автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Влияние режимов сварки на структуру и свойства многослойных сварных соединений с щелевой разделкой из стали 30ХГСА

Введение

Глава 1. Холодные трещины в среднелегированных сталях

1.1. Характеристика свариваемости среднелегированных сталей

1.2. Причины образования холодных трещин

1.3. Пути предотвращения образования холодных трещин

1.4. Цель и задачи исследования

Глава 2. Исследование влияния энергетических параметров на механические свойства стали ЗОХГСА

2.1. Определение управляемых параметров и режимов сварки для проведения исследований

2.2. Планирование эксперимента

2.3. Обработка результатов экспериментов и построение линейных регрессионных моделей

2.4. Проверка результатов исследований на практике 54 Выводы

Глава 3. Влияние технологических факторов на механические свойства и качество многослойного сварного соединения стали ЗОХГСА

3.1. Влияние импульсно-дуговых способов сварки (при соединении в замок)

3.2. Влияние двухструйной газовой защиты сварочной ванны на качество, структуру и равнопрочность сварного соединения

3.3. Влияние формы щелевой разделки кромок на качество и равнопрочность сварного соединения

Выводы

Глава 4. Разработка ресурсосберегающих технологий сварки многослойных соединений стали ЗОХГСА в щелевую разделку

4.1. Разработка ресурсосберегающих технологий и рекомендаций по рациональному их применению на практике

4.2. Технико-экономические показатели применения результатов настоящего исследования 97 Выводы

Актуальность темы. Сварочные процессы протекают по сложным физико-химическим законам при высокой температуре. Совокупность различных факторов и явлений определяет качество сварных соединений. Особенно сильно это влияние сказывается при сварке легированных сталей, т.к. холодные трещины, часто образующиеся в сварных соединениях после сварки, являются причиной снижения качества и работоспособности конструкции и приводят к ее разрушению.

Среднеуглеродистые легированные стали обладают высоким комплексом эксплуатационных свойств и используются для производства ответственных сварных конструкций [2, 74]. Они обеспечивают высокую прочность конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости. Однако, под воздействием термического цикла сварки в зоне термического влияния (ЗТВ) сварных соединений формируются закалочные (мартенситно-бейнитные) структуры, характеризующиеся большим значением твердости и малой вязкостью. Поэтому на ЗТВ приходится наибольший процент образования холодных трещин [73].

Для предотвращения образования холодных трещин, зачастую, прибегают к дополнительным операциям, усложняющим технологический процесс и увеличивающим количество затрат на изготовление сварных конструкций. В отечественной и зарубежной практике для этой цели широко применяют предварительный подогрев и послесварочную термообработку. Такая технология сварки позволяет, в некоторой степени, снизить уровень содержания диффузионного водорода в сварном соединении, скорость охлаждения металла шва и ЗТВ и увеличить время протекания структурных превращений [5].

Однако, она сложна и нерациональна, поскольку требует тщательного контроля температуры и параметров сварочного процесса, а неравномерность подогрева и термической обработки крупногабаритных изделий ведет к возрастанию внутренних напряжений, деформации. Кроме того, применение предварительного подогрева и термообработки связано с дополнительными энергетическими и трудовыми затратами [8, 9].

Существуют различные пути решения проблемы повышения стойкости сварных соединений к образованию холодных трещин при сварке легированных сталей. В то же время, ни один из них не может претендовать на роль универсального подхода к решению существующей проблемы.

Цель настоящей работы состоит в разработке ресурсосберегающей технологии сварки многослойных соединений с щелевой разделкой из стали ЗОХГСА, обеспечивающей гарантированные качество и свойства сварных соединений, на основе теоретических и экспериментальных исследований влияния различных способов и методов сварки на качество, работоспособность и равнопрочность многослойных сварных соединений среднеуглеродистых легированных сталей.

