CC BY-NC
23
СЕКЦИЯ 5
Прочность и надежность судовых конструкций
Б01: 10.2493 7/2542-2324-2019-2-8-1-127-131 УДК 669.14.018.293
И.О. Самодуров, М.Г. Шарапов
НИЦ «Курчатовский институт» - ЦНИИ КМ «Прометей», Санкт-Петербург, Россия
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СВАРИВАЕМОСТЬ ВЫСОКОАЗОТИСТЫХ СТАЛЕЙ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К СУДОВЫМ КОРПУСНЫМ КОНСТРУКЦИЯМ
Высокоазотистая сталь (ВАС) является перспективным материалом в судостроении, однако для широкого применения сталей с неравновесным содержанием азота необходимо решить вопрос свариваемости. Одна из основных проблем в обеспечении равнопрочных сварных соединений состоит в выделении азота из свариваемого металла из-за нагрева при сварке, а также в увеличении магнитной проницаемости металла шва с уменьшением в нем содержания азота. Для отработки способов повышения технологической свариваемости из отливок ВАС были получены заготовки, произведена сварка образцов разными способами с применением различных сварочных материалов, исследован химический состав наплавленного металла, механические свойства образцов и даны рекомендации по проведению дальнейших работ по сварке ВАС.
Ключевые слова: высокоазотистая сталь, неравновесное содержание азота, технологическая свариваемость,
порообразование, погонная энергия, механические свойства.
Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
SECTION 5
Strength and reliability of ship structures
DOI: 10.2493 7/2542-2324-2019-2-S-I-127-131 UDC 669.14.018.293
I. Samodurov, M. Sharapov
NRC Kurchatov Institute - CRISM Prometey, St. Petersburg, Russia
TECHNOLOGICAL WELDABILITY OF HIGH-NITROGEN STEELS APPLIED IN HULL STRUCTURES OF SHIPS
High-nitrogen steel is a promising shipbuilding material, however, its wide application is still impeded by weldability issues. One of the main challenges in ensuring equal strength of welded joints is heat-induced escape of nitrogen from the metal in the process of welding, which leads to poor magnetic permeability of weld metal due to low N content. To develop the methods of improving technological weldability of high-nitrogen steels, test samples were welded as per different techniques and with different weld materials. Then, deposited metal was subject to chemical analysis and the samples were checked for their mechanical properties, so as to develop recommendations on further welding operations with high-nitrogen steels. Keywords: high-nitrogen steel, unbalanced nitrogen content, technological weldability, pore formation, per-unit-length energy, mechanical properties.
Authors declare lack of the possible conflicts of interests.
Для цитирования: Самодуров И.О., Шарапов М.Г. Технологическая свариваемость высокоазотистых сталей применительно к судовым корпусным конструкциям. Труды Крыловского государственного научного центра. 2019; Специальный выпуск 2: 127-131.
For citations: Samodurov I.О., Sharapov M.G. Technological weldability of high-nitrogen steels applied in hull structures of ships. Transactions of the Krylov State Research Center. 2019; Special Edition 2: 127-131 {in Russian).
Рис. 1. Лабораторная установка «Прометей-А»: а) общий вид; б) схема Fig. 1. Prometey-A test rig: general view (a) and layout (b)
Используемые обозначения
Nomenclature
<зв - предел временного сопротивления; о0,2 - предел прочности; 5 - относительное удлинение; \|/ -относительное сужение; \х - магнитная проницаемость.
Введение
Introduction
Корпус судна представляет собой сложную крупногабаритную конструкцию. Его эксплуатация производится в условиях воздействия ветра, волн, низких температур, ледовых полей, соленой морской воды и наличия других отрицательных факторов. С развитием техники и по мере освоения шельфов северных морей требования к судостроительным сталям постоянно повышаются. Необходимо, чтобы они обладали хорошими прочностными свойствами, высоким сопротивлением хрупким разрушениям, статическим, циклическим и динамическим нагрузкам, высокой стойкостью против коррозии в морской воде, а также повышенной свариваемостью.
