Введение к работе
Диссертационная работа посвящена исследованию особенностей формирова-ія напряженного состояния в соединениях высокопрочных легированных сталей и ггимизации технологических процессов сварки для уменьшения их уровня при из-ітовлении металлоконструкций.
Актуальность темы. Одним из эффективных направлений снижения метал->емкости и повышения надежности сварных машин, механизмов и инженерных гаружений является рациональное использование низкоуглеродистых легирован-ах высокопрочных (НЛВ) сталей с пределом текучести 600... 1000 МПа. Свойства шлавленного металла в состоянии после сварки, равноценные им по прочности и іадостойкости, обеспечивают швы с бейнитно - мартенситной (БМ) структурой эй различном сочетании легирующих элементов. Однако такие швы отличаются эвышенной склонностью к замедленному разрушению, что вызывает необходи-эсть дополнительного использования менее прочных, но более пластичных швов: с гррито - бейнитной (ФБ) или аустенитной (А) структурами. Это обстоятельство сазывает существенное влияние на протекание фазовых и структурных превраще-ш шва, ЗТВ и в конечном итоге, как на образование в них сварочных напряжений, медленное разрушение, так и на прочность и работоспособность в целом конст-гщнй.
В отечественной практике выполнялись отдельные исследования напряженно-> состояния соединений НЛВ сталей. Это способствовало проведению в последние >ды работ, направленных на изучение особенностей формирования напряженного )Стояния соединений НЛВ сталей в зависимости от изменения технологических эоцессов сварки. Они были реализованы в рамках ведомственных планов Нацио-шьной академии наук Украины, а также государственных программ Министерства краины по делам науки и технологий: 04.05/03373 "Разработка методов и средств іхничєской диагностики сварных машиностроительных конструкций на основе пользования топографической интерферометрии и акустической эмиссии" и (.05/04765 "Разработать эффективные средства повышения служебных свойств іарньгх конструкций строительно-дорожной и горно-рудной техники при их изго-шлении и ревитализации на основе усовершенствования процессов сварки и нор-1ТИВНЫХ требований к легированным конструкционным сталям".
Все эти исследования были направлены на изыскание рациональных путей [ижения уровня остаточных напряжений в сварных соединениях. Дальнейшее раз-ітие работ в таком направлении должно способствовать повышению работоспо-ібности сварных конструкций из легированных высокопрочных сталей (при разрядах видах нагружений), а также их сопротивляемости замедленному разруше-по.
Дель работы. Установить оптимальные технологические параметры дуговой іарки высокопрочных легированных сталей, обеспечивающих снижение остаточ-.гх напряжений в сварных соединениях на основе исследований протекания в них
фазовых, структурных превращений и термодеформационных процессов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Исследовать особенности протекания структурных и термодеформацис ных процессов в сварных соединениях при изменении химического состава метг ла шва и термических циклов сварки.
-
Исследовать основные закономерности формирования остаточных напр жений в сварных соединениях высокопрочной стали с БМ, ФБ и А швами
-
Оценить влияние особенностей дуговой сварки (способов, погонной эне гии, предварительного подогрева и т.п.) на формирование остаточных напряжені в сварных соединениях.
-
Сформулировать требования к основным параметрам дуговой сварки в: сокопрочных сталей, обеспечивающих минимальный уровень остаточных напряж ний в сварных соединениях.
Методы исследований: голографический при оценке напряженного состо ния сварных соединений; математические при расчетах остаточных напряжений сварных соединениях, а также распространения в них тепла; оптической металл графии, а также дилатометрический при изучении кинетики и характера структу ных превращений в металле швов и ЗТВ; механических испытаний металла швов ЗТВ при положительной и повышенных (до Т=800С) температурах; химического спектрального анализа сталей и металла швов.
Научная новизна. На основе результатов исследований кинетики протекай] фазовых и структурных превращений в легированном металле швов и ЗТВ под де ствием термодеформационных процессов разработана методика прогнозирован] распределения остаточных напряжений в сварных соединениях НЛВ сталей.
Установлено, что в процессе нагрева и охлаждения ЗТВ и металла шва НИ сталей в зависимости от состава и особенностей протекания структурных и фазовь превращений существенно повышаются их пределы текучести («в 1,2... 1,5 раза да исследованных составов), а переход в термопластическое состояние происходи при Т>780 С.