Задачи исследования:

- на основе анализа теоретических и экспериментальных исследований разработать многофакторные регрессионные зависимости механических характеристик многослойных сварных соединений стали ЗОХГСА от энергетических параметров термического цикла сварки (ТПод> 1св» Тхо);

- анализ влияния параметров термического цикла сварки (ТПод> 1св, Тт0) на механические свойства многослойных сварных соединений стали ЗОХГСА и разработка оптимальных параметров режимов сварки многослойных соединений с щелевой разделкой;

- изучение влияния различных технологических факторов при сварке стали ЗОХГСА в щелевую разделку на качество и эксплуатационную надежность многослойных сварных соединений;

- разработка ресурсосберегающей технологии сварки стали ЗОХГСА в щелевую разделку без подогрева и последующей термообработки и выдача технологических рекомендаций по ее применению.

Научная новизна работы:

1. Впервые проведена систематизация известных подходов к решению проблемы образования холодных трещин при сварке легированных сталей. Предложена их условная классификация. Уточнены и детализированы требования к технологии сварки легированных сталей. Установлено, что для получения качественных сварных соединений легированных сталей без образования холодных трещин целесообразно использовать рациональный комплексный подход к решению существующей проблемы.

2. Предложена методика определения комплексного влияния энергетических параметров термического цикла сварки на механические свойства многослойных сварных соединений. Впервые получены регрессионные многофакторные зависимости механических характеристик многослойных сварных соединений стали ЗОХГСА от управляемых энергетических параметров термического цикла сварки (Тпод, 1св, Тх0). Сформулированы рекомендации для разработки технологий сварки среднеуглеродистых легированных сталей в щелевую разделку.

3. Экспериментально установлена зависимость качества формирования шва и свойств многослойного сварного соединения от геометрических параметров формы щелевой разделки. Впервые сформулированы рекомендации по рациональному использованию различных форм щелевых разделок.

4. Экспериментально установлено влияние формы газовой защиты и скорости истечения защитного газа на структуру и свойства многослойных сварных соединений. Впервые экспериментально установлено благоприятное воздействие двухструйной газовой защиты (С02) на структуру и свойства сварных соединений стали ЗОХГСА с щелевой разделкой. Впервые разработана ресурсосберегающая технология сварки стали ЗОХГСА в условиях двухструйной газовой защиты (СОг) без предварительного местного подогрева и последующей термообработки, обеспечивающая стабильность качества и высокие эксплуатационные свойства многослойных сварных соединений.

Практическая ценность работы:

- определены наиболее рациональные параметры режима сварки стали ЗОХГСА в щелевую разделку, обеспечивающие качественное формирование шва без образования холодных трещин;

- разработана усовершенствованная форма щелевой разделки кромок, позволяющая получить надежное сплавление кромок и качественное формирование корня шва;

- на основе теоретического и экспериментального исследования влияния импульсных дуговых способов сварки на структуру и свойства соединений из стали ЗОХГСА с щелевой разделкой, установлено, что сварка с импульсной подачей электродной проволоки обеспечивает повышение качества формирования шва и стабильности механических свойств сварных соединений стали ЗОХГСА с щелевой разделкой;

- по результатам исследования влияния двухструйной газовой защиты совместно с рациональными параметрами режима сварки на структуру и свойства соединений стали ЗОХГСА, разработана ресурсосберегающая технология сварки стали ЗОХГСА в щелевую разделку, без предварительного местного подогрева и последующей термообработки;

- для получения ответственных сварных конструкций с изменяющимся пространственным положением шва разработана ресурсосберегающая технология сварки с импульсной подачей электродной проволоки в условиях духструй-ной газовой защиты без предварительного местного подогрева и последующей термообработки.

На защиту выносятся:

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния параметров термического цикла сварки (Тпод, 1св, Тхо) на механические свойства многослойных сварных соединений стали ЗОХГСА;

2. Результаты экспериментальных исследований влияния рациональных параметров режима сварки на структуру и свойства многослойных соединений и технология сварки стали ЗОХГСА в щелевую разделку, без предварительного подогрева;

3. Результаты экспериментальных исследований влияния различных импульсных дуговых способов сварки стали ЗОХГСА в щелевую разделку на качество и работоспособность сварных соединений;

4. Результаты экспериментальных исследований влияния геометрических параметров формы щелевой разделки кромок на качество формирования шва и величину проплавления корня шва;

5. Результаты исследования влияния двухструйной газовой защиты и рациональных параметров режима сварки на структуру и свойства соединений стали ЗОХГСА с щелевой разделкой;

