CC BY
0
УДК 621.791
https://doi.org/10.24412/0131-4270-2024-1-2-11-15
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСТАТОЧНЫХ СВАРОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ ПРИ ПОСТОЯННОМ И ИМПУЛЬСНОМ СВАРОЧНОМ ТОКЕ
STUDY OF RESIDUAL WELDING STRESSES IN LOW-ALLOY STEEL WITH DIRECT AND PULSED WELDING CURRENT
Глушкова Л.Р.1, Каравайченко М.Г.1, Чубуков П.В.2, Васильев А.В.2
1 Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450064, г. Уфа, Россия
ORCID: https://orcid.org/0009-0009-4674-5626, E-mail: lgulemova@mail.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1709-1717, E-mail: kmgnmd@yandex.ru
2 ЗАО «Нефтемонтаждиагностика», 450112, г. Уфа, Россия ORCID: https://orcid.org/0009-0004-6534-4055,
E-mail: chubukovpv@nmdcomp.ru
ORCID: https://orcid.org/0009-0006-0317-1368, E-mail: info@nmdcomp.ru
Резюме: Технологические операции при изготовлении резервуаров неизбежно приводят к возникновению остаточных напряжений. Особенную опасность представляют остаточные сварочные напряжения, которые приводят к короблению металла. Регулирование тепловложения при сварке позволит уменьшить величину данных напряжений. Так, научный интерес представляет собой импульсно-дуговая сварка, которая, по мнению исследователей, позволит сократить величину остаточных сварочных напряжений. Целью данной работы является исследование остаточных сварочных напряжений образцов из стали марки 09Г2С, сваренных многопроходной импульсно-дуговой сваркой и сваркой на постоянном токе при заданных режимах.
Ключевые слова: остаточные сварочные напряжения, импуль-сно-дуговая сварка, сварка на постоянном токе, магнитоани-зотропный метод, разность главных механических напряжений, напряженно-деформированное состояние, неразрушающий контроль, методы контроля.
Для цитирования: Глушкова Л.Р., Каравайченко М.Г., Чубуков П.В., Васильев А.В. Исследование остаточных сварочных напряжений в низколегированной стали при постоянном и импульсном сварочном токе // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2024. № 1-2. С. 11-15.
D0I:10.24412/0131-4270-2024-1-2-11-15
Glushkova Liana R.1, Karavaychenko Mikhail G.1, Chubukov Pavel V.2, Vasil'iev Alexander V.2
1Ufa State Petroleum Technical University, 450064, Ufa, Russia
ORCID: https://orcid.org/0009-0009-4674-5626, E-mail: lgulemova@mail.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1709-1717, E-mail: kmgnmd@yandex.ru
2CJSC Neftemontazhdiagnostika, 450112, Ufa, Russia
ORCID: https://orcid.org/0009-0004-6534-4055,
E-mail: chubukovpv@nmdcomp.ru
ORCID: https://orcid.org/0009-0006-0317-1368, E-mail: info@nmdcomp.ru
Abstract: Technological operations during the manufacture of tanks inevitably lead to the occurrence of residual stresses. Residual welding stresses, which lead to warping of the metal, are especially dangerous. Regulating the heat input during welding will reduce the magnitude of these stresses. Thus, pulsed-arc welding is of scientific interest, which, according to researchers, will reduce the amount of residual welding stresses. The purpose of this work is to study the residual welding stresses of samples made of steel grade 09G2S, welded by multi-pass pulsed-arc welding and direct current welding under specified modes.
Keywords: residual welding stresses, pulsed-arc welding, direct current welding, magnetic anisotropic method, difference in principal mechanical stresses, stress-strain state, non-destructive testing, testing methods.
For citation: Glushkova L.R., Karavaychenko M.G., Chubukov P.V., Vasil'iev A.V. STUDY OF RESIDUAL WELDING STRESSES IN LOW-ALLOY STEEL WITH DIRECT AND PULSED WELDING CURRENT. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2024, no.1-2, pp. 11-15.
DOI:10.24412/0131-4270-2024-1-2-11-15
Введение
Высокие деформации и напряжения, возникающие при сварке на постоянном токе, требуют внедрения новых методов регулирования сварочным процессом.
