савинов, И.Е. Лапин, И.В. Арефьев, В.И. Лысак; ВолгГТУ.-2009.

Личный вклад автора. В представленных работах, выполненных в соавторстве с другими исследователями, автором получены и проанализированы результаты исследований остаточных сварочных напряжений в наплавленном металле и ЗТВ при восстановительной наплавке крупногабаритного оборудования [1, 3-6, 10-14,16-20, 23-25], проведены экспериментальные исследования и разработана модель тепловых процессов для наплавки и ТО [1, 9, 22, 26], разработаны технические решения по реализации способа локальной дуговой термообработки неплавящимся электродом [1] и конструкции неплавящихся электродов [2, 7], выполнены исследования механических свойств получаемых соединений [11-17,21].

Подписано в печать 22.11.2011 г. Заказ № 752,_Тираж 100 экз. Печ. л. Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета 400005, г. Волгоград, просп.им. В.И. Ленина, 28, корп. №7