Высокоазотистая сталь (ВАС) является перспективным материалом для изготовления корпусных конструкций. Обладая высокими прочностными характеристиками, кавитационной стойкостью и не-магнитностью, ВАС отличается относительной дешевизной, поскольку для своего получения не требует применения дорогостоящих легирующих компонентов, таких как никель.
С 2016 г. в ЦНИИ КМ «Прометей» на литейной установке «Прометей-А» (рис. 1) получают отливки из ВАС массой до 100 кг. Были проведены исследо-
вания их свойств, разработаны технические условия на получение поковок и листового проката.
Для широкого применения ВАС вопрос технологической свариваемости стоит в ряду ключевых в практике использования сталей с неравновесным содержанием азота. Одной из основных проблем в обеспечении равнопрочных сварных соединений является выделение азота из свариваемого металла из-за нагрева и плавления при сварке, а также увеличение магнитной проницаемости металла шва с уменьшением в нем содержания азота. Известные результаты исследований по оценке технологической свариваемости этих сталей позволяют заключить, что процессы порообразования могут быть подавлены путем использования режимов сварки, отличающихся малой погонной энергией, и за счет применения сварочных материалов, содержащих марганец и хром [1].
Цель работы - оценка технологической свариваемости ВАС с содержанием азота до 0,93 % масс.
Материалы и методика проведения исследований
Test materials and procedure
Экспериментальная технология сварки отрабатывалась на заготовках из ВАС с содержанием азота 0,72 и 0,93 % масс. Полученные методом литья под давлением отливки были откованы с последующей аустенизацией при температуре 1200 °С и выдержке 2 ч, а затем прокатаны в листы. Из проката получены заготовки толщиной 20 мм; химический состав металла плавок, прочностные характеристики и магнитная проницаемость приведены в табл. 1 и 2.
Сварные соединения были выполнены способами, выбранными в результате анализа публикаций [1-4]:
1.0. Samodurov, M.G. Sharapov. Technological weldability of high-nitrogen steels applied in hull structures of ships
Таблица 1. Химический состав металла заготовок Table 1. Chemical composition of test specimens
№ пл. N С Si Мп S Р Cr Ni Cu
1 0,72 0,032 0,18 12,2 0,007 0,003 17,8 - -
2 0,93 0,045 0,52 11,1 0,001 0,004 15,9 0,023 0,02
Таблица 2. Прочностные характеристики и магнитная проницаемость металла заготовок
Table 2. Mechanical properties and magnetic permeability of test specimens
№ пл. gb, МПа о0 2, МПа ô5, % \j/,%
1 1030 735 48,4 64,8 1,001
2 992 796 22,4 26,6
1. Ручной аргонодуговой (РАД) неплавящимся вольфрамовым электродом; защитная среда -аргон; расход газа - 60 л/мин, 20 л/мин -поддув с обратной стороны; сварочный ток /Св = 115-130 А, напряжение Ucв = 10,3-10,6 В; скорость сварки vcb = 0,7-0,8 мм/с; присадочный материал - проволока Св25Х25Н16Г7 с электродов 03JI-9A.
2. Ручной аргоно дуговой (РАД) неплавящимся вольфрамовым электродом; защитная среда -смесь аргона и азота высокой чистоты; расход аргона - 60 л/мин, азота - 1 л/мин, 20 л/мин -поддув аргона с обратной стороны; сварочный ток 1С в = 80-115 А; напряжение Uc в = 12-14,2 В; скорость сварки vcb = 0,7-0,8 мм/с; присадочный материал - проволока Св25Х25Н16Г7 с электродов 03JI-9A.
3. Ручной дуговой (РД) покрытым электродом. Марка электрода - ESAB OK 69.25; сварочный ток 1Св = 90 А.
Добавление азота к аргону в защитной среде вызвано стремлением увеличить его содержание в сварном шве (СШ) путем усиления процесса адсорбции в сварочной ванне для повышения механических характеристик и магнитной проницаемости соединения.