При сварке могут использоваться различные импульсные процессы: сварка модулированным током, импульсно-дуго-вая сварка (ИДС), сварка пульсирующей дугой, импульсная подача проволоки [1].
Регулирование сварочным процессом возможно за счет изменения тока в виде импульсов, то есть ИДС. ИДС за счет регулируемого переноса металла также позволяет повысить стабильность горения дуги, получить направленный перенос во всех пространственных положениях, заданные механические свойства сварного шва.
Современные ученые ищут новые способы ИДС: с подогревом электродной проволоки, двудуговая сварка, с увеличенным вылетом электродной проволоки, технологии SpeedPulse, STT, ForceArc, Со^Агс [1].
Снизить разбрызгивание металла при сварке, а также улучшить формирование сварного шва при ИДС способствует использование смеси газов Аг + С02.
Также одним из способов повышения эффективности ИДС является использование импульсного питания сварочной дуги. В частности, благодаря интенсивному перемешиванию металла происходит повышение механических свойств сварного шва [2].
1-2 • 2024
11
Среди режимов ИДС выделяют основные: амплитуда тока, их длительность, частота следования. Остальные параметры могут быть определены через указанные.
Установить оптимальный режим ИДС является сложной задачей. Так, в работе [3] предлагают унифицировать процесс подбора режима для различных групп материалов.
В работе [4] отмечено, что важное значение при выборе режима ИДС имеет сочетание параметров импульса и сварки. При этом оптимальным считается перенос одной капли за импульс. Критерий переноса металла выражается формулой [4]
D=а,
(1)
С
0,1
1У1П 1,48
Si
0,67
где D - константа, зависящая от объема капли, состава и диаметра сварочной проволоки; п - среднее значение показателя равно 2; 1Щ - ток импульса; tи - время импульса.
Авторы работы [4] также исследовали и сравнивали различные режимы ИДС и сварки на стационарном режиме. Так, глубина проплавления при импульсно-дуговой сварке увеличивается по сравнению со сваркой на стационарном режиме. Отмечено уменьшение потерь металла на разбрызгивание с 0,7% при стационарном режиме сварки до 0,07% при ИДС. Отмечено, что с увеличением сварочного тока (максимально рассмотрено 240 А) ширина и высота шва также увеличиваются. Авторы также пришли к выводу, что ширина зоны термического влияния (ЗТВ) при ИДС на токах выше 160 А становится меньше, чем при стационарном режиме сварки.
Известно, что при многопроходной сварке, при наложении последующих слоев частично будет расплавляться предыдущий слой с передачей теплоты на предыдущие слои шва. При этом произойдет термическая обработка предыдущих слоев шва. Вызывает научный и практический интерес вопрос о влиянии данной термической обработки на свойства предыдущих слоев шва.
Важной задачей при ИДС сварке является своевременный контроль остаточных напряжений и дефектов сварного шва.
В работе [5] применяют рентгеновский метод для оценки остаточных сварочных напряжений образцов из стали 09Г2С. В результате сравнения результатов контроля образцов, сваренных импульсным и стационарным режимом, авторы пришли к выводу о наличии высоких растягивающих напряжений при сварке в стационарном режиме. Такие значения напряжений авторы объясняют меньшим на 10% значением погонной энергии при сварке на импульсном режиме.
Оценке остаточных сварочных напряжений при ИДС на различных режимах посвящена работа [6]. Остаточные напряжения авторы измеряли с помощью механического тензометра. Так, в работе увеличение скорости сварки с 8 до 24 м/ч привело к уменьшению максимальных растягивающих напряжений со 120 до 70 МПа соответственно и ширины зоны их действия с 75 до 50 мм.
В настоящее время для неразрушающего контроля остаточных механических напряжений после технологических операций (деформирование, сварка, термическая обработка и др.) широко применяют метод измерения твердости и магнитные методы.
Для исследования полей механических напряжений в резервуарных конструкциях применяют приборы, относящиеся к классу электромагнитных измерителей механических напряжений [7]. Принцип их действия основан на использовании магнитоупругого эффекта, под которым понимается свойство ферромагнитных материалов изменять магнитное состояние под влиянием механических напряжений.
