Оценка влияния величины остаточных напряжений в сварных соединениях двухслойных сталей Текст научной статьи по специальности «Физика»

Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733

ЗВАРЮВАЛЬНЕ ВИРОБНИЦТВО

УДК 330.15.332

1 2 © Чигарев В.В. , Коваленко И.В.

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВЕЛИЧИНЫ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ ДВУХСЛОЙНЫХ СТАЛЕЙ

В статье приведены исследования влияния остаточных напряжений в околошовной зоне плакирующего слоя двухслойной стали ВСт3сп5+10Х13 на эксплуатационные характеристики конструкции. Приведен анализ сравнительных характеристик эксплуатационных свойств различных биметаллических сварных соединений. Предложенные расчеты позволяют прогнозировать период работоспособности металлоконструкций до периода выхода из строя.

Ключевые слова: сварка биметаллов, остаточные напряжения, плакирующий слой.

Чигарьов В.В., Коваленко 1.В. Ощнка впливу величини остаточних на-пружень у зварних з'еднаннях двошарових сталей. У статт1 доведенi до-сл1дження впливу остаточних напружень у околошовнт зон плакуючого шару, двошарового шару двошаровог сталi ВСт3сп5+10Х13 на експлуата-цтш властивостi контракци. Наведено аналiз зрiвнювальних характеристик експлуатацтних властивостей рiзних бiметалевих зварних з'еднань. Запропоноват розрахунки дозволять прогнозувати перюд працездатностi металевог конструкци до перюду виходу з ладу.

Ключовi слова: зварювання бiметалiв, остаточш напруження, плакуючий шар.

V. V. Chigaryov, I. V. Kovalenko. Evaluation of the influence of the value of residual stresses in welded joints of double-sheet steels. The article presents the research of the influence of intensity in melting zone outward layer steel ВСт3сп5+10Х13 for extend construction. Te proposed estimations make it possible to predict the service lives of metal structures until failure. Keywords: bi-metal welding, influence intensity, outward layer.

Постановка проблемы. Постоянное повышение требований к качеству изготовления металлургических агрегатов, выполнению их ремонтов, с применением сварки биметаллов, обуславливают появление новых методов расчета и определения эксплуатационных свойств. Особую роль играет прогноз о длительности эксплуатации металлоконструкции. В связи с этим, разработки в указанном направлении являются весьма актуальными.

Анализ последних исследований и публикаций. Свойства биметаллических сталей ВСт3сп5 + 10Х13 широко известны [1], применяются как корозионно стойкие и термостойкие материалы при изготовлении деталей работающих в воде, разбавленных растворах солей, агрессивных термических средах, в нефтехимической промышленно-

1 д-р техн. наук, профессор, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет» г. Мариуполь

2 ведущий инженер ПАО «ММК им. Ильича» г. Мариуполь

Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733

сти. Имеется информация по определению свойств коррозионного износа и значением скорости общей коррозии 0.1-0.3 мм/год.

В Украине представлен ряд предварительных исследований по определению малоцикловой усталости различных композиционных пар. Во всех случаях представлены данные расчетов и экспериментов без учета деформаций на нижней поверхности образца при удалении слоев ai и 8i [2]. При этом важно влияние этих параметров на составление подынтегрального выражения, с указанием полусуммы и значения интеграла. Также важным фактором является величина G(ai) со значением коэффициентов, дающих полную картину наличия величины остаточных напряжений в плакирующем слое.

Его появлению способствуют значительные остаточные напряжения в зоне сварки возникающие под действием сварочных термодефрмаций цикла [3]. По мере вылеживания сварных заготовок отмечалось снижение а - мартенсита, в металле ЗТВ соединений в результате восстановления в них напряжений и потери стабильности геометрических размеров. В результате механического перемешивания в процессе сварки и кристаллизации возникают пониженные прочностные и пластические свойства, по пределу прочности, текучести, а также циклических испытаний.

Цель статьи - расчетная оценка величины остаточных напряжений околошовной зоны плакирующего слоя, биметалла Вст3сп+10Х13.

Изложение основного материала. Для проведения исследований по теме были использованы пластины размером 30x100x600 мм из, биметалла марки Вст3сп+10Х13, поставляемой по ТУ 14-1-1670-86.