Разделка кромок - Х-образная, со скосом кромки 30° и притуплением 1±1 мм; зазор между свариваемыми заготовками - 3-4 мм. Сварка осуществлялась в несколько проходов с остыванием металла после каждого прохода до комнатной температуры.
Анализ содержания азота в основном металле (ОМ) и металле СШ проведен на анализаторе LECO ТС-400 методом восстановительного плавления в токе инертного газа носителя по ГОСТ 17745-90.
Образцы на растяжение типа III № 6 (рис. 2) вырезались из металла центральной части СШ вдоль его оси. Исследуемые характеристики получены на разрывной машине Zwick-Roell Z250; размеры образцов и методика их испытаний выбирались согласно ГОСТ 1497-84.
Определение относительной магнитной проницаемости \х производилось на магнитоизмеритель-ной установке МК-ЗЭ магнитно-импульсным методом в соответствии с РД 5.9197 «Металлы и сплавы с низкой магнитной проницаемостью. Метод измерения магнитной проницаемости».
Исследование технологической свариваемости
Technological weldability studies
Были подобраны оптимальные режимы сварки для РАД-способа в среде чистого аргона: сварочный ток 115 А для корневого шва и 130 А для остальных проходов обеспечивает хорошее формирование шва и отсутствие дефектов (рис. 3). При добавлении азота в защитную среду при токе 115 А происходит
Рис. 2. Эскиз образца для испытаний на растяжение
Fig. 2. Sketch of tension test sample
Рис. 3. Сварной шов, выполненный аргонодуговым
способом в среде чистого аргона
Fig. 3. Joint welded with argon arc in pure argon medium
Таблица 3. Прочностные характеристики сварных соединений из ВАС с 0,72 % N
Table 3. Mechanical properties of welded joints made of steel with 0,72% nitrogen content
№ обр. Способ сварки Ов, МПа МПа свСШ/ /о50М, % а0,2СШ / /о0,2ОМ, %
1 932 739
2 РАД 949 759 89 99
3 924 725
4 РАД, N+Ar 868 725
5 838 722 83 94
6 899 679
7 рд 807 596 77 85
8 803 618
интенсивное разбрызгивание сварочной ванны с забрасыванием расплавленным металлом электрода, а также интенсивное порообразование. Уменьшение тока до 90 А несущественно снижает разбрызгивание и уменьшает количество видимых дефектов, при токе 80 А кипение сварочной ванны практически не наблюдается, обеспечиваются наилучшие условия для образования сварного соединения (рис. 4).
Результаты испытаний на растяжение образцов из стали с содержанием 0,72 % N масс, показали, что прочность металла шва при РАД-способе составляет 80-99 % ОМ. Добавление в защитную среду азота способствует повышению содержания данного элемента в сварном шве, однако прочностные характеристики несколько ниже. При сварке РД-способом прочностные характеристики примерно на 15 % ниже, чем при РАД (табл. 3).
Значения прочностных характеристик образцов из ВАС с 0,93 % масс. (табл. 4), заваренных
Рис. 4. Сварной шов, выполненный аргонодуговым способом в среде аргона с добавлением азота
Fig. 4. Joint welded with argon arc in argon-nitrogen mix
Таблица 4. Прочностные характеристики сварных соединений из ВАС с 0,93 % N
Table 4. Mechanical properties of welded joints made of steel with 0,93% nitrogen content
№ обр. Способ сварки GB, МПа МПа свС Ш/ /овОМ, % а0,2СШ / /о0,2ОМ, %
1 РАД 833 698 82 85
2 805 668
3 РАД, N+Ar 746 603 75 74
4 742 582
5 рд 661 533 66 66
6 654 518
теми же способами на тех же режимах, демонстрируют такую же зависимость от способов сварки, что и результаты испытаний сварных соединений ВАС с 0,72 % N масс., однако прочность этих швов ниже на 100-150 МПа. Установленные значения содержания азота в наплавленном металле находятся в пределах 0,36-0,47 % масс, связь между содержанием азота, прочностными характеристиками и магнитной проницаемостью не была выявлена.
