CC BY
1
СВАРКА, РОДСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ТЕХНОЛОГИИ
УДК 621.791.05:620.17:539.422.24 DOI: 10.24412/2071-6168-2024-3-575-576
ИСПЫТАНИЯ ФРАГМЕНТОВ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТНОМУ РАЗРУШЕНИЮ
В.В. Колотушкин, С.А. Сазонова, В.Ф. Асминин, А.В. Кочегаров, А.И. Барсуков, О.А. Соколова
Разработан стенд для испытания образцов сварных конструкций на сопротивление усталостному разрушению. В данной работе описана конструкция и работа разработанного стенда. Показано, что такие параметры, как максимальная разрушающая нагрузка, длина трещины и геометрические размеры образца для уравнения разрушения необходимо определять экспериментально. Приведены результаты исследования образцов стали по определению усталостного разрушения. В ходе экспериментальных исследований установлено, что наибольшей склонностью к установленному разрушению обладают образцы, имеющие максимальную твердость, а увеличение предварительной пластической деформации приводит к существенному повышению способности образцов к установленному разрушению. По итогам проведения испытаний на разработанном стенде можно сделать прогноз о работоспособности исследуемых изделий в целом.
Ключевые слова: сварные конструкции, металл, трещины, энергия разрушения, сопротивление усталостному разрушению, стенд для испытания образцов, максимальная разрушающая нагрузка.
При проектировании и изготовлении с использованием сварки технологического оборудования, работающего в условиях статических и повтороностатических нагрузок, необходимы сведения об усталостной прочности деталей машин, поскольку в материалах конструкций при работе могут развиваться трещиновидные дефекты, приводящие к разрушениям деталей.
Многочисленные исследования показывают, что на выносливость сварного соединения большое влияние оказывает остаточное напряжение, возникающие в материале свариваемых изделий.
Определение энергии разрушения. Важнейшим показателем работоспособности сварных конструкций является сопротивлением металла различных зон сварочного соединения распространению в нем трещин.
Наиболее объективной характеристикой сопротивляемости металла развитию трещины является его энергия разрушения у.
Численно энергию разрушения можно определить по формуле [1]
жР2 L2
У = ^
где P - разрушающая нагрузка; L - плечо действия нагрузки P; Е - модуль упругости; в - толщина образца; h - высота образца; f(X)=l/h - функция, зависящая от относительной длины трещины; l - длина начальной трещины.
В приведенной формуле экспериментального подлежат определению следующие величины: максимальная разрушающая нагрузка P, длина трещины и геометрические размеры образца.
Разработка стенда для исследования сварных конструкций на сопротивление усталостному разрушению при циклических нагрузках. Для исследования и контроля материала сварных конструкций на сопротивление усталостному разрушению при циклических нагрузках разработан стенд, схема которого представлена на рисунке 1, а. Стенд включает электродвигатель постоянного тока типа ДГ1, редуктор 2, прерыватель 3, автотрансформатор типа PHO-250-5 4, электромагнит 5, болт 6, гайку с радиальным основанием 8, испытуемый образец 9, зажимную плиту 10 и стойку 11.
Прерыватель 3 состоит из маховика 12, изготовленного из изоляционного материала (например, текстолита), к которому прикреплена медная пластинка 13, служащая для замыкания электрической цепи. К маховику 12 винтами 16 через пружины 15 поджаты токоподводящие щётки 14.
На другом конце образца болтами крепится захват 7 с отверстием, через которое проходит болт 6. В зависимости от необходимой силы магнитного притяжения гайкой 8 с радиальным основанием, входящей в гнездо захвата, устанавливается соответствующий зазор между сердечником электромагнита, набранного из Т - образных трансформаторных пластин и болтов.
На катушку электромагнита Эм, имеющую 1000 витков медной проволоки сечением 1,8 мм2 через прерыватель Пв, от выпрямителя Д2 подается пульсирующий постоянный ток, величина которого регулируется посредством автотрансформатора АТ, типа РН0-250-5.
Число оборотов электродвигателя М, а, следовательно, и количество циклов нагружения образца устанавливается с помощью реостата R и регулируется тахометром типа И0-30.