Измерения в остаточных напряжений производили на образцах в состоянии поставки и после одного цикла нагружения [3] из следующих композиций: Вст3сп+08Х13 Вст3сп+12Х13 Вст3сп+10Х17Н13М2Т. Состояние образцов и значения пределов текучести основного и плакирующего слоев показаны в таблице.

Таблица

_Показатели напряжений исследуемых сталей_

№ обр. Состав композиции Ч2 , кг/мм2 п G02, кг/мм2 2 кг/мм

12-9 Вст3сп+08Х13 134 90 112

12-9-1 ---«--- 134 90 112

12-19 ---«--- 134 90 112

16-9 Вст3сп+12Х13 134 110 122

16-9-1 Вст3сп+12Х13 134 110 122

2С-3 Вст3сп+10Х17Н13М2Т 134 80 107

14-10 Вст3сп+10Х17Н13М2Т 134 52 93

Расчет ключевых значений и показателей основан на формуле 1.

а а = ±е (Ъ - а ) Б(а ) - 3Е (Ъ - а )\ ,0-Х^5 , (1)

0

где аа - напряжение в образце на расстоянии Q от поверхности; а - толщина всех снятых слоёв; Ъ - общая толщина образца; Е - модуль упругости; 5 - толщина снимаемого слоя; б - деформация на нижней поверхности образца при удалении слоя а; Б (5) - деформация на нижней поверхности образца при удалении слоя 5.

Основными контролируемыми параметрами расчета являются: толщина снимае-

Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733

мого слоя А1 мм, общая толщина всех снятых слоев а , мм, деформация, замеренная тензодатчиком сопротивления s(а¡) = £1.

Для вычисления производных принималась параболическая аппроксимация:

-А!

ds ,А1 + А 2

dа

ds dа

(0) = sl(-

А1А2

) + S2

А 2 (А1 + А 2)

(а)

и-1

-А

1+1

А, (А, + А,+1)

А - А + si ( 1+1 1) + s

А1А1+1 '

S К(2) + S К(

А

1+1

А1+1(А 1 + А

1+1

(2)

s,-,К« + S,K^2) + S,+1КГ-

В столбце II приведено подынтегральное выражение, далее указываются полсуммы и значения интеграла. Сравнительная величина остаточного напряжения G(ai) (сумма значений в столбцах) приведена в [3].

По результатам измерения построены эпюры распределения остаточных напряжений по сечению плакирующего слоя и основного слоев, которые показаны на рис. 1.

Рис. 1 - Зависимость величины остаточных напряжений в околошовной зоне от материала плакирующего слоя

Испытания проводили на установках УДИ-ф1 в условиях двухосного повторно-статического изгиба с частотой 10 цикл/мин. Плакирующий слой, расположенный со стороны растянутых волокон образца, контактировал с коррозионной средой - 3% раствором поваренной соли. Размах деформации на поверхности образца составлял бср = 0,0031, что соответствовало амплитуде напряжений в аналогичном гомогенном образце 90 кг/мм. Поэтому характер работы композиций 4, 5, 6 соответствует первому из рассмотренных случаев, композиции 2 и 3 - второму случаю и композиции 1 -третьему случаю.

Для оценки результатов испытаний определялось количество циклов нагружения до обнаружения первой трещины и количество циклов нагружений до нарушения герметичности, т. е. до полного разрушения.

Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733

Результаты испытания образцов показаны на диаграмме рис 1. Окрашенная часть столбика соответствует живучести образца с трещиной, цифры у основания заштрихованной части показывают количество циклов нагружений до появления первой трещины длиной 10мм, а цифры в верхней части столбца указывают на число циклов до нарушения герметичности образца.

Из рассмотрения эпюр, для образцов не подверженных нагружению можно видеть, что во всех исследованных композициях в плакирующем слое имеются остаточные напряжения растяжения. Характер распределения напряжений по сечению плакирующего слоя примерно одинаков [1] для всех образцов: постепенное увеличение от линии сплавления слоев до максимального значения на глубине 0,2 ^ 0,8 мм от свободной поверхности плакирующего слоя. По мере приближения к поверхности плакирующего слоя величина напряжений уменьшается.