Таблица 1
Химический состав стали 09Г2С по сертификату на лист
Массовая доля элементов, не более, %
S
0,004
p
0,015
0,05
0,06
0,07
Al
0,47
Ъ 0,004
V 0,003
■ Рис. 1. Конструктивные элементы сварного шва
■ Рис. 2. Схема: а - сборки; б - сварки
В2
В1
1
т300т
2
3
б
б
а
Напряжение Вылет дуги, В электрода, мм
Скорость Расход газа
подачи (смеси) в
электродной сварочной
проволоки, горелке,
м/мин л/мин
Таблица 2
Параметры процесса сварки на постоянном токе
Род и полярность тока
Диаметр
Наименование электродной
(номер) слоя проволоки,
мм
0 - прихватка 1,2
1-2 - корневой 1,2
3-10 - заполняющий 1,2
11-14 - облицовочный 1,2
Сварочный ток, А
I
Пост.; обрат.
Таблица 3
Параметры процесса импульсно-дуговой сварки
120-140 16-18 15-20 3,0-3,7 10-20
120-140 16-18 15-20 3,0-3,7 10-20
120-150 16-19 15-20 3,0-3,8 10-20
120-150 16-19 15-20 3,0-3,8 10-20
Наименование (номер) слоя Диаметр электродной проволоки, мм Род и полярность тока Сварочный ток, А Ток импульса, А Ток паузы, % Напряжение дуги, В Вылет электрода, мм Скорость подачи электродной проволоки, м/мин Расход газа (смеси) в сварочной горелке, л/мин
0 - прихватка 1,2 120-140 - - 16-18 15-20 3,0-3,7 10-20
1-2 - корневой 1,2 Пост.; 120-140 - - 16-18 15-20 3,0-3,7 10-20
3-10 - заполняющий 1,2 обрат. - 80-90 50 20-22 15-20 2,5-2,9 10-20
11-14 - облицовочный 1,2 - 80-90 50 20-22 15-20 2,5-2,9 10-20
I
Рис. 3. Схема замера твердости: а - импульсно-дуговая сварка; б - постоянный ток
|Рис. 4. График зависимости твердости от расстояния от центра сварного шва для образца № 1 и № 2
Твердость, HV
1 80 250 1 94 1 79
1 36 ^ 1 78 1 91 17 1 3 >» 58
1 54 150 151
100
5 10 5 50 0 5 10
15
I Рис. 5. Прогиб образцов вдоль направления шва (ось Х) 1,2
1
0,8 0
■Т! 0,6
ГО
0
1 0,4 0,2
0
0 100 200 1-2 • 2024
Расстояние от центра сварного шва, мм образец, сваренный импульсно-дуговой сваркой образец, сваренный на постоянном токе
-Образец, сваренный на постонном токе
Образец, сваренный импульсно-дуговой сваркой
300 400
500
600
700 800 900 1000 Длина, мм
а
I Рис. 6. Угловая деформация образцов
, 8
° 4
со с!
о
Е 0 >
Образец, сваренный на постоянном токе
1Ут угловой деформации
Образец, сваренный импульсно-дуговой сваркой
Max угловой деформации
I
Рис. 7. Гистограмма изменения максимальных значений РГМН в у.е. во время сварки для образцов № 1 и № 2
250 200 .150 100 50 0
219,52
227,51 209,92
147,18
121,
111,51
135,11
148,4
3-4 проход 5-6 проход
Исходное состояние 1 проход 2 проход
■ Образец, сваренный на постонном токе Образец, сваренный импульсно-дуговой сваркой
Рис. 8. Значения РГМН (среднее) в слое 0-3 мм в зависимости от расстояния от центра сварного шва
-100
Расстояние от центра сварного шва, мм
Образец, сваренный на постоянном токе
Образец, сваренный ИДС
Целью данной работы является исследование распределения остаточных сварочных напряжений при ИДС и сварке на постоянном токе.
В рамках испытаний «Исследование сварочных остаточных напряжений» проведено два опыта. Проведена полуавтоматическая сварка (ГОСТ 14771-76, ГОСТ 31385-2016) двух пластин в вертикальном положении в смеси аргона, С02 и кислорода на постоянном токе обратной полярности (образец № 1) и импульсно-ду-говой сваркой (образец № 2). При сварке использовали сварочные материалы: ОК Autrod 12.51, сварочная смесь К-3.1 (92%Аг + 4%СО2 + 2%О2). После наложения каждого слоя измеряли разность главных механических напряжений (РГМН).