6. Ресурсосберегающая технология сварки многослойных сварных соединений стали ЗОХГСА с щелевой разделкой в условиях двухструйной газовой защиты (СОг) без предварительного местного подогрева и последующей термообработки.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложений.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертационной работе исследовано влияние энергетических и технологических фактов на структуру и свойства многослойных сварных соединений стали ЗОХГСА с щелевой разделкой. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований, изложенных в настоящей работе:

1. На основе теоретических исследований предложена условная классификация подходов к решению проблемы образования холодных трещин при сварке легированных сталей и определены требования к технологии сварки.

2. По результатам теоретических и экспериментальных исследовании разработаны регрессионные многофакторные зависимости механических характеристик многослойных сварных соединении стали ЗОХГСА от управляемых энергетических параметров термического цикла сварки (Тпод, 1св, Тхо). По результатам анализа зависимостей получены наиболее рациональные параметры режима сварки стали ЗОХГСА, обеспечивающие качественное формирование шва без образования холодных трещин, и разработана технология сварки стали ЗОХГСА в щелевую разделку, без предварительного подогрева.

3. Экспериментально установлено влияние геометрических параметров формы щелевой разделки кромок на качество формирования шва и величину проплавления корня шва. Разработана усовершенствованая форма щелевой разделки кромок, позволяющая получить надежное сплавление кромок и качественное формирование корня шва.

4. На основе теоретического и экспериментального исследования влияния импульсных дуговых способов сварки на структуру и свойства соединений из стали ЗОХГСА с щелевой разделкой, установлено, что сварка с импульсной подачей электродной проволоки обеспечивает повышение качества формирования шва и стабильности механических свойств сварных соединений стали ЗОХГСА с щелевой разделкой.

5. Экспериментально установлено положительное влияние двухструйной газовой защиты совместно с рациональными параметрами режима сварки на структуру и механические свойства многослойных сварных соединений с щелевой разделкой из стали ЗОХГСА.

6. По результатам исследований разработаны ресурсосберегающие технологии сварки стали ЗОХГСА в щелевую разделку в условиях духструйной газовой защиты на рациональных режимах стационарной сварки и с импульсной подачей электродной проволоки, без предварительного местного подогрева и последующей термообработки.

1. Сварка в машиностроении: Справочник. В 4х т. /Редкол.: Г.А. Николаев и др. М.: Машиностроение 1978 т.2/ Под. Ред. А.И. Акулова. 1978. - 462 е., ил.

2. Сварка и свариваемые материалы: В 3-х т. Т. 1. Свариваемость материалов. Справ, изд./ Под ред. Э.Л. Макарова М.: Металлургия, 1991, с. 528.

3. Макара A.M., Мосендз Н.А. Сварка высокопрочных сталей. -Киев: Техника, 1971. 140 с.

4. Красовский А.И. Основы проектирования сварочных цехов. М.: Машиностроение, 1980. - 319 с.

5. Миходуй Л.И., Гончар А.К. Особенности сварки толстолистовых конструкций из низколегированных высокопрочных сталей // Автоматическая сварка. 1990. № 10. С. 41-45.

6. Касаткин Б.С., Бреднев В.И., Царюк А.К., Николаенко В.П. Сварка под флюсом сталей 18Х2Н4МА, 38ХНЗМФА и 40ХН2МА // Автоматическая сварка. 1993. № 6. С. 30-34.

7. Походня И.К. Управление водородом в сварных соединениях сталей // Автоматическая сварка. 1997. № 8. С. 23-27.

8. Готальский Ю.Н., Новикова Д.П. О механизме предотвращения околошовных трещин при сварке закаливающихся сталей сиспользованием аустенитных материалов // Автоматическая сварка. 1992. №2. С. 21-25.

9. Готальский Ю.Н. К проблеме сварки высокопрочных сталей //

10. Снисарь В.В., Просяник Н.И., Биньковская А.Ю., Гаевский Д.С. Механизированная сварка в С02 труб из стали 15Х5М без подогрева и термообработки // Автоматическая сварка. 1990. № 1. С. 49-50.