Образование и развитие трещины контролируется микроскопом МИР-1м, установленным на штативе перед образцом. Электросхема стенда 9 показана на рисунке 1, б.
Отличительной особенностью разработанного стенда с электромагнитным возбуждением по сравнению с другими, предназначенными для проведения усталостных испытаний (например, механическими или гидравлическими) является высокая частота нагрузок (от 5 до 250 колебаний в минуту) и большой коэффициент динамического усилия, достигающий значения 30.
Максимальная амплитуда деформации на стенде достигает 10, 5 мм.
Образец при испытаниях испытывает симметричный цикл напряжений.
Амплитуда колебаний образца подбирается путем изменения, с помощью автотрансформатора 4, величины тока, протекающего через электромагнит 5.
I
^^
б
Рис. 1. Стенд для испытаний образцов сварных конструкций на сопротивление усталостному разрушению:
а - конструкция; б - электрическая схема
На стенде можно испытывать образцы с поперечным сечением до 30x30 мм.
Питание стенда осуществляется от трехфазной сети напряжением 380/220 В.
Испытанием на усталость подвергались 5 (пять) серий образцов размером 20x20 х320 мм по 30 (тридцать) штук в каждой серии. Образцы разных серий отличались направлением прокатки листа, направлением и величиной предварительной пластической деформации и твердостью.
Режим испытаний выбран следующим: величина нагрузки 150 кг (величина нагрузки контролировалась механическим динамометром сжатия ДОСМ-3-5), расстояние от оси приложения нагрузки до плоскости закрепления образца - 160 мм, амплитуда деформаций 6 мм, частота колебаний 150 в минуту. Испытания проводились при комнатной температуре.
Проведенные испытания на сварных образцах из стали 1ОГ2С1 показали, что стенд позволяет развивать трещину глубиной 1,5-2 мм за 8-9 килоциклов нагружения в течение 60-70 минут.
При выполнении работы использовались материалы исследований [2-8].
Выводы. В результате испытаний установлено, что наибольшей склонностью к установленному разрушению обладают образцы, имеющие максимальную твердость. Существенно повышает склонность образцов к установленному разрушении изменением направления волокна от прокатки с продольного на поперечное (энергия разрушения уменьшалась с 9,2 кгс/см2 до 6,15 кгс/см2, т.е. на 33,2%).
Практически не изменяется склонность образцов к установленному разрушению после малой пластической деформации растяжением. Так после предварительной пластической деформации растяжением около 2,5% энергия разрушения образцов осталась неизменной, т.е. около 9,0 кг/см2 (ошибка в пределах опыты). Однако увеличение предварительной пластической деформации приводит к существенному повышению способности образцов к установленному разрушению.
Сварка, родственные процессы и технологии
Предварительная пластическая деформация около 10% вдоль направления прокатки образцов из стали 10Г2С1 уменьшила энергия разрушения с 9,2 кг/см2 т.е. на 31,5%.
Таким образом, испытания образцов сварных конструкций на представленном в данной статье стенде позволяет оценить склонность их к усталостному разрушению и сделать прогноз о работоспособности изделия в целом.
Список литературы
1. Черепанов Т.П., Калун А.Б., Карасев Л.П., Кутенова Л.И. Рабочая методика определения энергии разрушения металла. Физико-химическая механика материалов. 1970. №1. С. 64-68.
2. Кудрявцев И.В., Наумченков Н.Е. Усталость сварных конструкций. Машиностроение. М: 1976, 270 с.
3. Xiangzhong Guo, Wei Liu, Xiqing Li, Haowen Shi and Zhikun Song. Fatigue Resistance and Failure Behavior of Penetration and Non-Penetration Laser Welded Lap Joints // Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2021. P. 34:39. DOI: 10.1186/s10033-021-00557-4.
4. Sazonova S.A., Nikolenko S.D., Osipov A.A., Zyazina T.V., Venevitin A.A. Weld defects and automation of methods for their detection // IOP Conference Series. Krasnoyarsk Science and Technology City Hall. Krasnoyarsk, Russian Federation, 2021. P. 22078.
5. Андреев Е.С., Николенко С.Д., Сазонова С.А. Моделирование дефектов при ультразвуковом контроле сварных соединений / Моделирование систем и процессов. 2020. Т. 13. № 1. С. 4-9.
