Малоцикловая усталость сварных конструкций, изготовленных из отечественных и импортных материалов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

BernnuxJBryWT/Proceedmgs of VSUET, Т. 80, № 4, 2018-

Оригинальная статья/Original article_

УДК 691.175: 62-977

DOI: http://doi.org/10.20914/2310-1202-2018-4-75-79

Малоцикловая усталость сварных конструкций, изготовленных из отечественных и импортных материалов

Максим А. Васечкин 1 [email protected]

Сергей В. Егоров 2 [email protected]

Александр Б. Коломенский 2 [email protected]

Евгений Д. Чертов_1 [email protected]

1 Воронежский государственный университет инженерных технологий, пр-т Революции, 19, г. Воронеж, 394036, Россия

2 Воронежский государственный технический университет, Московский проспект, 14, г. Воронеж, 394026, Россия Аннотация. В различных отраслях современного машиностроения в качестве конструкционных материалов широко используют коррозионно-стойкие стали и титановые сплавы. При этом возможно соединение деталей из отечественных и импортных сплавов при помощи автоматической аргонодуговой электросварки, что приводит к образованию в сварном шве материала с неизученными свойствами. Сварные соединения являются концентраторами напряжений и в настоящее время отсутствуют сведения о малоцикловой усталости сварных соединений, полученных сплавлением отечественных и импортных материалов. В ходе проведенных исследований отработаны режимы сварки и термообработки стыковых сварных соединений, полученных из листовых титановых сплавов и коррозионно-стойких сталей отечественного и импортного производства. Проведены ресурсные испытания на малоцикловую усталость опытных образцов сварных соединений. Испытания на малоцикловую усталость проводили на модернизированной испытательной машине УММ-10 при повторно-статическом растяжении с коэффициентом асимметрии +0,1 и при частоте 0,6-0,8 Гц. Максимальное растягивающее напряжение составляло 80% от временного сопротивления разрыву наименее прочного сплава в паре. Ось главных напряжений от внешнего нагружения во всех случаях была перпендикулярна сварному шву. Испытания проводили до разрушения образца. В результате исследований установлено, что все сварные соединения разрушались по линии сплавления, что объясняется одновременным действием геометрических и структурных концентраторов напряжений. При этом разрушение образцов, как правило, начиналось около шва со стороны наименее прочного сплава в паре. Так же установлено, что применение температур неполного отжига в сравнении с полным позволяет повысить циклическую долговечность для сварных соединений титановых сплавов в 1,3-2 раза. Из результатов сравнительных испытаний образцов из коррозионно-стойких сталей следует, что отечественная и импортная стали, а также их сварные соединения, обладают близкими свойствами - как по прочности, так и по повторно-статической долговечности. ^лючевыеслова^сварные^оединения^^^галостная^роч

Low-cycle fatigue of welded structures made from domestic and

imported materials

Maxim A. Vasechkin 1 [email protected]

Sergey V. Egorov 2 [email protected]

Alexandr B. Kolomensky 2 [email protected]