11. Лазько В.Е., Старова Л.Л., Ковальчук В.Г., Максимович Т.Л., Лабзина И.Е., Ядров В.М. Сварочные проволоки для высокопрочных сталей // Сварочное производство. 1993. № 10. С. 33-35.

12. Кабоцкий В.И., Подгаецкий В.В., Новикова Д.П., Парфессо Г.И. Структура и свойства зоны термического влияния сварных соединений высокопрочной стали мартенситного класса // Автоматическая сварка. 1988. № 1.С. 16-20.

13. Царюк А.К., Бреднев В.И. Проблема предупреждения холодных трещин // Автоматическая сварка. 1996. № 1. С. 36-40.

14. Мусияченко В.Ф., Миходуй Л.И., Позняков В.Д. Сопротивляемость образованию холодных трещин тавровых соединений высокопрочной стали при однопроходной сварке в защитном газе // Сварочное производство. 1990. № 2. С. 13-15.

15. Касаткин С.Б., Миходуй Л.И. Влияние неметаллических включений и водорода на замедленное разрушение сварных соединений легированных сталей // Автоматическая сварка. 1991. № 8. С. 1-6.

16. Походня И.К., Головко В.В., Денисенко А.В., Грабин В.Ф. Влияние кислорода на образование структуры игольчатого феррита в низколегированном металле сварных швов // Автоматическая сварка. 1999. №2. С. 3-10.

17. Мандельберг С.Л., Буслинский С.В., Богачек Ю.Л. Влияние легирующих элементов на стойкость металла швов против образования холодных трещин при сварке стали 09Г2ФБ // Автоматическая сварка. 1988. № 12. С. 1-4.

18. Мандельберг С.Л., Богачек Ю.Л., Ковалевский В.А., Токарев B.C. Повышение ударной вязкости металла швов труб большого диаметра из микролегированных сталей //Автоматическая сварка. 1986. № 1. С. 36-40.

19. Касаткин О.Г. Зависимость временного сопротивления и истинного сопротивления разрыву металла шва от легирования и термического цикла сварки // Автоматическая сварка. 1984. № 9. С. 1-5.

20. Мусияченко В.Ф., Миходуй Л.И., Васильев В.Г. Влияние кобальта на структуру и свойства высокопрочного металла шва // Автоматическая сварка. 1984. № 7. С. 45-48.

21. Каменская Н.И., Ланская К.А., Куликова Л.В. Влияние термического цикла сварки на структурные превращения в стали типа 12Х1МФ // Автоматическая сварка. 1985. № 10. С. 6-10.

22. Касаткин О.Г. Влияние легирующих элементов и термического цикла сварки на пластичность металла шва // Автоматическая сварка. 1983. № 9. С. 6-10, 19.

23. Бурский Г.В., Довженко В.А., Стеренбоген Ю.А. Стойкость против образования холодных трещин ЗТВ соединений стали типа 14ХНЗМДА, выполненных двухдуговой сваркой в узкий зазор // Автоматическая сварка. 1990. № 2. С. 20-23.

24. Бурский Г.В., Новикова Д.П., Стеренбоген Ю.А. Сопротивляемость стали типа 14ХНЗМДА замедленному разрушению при двухдуговой сварке // Автоматическая сварка. 1991. № 8. С. 7-11.

25. Ющенко К.А., Понизовцев A.M., Наконечный А.А., Морозова Р.И. Плазменная сварка стали 15Х25Т в смеси аргона с азотом // Автоматическая сварка. 1985. № 11. С. 53-55.

26. Елагин В.П., Снисарь В.В., Липодаев В.Н. Механизированная сварка стали 15Х5М без подогрева и термообработки // Автоматическая сварка. 1995. №8. С. 19-23.

27. Сорокин Г.А., Добкин В.Я., Строкатов Р.Д., Лопухов Ю.И., Ивницкий Б.Я. Влияние легирования азотом на процесс структурообразованияметалла, наплавленного хромоникелекремнистой сталью // Сварочное производство. 1989. № 7. С. 19-21.