6. Николенко С.Д., Сазонова С.А., Акамсина Н.В. Автоматизация процесса контроля качества сварных соединений // Моделирование систем и процессов. 2020. Т. 13. № 3. С. 76-85.
7. Николенко С.Д., Сазонова С.А., Веневитин А.А. Особенности ультразвукового контроля качества сварки металлических конструкций // Информационные технологии в строительных, социальных и экономических системах. 2021. № 3-4 (25-26). С. 74-77.
8. Сазонова С.А., Николенко С.Д., Алексикова Д.В. Ультразвуковой автоматизированный контроль качества сварки / Информационные технологии в строительных, социальных и экономических системах. 2022. № 2 (28). С. 40-44.
Колотушкин Виктор Васильевич, канд. техн. наук, доцент, sycheva2009@mail. ru, Россия, Воронеж, Воронежский государственный технический университет,
Сазонова Светлана Анатольевна, канд. техн. наук, доцент, ss-vrn@mail. ru, Россия, Воронеж, Воронежский государственный технический университет,
Асминин Виктор Федорович, д-р техн. наук, профессор, asminin.viktor@yandex. ru, Россия, Воронеж, Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова,
Кочегаров Алексей Викторович, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Воронеж, Воронежский государственный технический университет,
Барсуков Андрей Иванович, канд. физ.-мат. наук, доцент, [email protected], Россия, Воронеж, Воронежский государственный технический университет,
Соколова Ольга Анатольевна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Воронеж, Воронежский государственный технический университет
TESTING OF FRAGMENTS OF WELDED STRUCTURES FOR FATIGUE FAILURE RESISTANCE V. V. Kolotushkin, S.A. Sazonova, V.F. Asminin, A.V. Kochegarov, A.I. Barsukov, O.A. Sokolova
A stand has been developed for testing samples of welded structures for resistance to fatigue failure. This paper describes the design and operation of the developed stand. It is shown that parameters such as the maximum breaking load, crack length and geometric dimensions of the sample for the fracture equation must be determined experimentally. The results of the study of steel samples to determine fatigue failure are presented. In the course of experimental studies, it was found that samples with maximum hardness have the greatest tendency to established destruction, and an increase in pre-plastic deformation leads to a significant increase in the ability of samples to establish destruction. Based on the results of the tests on the developed stand, it is possible to make a forecast about the operability of the studied products as a whole.
Key words: welded structures, metal, cracks, fracture energy, fatigue failure resistance, sample test bench, maximum destructive load.
Kolotushkin Viktor Vasilyevich, candidate of technical sciences, docent, sycheva2009@mail. ru, Russia, Voronezh, Voronezh State Technical University,
Sazonova Svetlana Anatolyevna, candidate of technical sciences, docent, ss-vrn@mail. ru, Russia, Voronezh, Voronezh State Technical University,
Asminin Viktor Fedorovich, doctor of technical sciences, professor, asminin.viktor@yandex. ru, Russia, Voronezh, Voronezh State Forestry Engineering University named after G.F. Morozov,
Kochegarov Alexey Viktorovich, doctor of technical sciences, professor, kochiegharov77@mail. ru, Russia, Voronezh, Voronezh State Technical University,
Barsukov Andrey Ivanovich, candidate of physical and mathematical sciences, docent, a. barsoukov@mail. ru, Russia, Voronezh, Voronezh State Technical University,
Sokolova Olga Anatolyevna, candidate of technical sciences, docent, sokolovaoa203@mail. ru, Russia, Voronezh, Voronezh State Technical University
УДК 621.791
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-3-578-579
СВАРКА ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА ХН45МВТЮБР
К.Н. Коржов, Л.И. Паршуков, А.В. Анцев, В.Б. Анисков
Исследованы процессы окисления и сегрегаций на свободной поверхности исходного и закаленного сплава ХН45МВТЮБР, поверхности сварного шва и поверхности горячей трещины при электронно-лучевой, аргонодуговой и плазменной сварке. Исследования проведены на технологических образцах (пластины 100х150х3 мм) из жаропрочного сплава ХН45МВТЮБР, легированной молибденом, титаном и алюминием. Изучена микроструктура сварных электроннолучевых, плазменных и аргонодуговых соединений и поверхность горячей трещины. Для оценки прочности сварных соединений была измерена твердость шва. Исследовано напряженно-деформированное состояние жаропрочного сплава при локальном тепловом воздействии. Представлены результаты исследований элементного состава поверхности трещины сварного шва. С учетом металлофизических исследований были подобраны режимы для каждого вида сварки (погонная энергия, зазор в стыке, число проходов, выбор присадочной проволоки), получены сварные соединения и проведены механические испытания на изгиб образцов со швами из исследуемого сплава. Химический состав, структура и напряженно-деформированное состояние сварных швов жаропрочного сплава зависят от режимов сварки. Установлены режимы сварки в зависимости от вида сварки для получения стабильных прочных сварных швов рассматриваемого сплава. Сварка электронным лучом приводит к существенному улучшению структуры сварного соединения. Подобранный термоциклический режим обработки шва локальным источником тепла обеспечивает формирование высоких прочностных свойств сварного шва без дополнительной термообработки.