Максимальные значения остаточных напряжений для композиции Вст3сп + 12Х13, составляют около 20 кг/мм2, а для композиции Вст3сп + 08Х13 составляют около 14 кг/мм2, следует обратить внимание на то, что наличие остаточных напряжений растяжения в плакирующем слое может существенно повлиять на долговечность образца, особенно когда оба слоя композиции подвержены нагружению в пределах упругой области.

Результаты измерения и расчета остаточных напряжений в плакирующем слое, после нагружения образца, когда г П < г < 2 г ^ свидетельствуют о наличии остаточных напряжений сжатия, причем их максимальная величина различна и зависит от уровня нагрузки и предела текучести материала плакирующего слоя. Так, в образце 1410 (Вст3сп + 12Х13), предварительно нагруженном до Gcp= 90 кг/мм2 максимальная величина остаточных напряжений сжатия составляет 10кг/мм2, а в образце 12-19 (Вст3сп + 08Х13) нагруженном Gcp = 105 кг/мм2 - 20 кг/мм2.

Представляет интерес рассмотрение эпюры образца 13-1 (Вст3сп + 10Х17Н13М2Т), у которого предел текучести материала плакирующего слоя составляет 27 кг/мм2. Как видно, напряжения распределяются с равномерным уменьшением от максимума на поверхности до линии сплавления, после пересечения которой меняется их знак. Следует обратить внимание на тот факт, что в этом образце максимальная величина остаточных напряжений наибольшая по сравнению с аналогичными значениями для других образцов и соответствует напряжениям предела текучести материала плакирующего слоя [4].

Это видимо, связано с тем, что рабочие деформации образца значительно превосходят деформации предела текучести материала плакирующего слоя т.е. соблюдается условие, когда г > Б П , В этом случае остаточные напряжения сжатия могут быть

равны напряжениям предела текучести материала плакирующего слоя, т.к. плакирующий слой подвержен упруго-пластическому деформированию как при нагружении, так и при сбросе рабочей нагрузки.

Также одним из критических и ключевых значений в процессе эксплуатации является величина толщины плакирующего слоя, при рассмотрении в данной статье и текущих исследованиях выявлена прямо - пропорциональная зависимость этих величин.

Данные представленные на рис. 3 наглядно выражают вышеуказанные предположения, и наименьшие значения остаточных напряжений, а значит и наиболее длительная работоспособность изготовленных образцов и будущей металлоконструкции относятся к изделиям с плакирующем слоем 10Х13.

Данные [3] позволяют утверждать что тенденция и закономерность представленная на рис. 2, абсолютно адекватно и полноценно обеспечит оценку образцов и металлоконструкции целиком.

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХШЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2013р. Серiя: Техшчш науки Вип. 26

ISSN 2225-6733

Рис. 2 - Эпюры распределения остаточных напряжений по сечению в зависимости от толщины плакирующего слоя

Такой характер расположения кривых, видимо объясняется тем, что сталь Вст3сп + 08Х13 при размахе деформаций г ср<4, 5-10"3 деформируется в пределах упругой области, в то время как стали Вст3сп+12Х13, во всем диапазоне рабочих нагрузок деформируются за пределами упругой области при первом нагружении, т. е. для них справедливо условие г П < г < 2 г П .

Представляют интерес результаты, полученные для образцов изготовленных из Вст3сп+10Х17Н13М2Т предел текучести которого составляет G02= 26,7 кг/мм2. В процессе нагружения эти образцы подвергались знакопеременному упруго-пластическому деформированию за пределами упругой области в соответствие с условием г > 2г

, П

Сер1я: Техн1чн1 науки 188М 2225-6733

^ кг/мм

26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

10Х17Н13М2Т 10X13

12X13 марка стали

плакирующего слоя

5=5 мм 5=7 мм 5=10 мм

Рис. 3 - Влияние толщины плакирующего слоя на величину остаточных напряжений в околошовной зоне

Долговечность этих образцов во всех диапазоне рабочих нагрузок значительно ниже по сравнению с другими исследуемыми сталями.

Интересно отметить, что для стали Вст3сп+12Х13 это условие сохраняется даже при максимальном размахе деформаций равным 6,2-10"3, долговечность образцов этой стали в области очень высоких деформаций несколько выше по сравнению с образцами из сталей Вст3сп+08Х13 и Вст3сп+12Х13, которые при максимальном размахе деформаций работают при условииscp > 2s0i2. Согласно рисунку 2 в области малых деформаций, кривая характеризуемая сталь Вст3сп+12Х13 располагается ниже по сравнению с кривыми Вст3сп+10Х13 и Вст3сп+10Х17Н13М2Т.