Evgenii D. Chertov_1 [email protected]_

1 Voronezh state university of engineering technologies, Revolution Av., 19, Voronezh, 394036, Russia

2 Voronezh state technical university, Moskovsky Avenue, 14, Voronezh, 394026, Russia_

Abstract. In various branches of modern engineering, corrosion-resistant steels and titanium alloys are widely used as structural materials. At the same time, it is possible to connect parts made from domestic and imported alloys using automatic argon-arc electric welding, which leads to the formation of a material with unexplored properties in the weld. Welded joints are stress concentrators and currently there is no information about low-cycle fatigue of welded joints obtained by fusing domestic and imported materials. In the course of the research, the modes of welding and heat treatment of butt welded joints obtained from sheet titanium alloys and corrosion-resistant steel of domestic and foreign production have been developed. Resource tests for low-cycle fatigue of samples of welded joints were carried out. Tests on low-cycle fatigue were carried out on the upgraded testing machine UMM-10 with repeated static stretching with an asymmetry factor of +0.1 and at a frequency of 0.6-0.8 Hz. The maximum tensile stress was 80% of the temporary tensile strength of the weakest alloy in the pair. The main stress axis from external loading in all cases was perpendicular to the weld. The tests were carried out until the destruction of the sample. As a result of research, it was established that all welded joints were destroyed along the fusion line, which is explained by the simultaneous action of geometric and structural stress concentrators. In this case, the destruction of the samples, as a rule, began near the seam from the side of the weakest alloy in the pair. It was also established that the use of temperatures of incomplete annealing in comparison with the full one allows to increase the cyclic durability for welded joints of titanium alloys by 1.3-2 times. From the results of comparative tests of samples of corrosion-resistant steels, it follows that domestic and imported steels, as well as their welded joints, have similar properties, both in strength and in re-static durability.

Keywords: welded joints, fatigue strength, titanium alloys, corrosion-resistant steel

Для цитирования Васечкин М.А., Егоров С.В., Коломенский А.Б., Чертов Е.Д. Малоцикловая усталость сварных конструкций, изготовленных из отечественных и импортных материалов // Вестник ВГУИТ. 2018. Т. 80. № 4. С. 75-79. doi:10.20914/2310-1202-2018-4-75-79

For citation

Vasechkin M.A., Egorov S.V., Kolomensky A.B., Chertov E.D. Low-cycle fatigue of welded structures made from domestic and imported materials. Vestnik VGUIT [Proceedings of VSUET]. 2018. vol. 80. no. 4. pp. 75-79. (in Russian). doi:10.20914/2310-1202-2018-4-75-79

Введение

В различных отраслях современного машиностроения в качестве конструкционных материалов широко используют коррозионно-

стойкие стали и титановые сплавы. В частности, в конструкцию трубопроводов современных изделий авиационной техники заложены унифицированные элементы, материалами которых являются импортные титановые сплавы и коррозионно-стойкие стали. В то же время прямолинейные участки трубопроводных коммуникаций изготавливают из отечественных сплавов и сталей. В настоящее время установлены следующие возможные пары сочетаний разнородных отечественных и импортных титановых сплавов и коррозионно-стойких сталей при сборке трубопроводов в трассу [1-3]:

ОТ4 + Т>6А1-4У;

ВТ1 - 0 + Т1-6А1-4У;

ПТ-7М + Т1-6А1-4У;

ОТ4 + Т40;

ВТ1 - 0 + Т40;

ПТ-7М + Т40;

сталь 12х18Н10Т + сталь АМ 321.

При соединении кольцевых стыков труб из отечественных и импортных сплавов аргоно-дуговой сваркой в сварном шве образуется материал с неизученными свойствами.

Ранее для представленных сочетаний отечественных и импортных материалов, были проведены экспериментальные исследования по оценке временного сопротивления разрыву. По результатам экспериментальных исследований установлено [1, 4]:

— разрушение опытных образцов происходит по основному металлу, наименее прочному из пары свариваемых материалов;

— применительно к сварным соединениям из титановых сплавов наибольшая прочность

соответствует образцам, отжиг которых проводился при температуре неполного отжига наиболее прочного материала в исследуемом сварном соединении.

Однако по одному временному сопротивлению разрыву невозможно судить о долговечности сварных соединений, являющихся геометрическими и структурными концентраторами напряжений [7-10].

В настоящее время отсутствуют сведения о малоцикловой усталости сварных соединений отечественных и импортных титановых сплавов и коррозионно-стойких сталей. Не установлены технологические режимы процесса сварки, а также оптимальные температурные режимы отжигов, способствующих повышению эксплуатационных характеристик сварных соединений.

Материалы и методы

В ходе проведенных исследований отрабатывалась технология сварки и термообработки стыковых сварных соединений из листовых титановых сплавов и коррозионно-стойких сталей отечественного и импортного производства с последующим проведением ресурсных испытаний на малоцикловую усталость опытных образцов сварных соединений.