Ключевые слова: жаропрочный сплав, термическая обработка, сварной шов, электроннолучевая сварка, плазменная и аргонодуговая сварка, механические свойства, отжиг, старение.
Введение. Высоколегированные жаропрочные железохромоникелевые сплавы нашли широкое применение конструкциях, предназначенных для эксплуатации в экстремальных условиях воздействия высоких температур, механических нагрузок и агрессивных сред [1]. Технология их изготовления предусматривает упрочняющую термообработку, а также сварку, выполняемую различными способами [2, 3]. Высокотемпературные воздействия, в том числе связанные с расплавлением металла шва, сопровождаются сегрегационными процессами на внешней поверхности и внутренних границах раздела, образованием ликваций при кристаллизации шва, окислением в результате взаимодействия с окружающей средой [4, 5]. Образование легкоплавких и хрупких соединений на внутренних границах раздела создает предпосылки для возникновения трещин в сварном шве [6]. Высокая жаростойкость, антикоррозионные свойства, устойчивость к зарождению поверхностных микротрещин во многом определяется составом поверхностных слоев, а при термообработке на воздухе - составом и структурой окалины. Формирование последней должно определяться не только сродством компонентов к кислороду и их диффузионной подвижностью через растущую окалину, но и процессами сегрегации, присущими для случая чистой металлической поверхности, а также исходным состоянием сплава. Исследование их закономерностей представляет важную задачу с целью прогнозирования физико-химических и механических свойств материалов.
Тепловые воздействия в процессе сварки вызывают не только изменения структуры и состава, но и возникновение сложного напряженно-деформированного состояния в сварном шве и в зоне термического влияния, определяющего отличия прочности и пластичности сварного соединения по сравнению с основным материалом. Высокий уровень внутренних напряжений может приводить к образованию трещин [7]. Проблема прогнозирования механического поведения материала при локальных тепловых воздействиях является актуальной задачей прочности. Созданная структурно-аналитическая теория прочности [8] позволяет решать подобные задачи на качественно новом уровне с учетом фундаментальных знаний, известных в настоящее время в физике прочности и пластичности материалов.
В данной работе исследованы состав, структура сварных швов, процессы сегрегации и окисления в поверхностных слоях шва и основного материала при высокотемпературной обработке, напряженно-деформированное состояние при локальном тепловом воздействии, а также поверхность горячей трещины сварного шва жаропрочного сплава ХН45МВТЮБР полученного электронно-лучевой, аргонодуговой и плазменной сваркой.
Методика проведения исследований. Исследования проведены на технологических образцах (пластины 100х150х3 мм) из жаропрочного сплава ХН45МВТЮБР, легированной молибденом, титаном и алюминием. Электронно-лучевая сварка и последующая упрочняющая локальная термообработка проведены электронным лучом в вакууме на установке электронно-лучевой сварки, оснащенной агрегатом ЭЛА-50/5М и системой программного управления. Аргонодуговая и плазменная сварка проводилась на установке для сварки продольных швов. Химический состав образцов определен методами рентгеноэлектронной спектроскопии и вторично-ионной масс-спектрометрии на спектрометрах ЭС-2401 и МС-7201М.