Подготовка кромок выполнялась фрезерованием пластин (см. рис. 1) до полного удаления следов резки. Сборку пластин осуществляли с помощью постановки прихваток. Схема сборки образца дана на рис. 2а.
Сварные соединения выполнялись в 7 слоев (12 проходов). Сварка выполнялась обратноступенчатым способом с длиной ступени 250-350 мм по режимам табл. 2 (для сварки при постоянном токе) и по режимам табл. 3 (при импульсно-дуговой сварке), при этом сварка корня шва выполнялась на спуск (положение В2), а сварка заполняющих и облицовочного слоя выполнялась на подъем (положение В1) от 1 до 3-й ступени по схеме в импульсном режиме (см. рис. 2б).
Далее измерили прогиб образца с использованием поверочной плиты, индикаторной стойки и индикатора часового типа вдоль направления шва и перпендикулярно шву.
После сварки двух пластин из сварного образца подготовили макрошлиф. Измерили твердость по Виккерсу с нагрузкой 10 кгс.
Твердость измеряли в основном металле (ОМ), сварном шве (СШ) и зоне термического металла (ЗТВ) в пяти равноудаленных точках вдоль сварного шва, начиная и заканчивая на расстоянии 30 мм от края сварного шва (рис. 3).
125
6
2
Материал и методика проведения эксперимента
Для проведения испытаний изготовлено четыре образца из листовой стали марки 09Г2С размером 1000x150x25 мм, химический состав которой дан в табл. 1.
На одной длинной стороне каждого образца выполнена разделка кромок под сварку (рис. 1) по ГОСТ 14771-76 (тип соединения С17).
Результаты и их обсуждение
Согласно полученным данным, твердость, измеренная для образца, сваренного на постоянном токе (№ 1) и сваренного на импульсно-дуговой сварке (№ 2), значительно не отличается (рис. 4).
На рис. 5 представлены результаты измерений прогиба образца, сваренного на постоянном токе (№ 1) и образца,
сваренного импульсно-дуговой сваркой (№ 2). В обоих случаях отмечено повышение значений прогиба на концах образцов, что может быть вызвано их свободным положением при сварке.
На рис. 6 представлены результаты измерений угловой деформации образца, сваренного на постоянном токе (№ 1) и образца, сваренного импульсно-дуговой сваркой (№ 2).
На рис. 7 представлена гистограмма изменения максимальных значений РГМН в условных единицах во время сварки для образца, сваренного на постоянном токе и образца, сваренного импульсно-дуговой сваркой. Согласно рисунку, отмечено, что для образца, сваренного на постоянном токе, характерны большие значения РГМН в среднем на 16,6 у.е.
На рис. 8 представлен график зависимости РГМН (средние значения по области сканирования) от расстояния от центра сварного шва для образца, сваренного на постоянном токе и образца, сваренного импульсно-дуго-вой сваркой.
Согласно результату сканирования магнитоанизотропным методом, остаточные сварочные напряжения в сварном шве при ИДС ниже на 18%, чем при сварке на постоянном токе.
Заключение
Таким образом, при заданных режимах сварки ИДС и на постоянном токе по результату измерения твердости значительных изменений не замечено.
При измерении прогиба вдоль направления шва и перпендикулярно шву отмечены высокие значения деформаций, что вызвано свободным положением образцов при сварке.
Согласно результату сканирования магнитоанизотропным методом остаточные сварочные напряжения в сварном шве при ИДС ниже на 18%, чем при сварке на постоянном токе.
На настоящий момент на предприятиях при сооружении резервуаров применяется сварка на постоянном токе. По результатам исследований можно рекомендовать применение ИДС для снижения остаточных сварочных напряжений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Крампит А.Г., Зернин Е.А., Крампит М.А. Современные способы импульсно-дуговой MIG/MAG сварки // Технологии и материалы. 2015. № 1. С. 4-10.
2. Тихонов М.С., Зубенко Л.Н., Крампит Н.Ю. Импульсно-дуговая сварка в защитных газах / Матер. VI Всерос. науч.-практ. конф. для студентов и учащейся молодежи «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении». Томск: Изд-во ТПУ, 2015. С. 107-109.