Опытные образцы изготавливались из листовых заготовок толщиной 1 мм, которые сваривались встык по ГОСТ 14771-76 «Дуговая сварка в защитном газе. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры» при помощи установки автоматической аргонодуговой сварки АДСВ-2. Режимы автоматической аргонодуговой сварки представлены в таблице 1. Полученные плоские сварные заготовки разрезались по схеме, приведенной на рисунке 1 , собирались в пакет и фрезеровались в размеры, указанные на рисунке 2.

Таблица 1.

Режимы автоматической аргонодуговой сварки на постоянном токе без присадки для изготовления опытной партии образцов

Table 1.

Modes of automatic argon arc welding with direct current without additives for the manufacture of an

experimental batch of samples

Параметр режима автоматической аргонодуговой сварки Parameter of automatic argon-arc welding Свариваемые материалы Welded materials

Титановые сплавы Titanium Alloys Коррозионно-стойкие стали Corrosion resistant Steel

Сварочный ток, А | Welding current, a 70-75 65-75

Скорость сварки, м/ч | Welding speed, m / h 20-22 18-20

Напряжение дуги, В | Arc voltage, V 8-9 8-9

Установочная длина дуги, мм | Installation arc length, mm 1,0-1,5 1,0-1,5

Диаметр вольфрамового электрода, мм Diameter of tungsten electrode, mm 2,0-2,5 2,0-2,5

Расход аргона, л/мин, для защиты (Argon consumption, L/min, for protection): - дуги и шва (Arc and seam); - обратной стороны шва (reverse side of the seam). 5-7 1-2 6-7 1-2

Рисунок 1. Схема получения заготовок для изготовления опытных образцов: 1 - листовая заготовка из материала № 1; 2 - листовая заготовка из материала № 2

Figure 1. The scheme of obtaining blanks for the manufacture of samples: 1 - sheet blank of material № 1; 2 - sheet blank of material № 2

Опытные образцы из титановых сплавов подвергали воздушному отжигу в лабораторных муфельных печах с выдержкой в течение 1 ч. Температуру отжига To выбирали в зависимости от температуры неполного отжига для наиболее прочного сплава в изучаемой паре, что связано с необходимостью восстановления пластичности и снятия остаточных напряжений, в первую очередь, для наиболее высокопрочного сплава [1, 5]. Для удаления поверхностных оксидов после отжига титановых образцов при To = 650-750 °С применяли пескоструйную обработку поверхности с избыточным давлением воздуха в сети не более 0,1 МПа. При отжиге с температурами менее 600 °С операцию удаления окалины перед травлением не осуществляли. Облагораживающее травление образцов производили в смеси HNO3 (600-750 мл/л, плотностью 1,40 г/см3) и HF (180-220 мл/л, плотностью 1,13 г/см3) при температуре 20-23 °С в течение времени, необходимого для полного удаления газонасыщенного слоя. Полноту удаления контролировали по микротвердости поверхности на образцах-свидетелях [6].

Опытные образцы из коррозионно-стойких сталей не отжигали.

Испытания на малоцикловую усталость проводили на модернизированной испытательной машине УММ-10 при повторно-статическом растяжении с коэффициентом асимметрии R = +0,1 и при частоте f = 0,6 - 0,8 Гц. Максимальное растягивающее напряжение принимали равным оmax «0,8ов (здесь ов - временное сопротивление разрыву наименее прочного сплава в паре). Ось главных напряжений от внешнего нагружения во всех случаях была перпендикулярна сварному шву. Испытания проводили до разрушения образца.

Результаты и обсуждение

Результаты ресурсных испытаний на малоцикловую усталость опытных образцов сварных соединений представлены в таблице 2 и на рисунке 3.

Таблица 2. Результаты испытаний на малоцикловую усталость опытных образцов сварных соединений из коррозионно-стойких сталей

Table 2.