28. Кочарыгин В.И., Горицкий В.М., Макаров Э.Л., Баско Е.М. Влияние режимов электромагнитного перемешивания металла при сварке на механизм разрушения и трещиностойкость сварных соединений типа 14Х2НЗМА // Автоматическая сварка. 1987. № 9. С. 7-11.

29. Якушин Б.Ф., Мисюров А.И. Технологическая прочность многослойных швов со стабильно-аустенитной структурой // Автоматическая сварка. 1983. №6. С. 22-26.

30. Штрикман М.М., Павлов А.С. Кристаллизация шва при сварке по щелевому зазору с поперечными колебаниями электрода // Автоматическая сварка. 1983. № 6. С. 56-58.

31. Гордонный В.Г. Технология автоматической сварки легированных высокопрочных сталей вращающимся электродом // Автоматическая сварка. 1998. № 10. С. 53.

32. Царюк А.К., Бреднев В.И., Крошина Г.М. К вопросу о природе образования холодных трещин при сварке закаливающихся сталей // Автоматическая сварка. 1998. № 10. С. 9-13.

33. Грабин В.Ф., Денисенко А.В., Васильев В.Г., Ковтуненко В.А., Копылов Л.Н. Особенности структурных превращений при сварке низколегированных сталей пульсирующей дугой в среде углекислого газа // Автоматическая сварка. 1998. № 7. С. 15-25.

34. Сараев Ю.Н. Импульсные технологические процессы сварки и наплавки. Новосибирск: ВО Наука, 1994. 108 с.

35. Патрикеев А.И, Серенко А.Н., Шаферовский В.А., Дружинин A.JL, Савченко А.И., Лешковцева И.Г. Свойства сварных соединений толстолистовой стали 10ХСНД, выполненных различными способами сварки // Сварочное производство. 1990. № 12. С. 8-10.

36. Гайворонский А.А., Гордонный В.Г., Саржевский В.А., Максимишин В.В. Влияние погонной энергии сварки на сопротивляемость соединений высокопрочных закаливающихся сталей образованию холодных трещин // Автоматическая сварка. 1995. № 7. С. 3-8.

37. Милосавлевич А.Й., Седмак А.С., Прокич-Цветкович P.M., Сречкович Милеса Ж. Влияние погонной энергии сварки на изменение свойств низколегированной стали повышенной прочности // Сварочное производство. 1995. № 9. С. 8-9.

38. Кулик В.М., Савицкий М.М., Новикова Д.П., Васильев В.Г., Гордань Г.Н. Аргонодуговая обработка сварного соединения стали ЗОХГСА // Автоматическая сварка. 2001. № 6. С. 7-13.

39. Лазько В.Е., Лукин В.И., Максимович Т.Л. Совершенствование технологии сварки высокопрочных сталей в термообработанном состоянии // Сварочное производство. 1998. № 8. С. 8-12.

40. Будкин Г.В., Иванов В.Н., Пашков Ю.И., Горбовицкий А.И., Ноношков А.Н., Вавилин А.С., Сиомик А.К. Сварка труб диаметром 530x7 мм из низколегированных сталей, сваренных токами высокой частоты // Автоматическая сварка. 1986. № 10. С. 49-50.

41. Федосов А.И., Минкин Л.Н., Зыбко И.Ю., Гейкин В.А., Зверьков Б.В., Мевш М.Ю., Чистяков Г.А. Коэффициенты прочности соединений сталей 15ГС и 15Х1М1Ф, выполненных электроннолучевой сваркой // Автоматическая сварка. 1984. № 11. С. 20-22.

42. Федоров В.Г., Иванов В.В., Кулигин Г.Б., Левин Г.И., Зарубин В.И., Пепеляев Б.А. Свойства сварных соединений высокопрочных сталей, выполненных с использованием лазера импульсно-периодического действия // Автоматическая сварка. 1984. № 10. С. 5-8.

43. Чинахов Д.А. Перспективы устранения термообработки при сварке сталей типа ЗОХГСА / Труды XIII научно-практической конференции, посвященной 100-летию начала учебных занятий в ТПУ. Труды. Филиал ТПУ, Юрга: Изд. ТПУ, 2000. С. 47-49.