Таким образом и этот эксперимент подтверждает высказанные соображения относительно подбора пар. Как и предполагалось, лучшие результаты могут быть получены в том случае, когдаson < s < 2s,5 .

02 ср 02

Анализируя данные представленные на рисунке 3 следует вывод о том что прямо пропорциональная зависимость между толщиной плакирующего слоя и маркой стали этого слоя отвечает требованиям еп02 < ер< 2е°02.Это видимо, связано с тем, что рабочие деформации образца значительно превосходят деформации предела текучести материала плакирующего слоя т.е. соблюдается условие, когда Scp > £02. В этом случае остаточные напряжения сжатия могут быть равны напряжениям предела текучести материала плакирующего слоя, т.к. плакирующий слой подвержен упруго-пластическому деформированию как при нагружении, так и при сбросе рабочей нагрузки.

В ходе проводимых исследований учитывалась величина продольных остаточных напряжений как правило растягивающих, которые являются следствием выбора толщины плакирующего слоя рис. 3. Также следует отметить что на зависимость изображенную на рис.3, оказывают влияние различные степени пластической деформации

Серiя: TexHÍ4HÍ науки ISSN 2225-6733

при сварке, нагрев и охлаждение [3]. На основе анализа эпюр остаточных напряжений оа в образцах при сварке автоматом АДФ 1002 типа 2ТС - 17С можно выделить следующие особенности: зона сжимающих напряжений предопределяет поведение и свойства металла с тем что толщина плакирующего слоя прямо пропорциональна величине остаточных напряжений в плакирующем слое всех исследуемых образцов покрытых сталями - 10Х17Н13М2Т, 10Х13, 12Х13.

Выводы

1. В результате теоретического расчета установлены значения остаточных напряжений в околошовной зоне соединения ВстЗсп + 10Х13, с величиной 10 кг/ мм 2, что удовлетворяет условию 8п02 < 8р< 2б°02, что свидетельствует о наличии запаса эксплуатационной надежности и остаточных напряжений сжатия, причем их максимальная величина различна и зависит от уровня нагрузки и предела текучести материала плакирующего слоя.

2. Установлено что остаточные напряжения сжатия и их максимальная величина различны, и зависят от уровня нагрузки и предела текучести материала плакирующего слоя.

Список использованных источников:

1. Земзин В.Н. Сварные соединения разнородных сталей / В.Н. Земзин. - Л.: Машиностроение, 1966. - 190 с.

2. Мовчан Б.А. Микроскопическая неоднородность в литых сплавах / Б.А. Мовчан. -К.: Гостехиздат УССР, 1968. - 230 с.

3. Касаткин Б.И. Методика исследования кинетики деформаций при замедленном разрушении / Б.И. Касаткин, В.Я. Бреднев, В.В. Волков // Автоматическая сварка. -1981. - № 11. - С. 1-11.

4. Патон Б.Е. Новые возможности автоматической сварки в машиностроении / Б.Е. Патон, Л.Б. Медовар, В.Е. Саенко // Металлургия машиностроения. - 2003. -№ 1. - С. 2-5.

Bibliography:

1. Zemzin V.N. Welding connector double-sheet steel / V.N. Zemzin. -L.: Mashinostroenie, 1966. - 190 p. (Rus.)

2. Movchan B.A. Microscopically not lase in liquid steel / B.A. Movchan. - K: Gostechizdat USSR, 1968. - 230 p. (Ukr.)

3. Kasatkin B.I. Methodology reacting kinetics of deformation under middle deciding / B.I. Kasatkin, V.Y. Brednev, V.V. Volkov // Avtomaticheskaya Svarka. - 1981. - P. 2-11. (Ukr.)

4. Paton B.I. New exctntic automatic welding in mashbilding / B.I. Paton, L.B. Medovar, V.E. Saenko // Metalurgia mashinostroeniya. - 2003. - P. 2-5. (Ukr.)

Рецензент: В.И. Щетинина

д-р техн. наук, проф. ГВУЗ «ПГТУ»

Статья поступила 22.04.2013