The results of tests on low-cycle fatigue test samples of welded joints of corrosion-resistant steel

Свариваемые стали Welded steel Количество циклов до разрушения Number Cycles to destruction Зона и тип разрушения Zone and type of destruction

Х18Н10Т + 2х18Н10Т 39785

35318 Усталостное

12812 разрушение по линии

18212

<N ,-с 23385 сплавления

+ 17352 с образованием

AISI321 ■ AISI321 31294 усталостной

22281 трещины и зоны

20800 долома

17396 Fatigue fracture

х18Н10Т + AISI 321 25324 in the line of fusion

20278 with the formation

21925 of fatigue crack and

22055 the area of the scrap

<N 17941

Рисунок 2. Опытный образец для проведения ресурсных испытаний на малоцикловую усталость

Figure 2. The prototype for endurance tests on low-cycle fatigue

На рисунке 4 представлены примеры разрушения при испытании опытных образцов сварных соединений на малоцикловую усталость.

Анализ результатов испытаний образцов из титановых сплавов показал, что практически все разрушения имели усталостный характер. Исключения составляли только отдельные случаи квазистатического разрушения (без выраженной усталостной трещины) для сварных соединений со стороны наименее прочного металла (ВТ1-0, Т40, ПТ-7М), когда температура отжига превышала температуру начала рекристаллизации данного металла.

1 2 3 4 5 6

Рисунок 3. Среднее количество N циклов до разрушения опытных образцов из сочетания титановых сплавов: 1) ОТ4 + Ti-6Al-4V; 2) ПТ-7М + Ti-6Al-4V; 3) ВТ1 - 0 + Ti-6Al-4V; 4) ОТ4 + Т40; 5) ПТ-7М + Т40; 6) ВТ1 - 0 + Т40

Figure 3. The average number of N cycles until the destruction of prototypes of a combination of titanium alloys: 1) ОТ4 + Ti-6Al-4V; 2) РТ-7М + Ti-6Al-4V; 3) VT1 - 0 + Ti-6Al-4V; 4) ОТ4 + Т40; 5) РТ-7М + Т40; 6) VT1 - 0 + T40

; ТШЧ ^

С >5°'

тшчх

О

(b)

Рисунок 4. Типичный вид разрушений образцов сварных соединений: (a) - из титановых сплавов; (b) - из коррозионно-стойких сталей

Figure 4. A typical form of destruction of samples of welded joints: (a) - of titanium alloys; (b) - of corrosion-resistant steels

Разрушение по линии сплавления можно объяснить одновременным действием геометрических (подрезы) и структурных (крупнозернистая У-превращённая микроструктура) концентраторов напряжений. Усталостное разрушение, как правило, начиналось около шва со стороны наименее прочного сплава в паре.

Можно отметить, что применение температур неполного отжига в сравнении с полным позволяет повысить циклическую долговечность для сварных соединений из отечественных и импортных титановых сплавов в 1,3-2,0 раза.

Из результатов сравнительных испытаний образцов из коррозионностойких сталей следует, что повторно-статическая долговечность сварных соединений из сталей 12х18Н10Т + +ЛК1 321 находится приблизительно на уровне долговечности образцов, изготовленных только из стали ЛШ 321. Разрушение во всех случаях носило усталостный характер и начиналось по линии сплавления. Повторно-статическая долговечность образцов, изготовленных из отечественной стали 12х18Н10Т, в среднем оказалась приблизительно на 17% выше, чем у образцов из стали ЛМ 321. Это можно объяснить несколько большим исходным уровнем предела её прочности ое (68,3 кг/мм2 - для стали 12х18Н10Т против 65,8 кг/мм2 - для стали АК1 321).

Заключение

1. Разрушение сварных соединений разноимённых сплавов практически во всех случаях носит усталостный характер и происходит по линии сплавления или по зоне термического влияния со стороны наименее прочного сплава в паре.

2. Применение режимов неполного отжига в сравнении с полным отжигом позволяет повысить циклическую долговечность для сварных соединений из разноимённых титановых сплавов в 1,3-2,0 раза.