44. Сараев Ю.Н., Чинахов Д.А., Шпигунова О.И. Способы повышения трещиностойкости сварных соединений легированных сталей типа ЗОХГСА. / Технология машиностроения. 2001. № 1. С. 35 39.

45. Акулов А.И., Бельчук Г.А., Демянцевич В.П. Технология и оборудование сварки плавлением. Учебник для студентов вузов. М.: «Машиностроение». 1977. 432 с. с ил.

46. Петров Г.Л., Тумарев А.С. Теория сварочных процессов (с основами физической химии). Учебник для вузов. Изд. 2-е, перераб. М., «Высшая школа».1977. 392 с. с ил.

47. Статистические методы в инженерных исследованиях (лабораторный практикум): Учеб. пособие / Бородюк В.П., Вощинин А.П., Иванов А.З. и др.; // Под ред. Г.К. Круга. М.: Высш. школа. 1983. 216 с.

48. Степнов М.Н. Статистическая обработка результатов механических испытаний. М.:, «Машиностроение». 1972. 232 с.

49. Судник В.А., Ерофеев В.А. Методы исследования сварочных процессов. -Тула: ТПИ, 1980. 100 с.

50. Кафаров В.В., Глебов М.Б. Математическое моделирование основных процессов химических производств: Учеб. пособие для вузов. М.: Высш. шк., 1991.400 е.: ил.

51. Тихонов А.П., Уфимцев М.В. Статистическая обработка результатов экспериментов: Учеб. Пособие. -М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1988. 174 с.

52. Чинахов Д.А., Сараев Ю.Н. Регрессионные модели механических характеристик многослойных сварных соединений стали ЗОХГСА. / Сварочное производство. 2002. № 5. С. 3-5.

53. Чинахов Д.А. Разработка методики определения параметров, влияющих на механические свойства сварного соединения из стали ЗОХГСА / Двенадцатая научная конференция. Труды. Юрга: Изд. ТПУ, 1999. С. 26.

54. Чинахов Д.А. Оптимизация технологического процесса сварки стали ЗОХГСА / Двенадцатая научная конференция. Труды. Юрга: Изд. ТПУ, 1999. С. 25.

55. Гуляев А.П. Металловедение. Изд. 5-е, перераб. М., «Металлургия». 1977. 648 с.

56. Теория сварочных процессов: Учеб. для вузов по спец. «Оборуд. и технология сварочн. пр-ва» / В.Н. Волченко, В.М. Ямпольский, В.А. Винокуров и др.; Под ред. В.В. Фролова. М.: Высш. шк., 1988. 559 е.: ил.

57. Сараев Ю.Н., Чинахов Д.А. Повышение механических характеристик при сварке стали ЗОХГСА / II Международный симпозиум «Сварка и родственные технологии: мировой опыт и достижения», Минск, Беларусь, 2001. С 108-109.

58. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение. 1990. 528 с.

59. Федько В.Т., Брунов О.Г. Управление процессом сварки при импульсной подаче электродной проволоки // Технология металлов. 2000. № 8. С. 27-30.

60. Брунов О.Г. Исследование, разработка и внедрение сварки в С02 с импульсной подачей сварочной проволоки: Дис. на соиск. . кандидата техн. наук. Томск: 2000. 133 с.

61. Патон Б.Е., Воропай Н.М., Бучинский В.Н. и др. Управление процессом дуговой сварки путем программирования скорости подачи электродной проволоки // Автоматическая сварка. 1977. №1. С. 1 5.

62. Лебедев А.В. Условия образования контакта между каплей и сварочной ванной при переносе металла с короткими замыканиями дугового промежутка. Киев: 1990. 10с.

63. Киянов С.С. Исследование и разработка оптимизированной газоподающей, используемой при сварке в среде защитных газов: Дис. на соиск. кандидата техн. наук. Томск: 2001. 150 с.

64. Марочник сталей и сплавов / В.Г. Сорокин, А.В. Волосникова, С.А. Вяткин и др.; Под общ. ред. В.Г. Сорокина. М.: Машиностроение, 1989. 640 с.

65. Справочник нормировщика / А.В. Ахумов, Б.М. Генкин, Н.Ю. Иванов и др.; Под общ. ред. А.В. Ахумова. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние. 1986. 458 с.