Выявлены общие закономерности формирования остаточных напряжений металле швов высокопрочных сталей. В БМ швах, вследствие воздействия струї турных превращений, величина остаточных растягивающих напряжений может сі ставлять (0,3...0,5) от их предела текучести. В ФБ и А швах воздействие структу] ных превращений проявляется в меньшей степени, что будет способствовать фо] мированию в них более высокого уровня остаточных напряжений (0,6...0,9) отн< сительно их пределов текучести.
Установлено, что в ЗТВ многопроходных сварных соединений толщиной д 20 мм формируются продольные растягивающие напряжения. На уровень этих ш пряжений существенное воздействие оказывает соотношение температур структур ных превращений металла шва и ЗТВ.
Показано, что снижать остаточные напряжения в сварных соединениях лег* рованных сталей представляется возможным при таком выборе режимов сварки
з мператур предварительного подогрева, когда сокращается время пребывания ме-лла ЗТВ выше температуры АСз (т" <6,0...6,5 с) и продлевается его пребывание ш температурах структурно- фазовых превращений (W6/5<3,0... 4,0 С/с).
Практическая ценность и реализация научных результатов работы. Оп-:делены пути снижения остаточных напряжений при сварке НЛВ сталей. На этой :нове разработаны способы реализации процессов, при которых в сварных соеди-;ниях обеспечивается минимальный их уровень.
Основные положения разработанных процессов внедрены на Металлургиче-:ом заводе ОАО "Уралмаш" при ремонтной сварке толстолистовых отливок дета-:й из высокопрочных сталей 14Х2ГМРЛ и 14ХГ2НМЛ: шкивов, захватов, эксцен->иков буровых насосов, стрел и ковшей экскаваторов.
Личный вклад соискателя. Диссертация является итогом эксперименталь-ых и теоретических исследований, выполненных лично автором. Предложен и ;ализован экспериментально - теоретический подход, позволяющий прогнозиро-іть уровень остаточных напряжений в соединениях легированных сталей. Отрабо-ш метод топографической интерферометрии для оценки уровня остаточных наряжений на поверхности сварных соединений НЛВ сталей. Исследовано распреде-гние остаточных напряжений сварных соединений НЛВ сталей в зависимости от вменения погонных энергий сварки, температур подогрева, а также состава металла 'вов. Разработаны рекомендации по выбору технологических процессов сварки, ри которых в сварных соединениях НЛВ сталей обеспечивается минимальный ровень остаточных напряжений, а также получены результаты их апробации. Ана-яз и обобщение полученных результатов осуществлялись автором как лично, так и ри участии других соавторов.
На защиту выносятся:
-
Основные закономерности образования остаточных напряжений в металле [вов и ЗТВ НЛВ сталей под воздействием кинетики протекания фазовых и струк-урных превращений в сварных соединениях, а также термодеформационных про-ессов. ,
-
Представления о характере и величине остаточных напряжений в металле івов различных композиций, а также ЗТВ бейнитно - мартенситньгх сталей и влия-ия на этот процесс особенностей протекания в них фазовых и структурных пре-ращений.
3. Закономерности формирования остаточных напряжений в соединениях
[ЛВ сталей в зависимости от выполнения швов с различными составами и структу-
ами (БМ, ФБ и А).
-
Основные зависимости формирования остаточных поперечных напряжений ЗТВ сварных соединений НЛВ сталей при изменении параметров режима сварки , также теплофизических свойств металла шва и НЛВ стали.
-
Технологические параметры режимов сварки и температур предварительно-э подогрева НЛВ сталей, при которых в сварных соединениях снижается общий ровень остаточных напряжений.
Апробация работы. Основные результаты диссертационнс
работы докладывались на Международных конференциях: "Сварные конструкцш (Киев, 1995), "Сварка и родственные технологии - в XXI век" (Киев, 1998), "Механі ка разрушения материалов и прочность конструкций" (Львов, 1999), а также і научно-техническом семинаре "Сварные конструкции и техническая диагностик! ИЭС им. Е.О.Патона (2000).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четыре глав, общих выводов, списка использованной литературы из 116 наименований приложения. Текстовая часть содержит 119 страниц машинописного текста, таблиц и 64 рисунка.