3. Отечественная сталь 12х18Н10Т и импортная сталь ЛК1 321, а также их сварные соединения обладают близкими свойствами как по прочности, так и по повторно-статической долговечности.

ЛИТЕРАТУРА

1 Vasechkin M.A., Davydov O.Yu., Kolomenskii A.B., Egorov S.V. Effect of welding and heat treatment regimes on the mechanical properties of various titanium alloy welded joints // Chemical and Petroleum Engineering. 2018. V. 54. №7-8. P. 525-530. doi: 10.1007/sl0556-018-0512-l

2 Шашкова Ю.Е. Применение титана и титановых сплавов для различных отраслей промышленности. Основные свойства и преимущества // Сфера нефтегаз. 2011. № 3. С. 166-167.

; Глазунов С.Г., Ясинский К.К. Титановые сплавы для авиационной техники и других отраслей промышленности // Технология легких сплавов. 1993. № 7-8. С. 47-54.

4 Васечкин М.А., Егоров C.B., Коломенский А.Б., Чертов Е.Д. Временное сопротивление разрыву сварных конструкций, изготовленных из отечественных и импортных материалов//ВестникВГУИТ. 2015. №4(66). С. 61-65.

5 Производственная инструкция ПИ 1.2.587-02. Термическая обработка полуфабрикатов и деталей из титановых сплавов. М.: ВИАМ. 29 с.

6 Производственная инструкция ПИ 1.2.132-79. Удаление окалины и альфированного слоя с поверхности полуфабрикатов и деталей из титановых сплавов. М.: ВИАМ. 13 с.

7 Bai R. et al. Study on welding sequence of butt-welded structures based on equivalent heat source parameter // International Journal of Pressure Vessels and Piping. 2018. V. 163. P. 15-22.

8 Liang W., Deng D. Investigating the influence of external restraint on welding distortion in thin-plate welded structures by means of numerical simulation technology // Journal of Physics: Conference Series. 2018. V. 1063. №. 1. P. 012082. doi: 10.1088/1742-6596/1063/1/012082

9 Hector R, Naoki O., Hidekazu M, Sherif R Development of a Practical Straightening Simulation for Welded Structures Using Inherent Strain Method // KnE Engineering. 2018. V. 3. №. 1. P. 332-343. doi: 10.18502/keg.v3il.l438

10 Bhatti A.A., Barsoum Z., Khurshid M. Development of a finite element simulation framework for the prediction of residual stresses in large welded structures //Computers & Structures. 2014. V. 133. P. 1-11.

REFERENCES

1 Vasechkin MA, Davydov O.Yu., Kolomenskii A.B., Egorov S.V. Effect of welding and heat treatment regimes on the mechanical properties of various titanium alloy welded joints. Chemical and Petroleum Engineering. 2018. vol. 54. no. 7-8. pp. 525-530. doi: 10.1007/s10556-018-0512-1

2 Shashkova Yu. E. Use of titanium and titanium alloys for various branches of industry. Main properties and advantages. Sfera neftegaz [Sphere oil and gas]. 2011. no. 1. pp. 166-167. (in Russian)

3 Glazunov S.G., Yasinskii K.K. Titanium alloys for aviation technology and other branches of industry. Tekhnologiya legkih splavov [Light alloy technology]. 1993. no. 7-8. pp. 47-54. (in Russian)

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Максим А. Васечкин к.т.н., доцент, кафедра технической механики, Воронежский государственный университет инженерных технологий, пр-т Революции, 19, г. Воронеж, 394036, Россия, [email protected]

Сергей В. Егоров аспирант, кафедра технологии сварочного производства и диагностики, Воронежский государственный технический университет, Московский проспект, 14, г. Воронеж, 394026, Россия, [email protected]