Исследования показали, что сварные швы, полученные аргонодуговым способом в среде чистого аргона, обладают наибольшей прочностью.
Установленное значение магнитной проницаемости для всех сварных соединений (1<1,002.
Заключение
Conclusion
Результаты испытаний показали, что прочностные характеристики и значение магнитной проницаемости для сварных соединений, выполненных вышеперечисленными способами сварки, можно считать удовлетворительными. Для изделий, где требуется высокая прочность сварного соединения, наиболее эффективен РАД-способ. При этом для окончательного выбора способа сварки для конкретного изделия необходимо определить зависимость значения работы удара в широком диапазоне температур, а также стойкость сварного соединения к коррозионному и кавитационному разрушению. В дальнейшем планируется проведение таких исследований.
1.0, Samodurov, M.G. Sharapov. Technological weldability of high-nitrogen steels applied in hull structures of ships
Библиографический список
1. Горынин it.В. Исследования в области создания и практического использования ВАС, изготовленных с применением метода обработки металлов газовым противодавлением для судостроения. Технический отчет. ЦНИИ КМ «Прометей». 1989. С. 53.
2. Gawiljak KG., Berns Н. High nitrogen steels: structure, properties, manufacture, applications. Berlin: Springer, 1999. P. 223.
3. Pauiee Ц. Высокоазотистые стали. Металлургия под давлением. София: Изд-во Болгарской АН, 1995. С. 222.
4. Ющенко КА„ Солом A.M., Казенное Н.П. Технологические особенности сварки высокоазотистых сталей Щ National scientific and technical conference with international participation "HNS 88". October 1-3,1989. V. II.
References
1. I. Gorynin. Development and applications of high-nitrogen shipbuilding steels manufactured as per gas counter-pressure technique. Technical Report of CRISM Prometey, 1989, p. 53 {in Russian).
2. Gawiljuk KG.. Berns H. High nitrogen steels: structure, properties, manufacture, applications. Berlin: Springer, 1999. P. 223.
3. Ts. Rashev. High-nitrogen steels. Pressure metallurgy. Sofia, Publishing house of Bulgarian Academy of Sciences, 1995, p. 222.
4. K. Ynshenko, A. Solokha, N. Kazennov. Welding of high-nitrogen steels: technological peculiarities // Proceedings of HNS 88 international conference on high-nitrogen Steels. Varna, Bulgaria, October 1-3, 1989. vol. II (in Russian).
Сведения об авторах
Самодуров Игорь Олегович, ведущий инженер-конструктор НИЦ «Курчатовский институт» - ЦНИИ КМ «Прометей». Адрес: 191015,Санкт-Петербург, Россия, ул. Шпалерная, 49. Тел.: +7 (812) 274-37-96. E-mail: Samodurov.iMigmail.com. Шарапов Михаил Григорьевич, д.т.н., доцент, главный научный сотрудник НИЦ «Курчатовский институт» -ЦНИИ КМ «Прометей». Адрес: 191015, Санкт-Петербург, Россия, ул. Шпалерная, 49. Тел.: +7 (812) 274-37-96. E-mail: mail@crism.ru.
About the authors
SamocIfШ Igor О., Lead Naval Architect, Kurchatov Institute National Research Centre- CRISM Prometey, address: 49, Shpa-lernaya st, St. Petersburg, Russia, post code 191015, tel.: +7 (812) 274-37-96. E-mail: Samodurov.i@gmail.com. Sharapov, Mikhail G., Dr. Sci. (Eng), Associate Prof, Chief Researcher, Kurchatov Institute National Research Centre-CRISM Prometey, address: 49, Shpalernaya St., St. Petersburg, Russia, post code 191015, tel.: +7 (812) 274-37-96. E-mail: mailMicrism.ru.
Поступила / Received: 07.06.19 Принята в печать / Accepted: 30.08.19 © Самодуров И.О., Шарапов М.'Г, 2019