3. Дюргеров Н.Г., Сагиров Х.Н., Морозкин И.С. Технологические предпосылки управления импульсно-дуговой сваркой плавящимся электродом // Вестник Донского государственного технического университета. 2012. № 2(63). Вып. 2. С.146-149.
4. Позняков В.Д., Завдовеев А.В., Гайваронский А.А. и др. Влияние режимов импульсно-дуговой сварки на параметры металла шва и ЗТВ сварных соединений, выполненных проволокой СВ-08Х20Н9Г7Т // Автоматическая сварка. 2018. № 9. С. 9-16.
5. Сараев Ю.Н., Голиков Н.И., Дмитриев В.В. и др. Исследование влияния адаптивной импульсно-дуговой сварки на механические свойства и остаточные напряжения сварных соединений стали марки 09Г2С // Обработка металлов. 2013. № 3(60). С. 19-24.
6. Ситников Б.В. Влияние параметров режима импульсно-дуговой сварки на распределение остаточных напряжений в соединениях сплава АМг6 // Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. 2012. № 8(102). С. 69-72.
7. Каравайченко М.Г., Летуновский А.П., Дорошенко Ф.Е. Методы снижения сварочных напряжений в резерву-арных конструкциях // Промышленное и гражданское строительство. 2023, № 2. С. 29-36.
REFERENCES
1. Krampit A.G., Zernin YE.A., Krampit M.A. Modern methods of pulse-arc MIG/MAG welding. Tekhnologii i materialy, 2015, no. 1, pp. 4-10 (In Russian).
2. Tikhonov M.S., Zubenko L.N., Krampit N.YU. Impul'sno-dugovaya svarka v zashchitnykh gazakh [Pulse-arc welding in shielding gases]. Trudy VI Vseros. nauch.-prakt. konf. dlya studentov iuchashcheysya molodezhi «Progressivnyye tekhnologii i ekonomika v mashinostroyenii» [Proc. of the VI All-Russian scientific-practical conf. for students "Advanced technologies and economics in mechanical engineering"]. Tomsk, 2015, pp. 107-109.
3. Dyurgerov N.G., Sagirov KH.N., Morozkin I.S. Technological prerequisites for controlling pulsed-arc welding with a consumable electrode. VestnikDonskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2012, no. 2(63), pp.146149 (In Russian).
4. Poznyakov V.D., Zavdoveyev A.V., Gayvaronskiy A.A. Influence of pulsed-arc welding modes on the parameters of the weld metal and HAZ of welded joints made with SV-08X20H9T7T wire. Avtomaticheskaya svarka. 2018, no. 9, pp. 9-16 (In Russian).
5. Sarayev YU.N., Golikov N.I., Dmitriyev V.V. Study of the influence of adaptive pulsed-arc welding on the mechanical properties and residual stresses of welded joints in 09G2S steel grade. Obrabotka metallov, 2013, no. 3(60), pp. 19-24 (In Russian).
6. Sitnikov B.V. Influence of pulsed-arc welding mode parameters on the distribution of residual stresses in AMg6 alloy joints. Energosberezheniye. Energetika. Energoaudit, 2012, no. 8(102), pp. 69-72 (In Russian).
7. Karavaychenko M.G., Letunovskiy A.P., Doroshenko F.YE. Methods for reducing welding stresses in tank structures. Promyshlennoye igrazhdanskoye stroitel'stvo, 2023, no. 2, pp. 29-36 (In Russian).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Глушкова Лиана Ринатовна, аспирант, Уфимский государственный нефтяной технический университет. Каравайченко Михаил Георгиевич, д.т.н., проф. кафедры проектирования и строительства объектов нефтяной и газовой промышленности, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Чубуков Павел Вячеславович, главный сварщик,
ЗАО «Нефтемонтаждиагностика».
Васильев Александр Вячеславович, генеральный директор,
ЗАО «Нефтемонтаждиагностика».
Liana R. Glushkova, Postgraduate Student, Ufa State Petroleum Technological University.
Mikhail G. Karavaychenko, Dr. Sci. (Tech.), Prof. of the Department of Design and Construction of Oil and Gas Industry Facilities, Ufa State Petroleum Technological University. Pavel V. Chubukov, Chief welder, CJSC Neftemontazhdiagnostika. Alexander V. Vasiliev, General manager, CJSC Neftemontazhdiagnostika
1-2 • 2024
15