Александр Б. Коломенский д.т.н., профессор, кафедра технологии сварочного производства и диагностики, Воронежский государственный технический университет, Московский проспект, 14, г. Воронеж, 394026, Россия, [email protected] Евгений Д. Чертов д.т.н., профессор, кафедра технический механики, Воронежский государственный университет инженерных технологий, пр-т Революции, 19, г. Воронеж, 394036, Россия, [email protected]

КРИТЕРИЙ АВТОРСТВА Максим А. Васечкин написал рукопись, корректировал её до подачи в редакцию и несёт ответственность за плагиат Сергей В. Егоров обзор литературных источников по исследуемой проблеме, провёл эксперимент, выполнил расчёты Александр Б. Коломенский предложил методику проведения эксперимента

Евгений Д. Чертов консультация в ходе исследования

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

ПОСТУПИЛА 30.10.2018 ПРИНЯТА В ПЕЧАТЬ 03.12.2018

4 Vasechkin M.A., Egorov S.V., Kolomenskii A.B., Chertov E.D. Ultimate breaking strength of welded joints prepared from domestic and foreign materials. Vestnik VGUIT [Proceedings of VSUET]. 2015. no. 4. pp. 61-65. (in Russian)

5 Production instruction PI 1.2.587-02. Termicheskaya obrabotka polufabrikatov i detalej iz titanovyh splavov [Heat treatment of semi-finished products and parts made of titanium alloys]. Moscow, VIAM. 29 p. (in Russian)

6 Production instructions PI 1.2.132-79. Udalenie okaliny i al'firovannogo sloya s poverhnosti polufabrikatov i detalej iz titanovyh splavov [Removal of scale and gas-saturated layer from the surface of semi-finished products and parts made of titanium alloys]. Moscow, VIAM. 13 p. (in Russian)

7 Bai R. et al. Study on welding sequence of butt-welded structures based on equivalent heat source parameter. International Journal of Pressure Vessels and Piping. 2018. vol. 163. pp. 15-22.

8 Liang W., Deng D. Investigating the influence of external restraint on welding distortion in thin-plate welded structures by means of numerical simulation technology. Journal of Physics: Conference Series. 2018. vol. 1063. no. 1. pp. 012082. doi: 10.1088/1742-6596/1063/1/012082

9 Hector R., Naoki O., Hidekazu M., Sherif R. Development of a Practical Straightening Simulation for Welded Structures Using Inherent Strain Method. KnE Engineering. 2018. vol. 3. no. 1. pp. 332-343. doi: 10.18502/keg.v3i1.1438

10 Bhatti A. A., Barsoum Z., Khurshid M. Development of a finite element simulation framework for the prediction of residual stresses in large welded structures. Computers & Structures. 2014. vol. 133. pp. 1-11.

INFORMATION ABOUT AUTHORS Maxim A. Vasechkin Cand. Sci. (Engin.), associate professor, department of technical mechanics, Voronezh state university of engineering technologies, Revolution Av., 19 Voronezh, 394036, Russia, [email protected]

Sergey V. Egorov graduate student, department of welding technology and diagnostics, Voronezh state technical university, Moskovsky Av., 14, Voronezh, 394026, Russia, [email protected]

Alexandr B. Kolomensky Dr. Sci. (Engin), professor, department of welding technology and diagnostics, Voronezh state technical university, Moskovsky Av., 14, Voronezh, 394026, Russia, [email protected]

Evgenii D. Chertov Dr. Sci. (Engin), professor, department of technical mechanics, Voronezh state university of engineering technologies, Revolution Av., 19 Voronezh, 394036, Russia, [email protected]

CONTRIBUTION Maxim A. Vasechkin wrote the manuscript, correct it before filing in editing and is responsible for plagiarism Sergey V. Egorov review of the literature on an investigated problem, conducted an experiment, performed computations

Alexandr B. Kolomensky proposed a scheme of the experiment

Evgenii D. Chertov consultation during the study

CONFLICT OF INTEREST The authors declare no conflict of interest.

RECEIVED 10.30.2018 ACCEPTED 12.3.2018