CC BY
22
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2004 р. Вип. № 14
УДК 621.791.753.042
Чигарев В.В.1, Щетинин C.B.2,Захарова И.В.3, Велик А.Г.4, Кондратенко А.Л.5
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВОЗДЕЙСТВИЯ СКОРОСТИ СВАРКИ НА СВОЙСТВА
СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Установлены закономерности воздействия скорости сварки на свойства сварных соединений вследствие изменения тепловложения, скорости нагрева, охлаждения и кристаллизации. Разработан способ сварки с повышенной скоростью составным электродом, обеспечивающий увеличение ударной вязкости в 2-2,5 раза.
Основной проблемой сварки высокопрочных сталей типа 09Г2С, 10Г2С1, 10Г2ФБ является обеспечение ударной вязкости сварных соединений, для увеличения которой целесообразно повышать скорость сварки. При сварке с повышенной скоростью изменяются условия существования дуги, уменьшается тепловложение, увеличивается скорость нагрева и охлаждения жидкого металла и околошовной зоны. Это приводит к изменению условий кристаллизации ванны, структурных и фазовых превращений [1,2] и качества сварных соединений. Наиболее эффективно регулировать тепловые процессы и качество сварных соединений за счет формы электрода, так как дуга, перемещаясь по его торцу, концентрируется при сварке проволокой и расконцентрируется при сварке лентой, в зависимости от расположения которой она двигается вдоль или поперек ванны. Перемещение дуги под действием собственного электромагнитного поля определяет условия тепловложения, скорость нагрева, охлаждения и кристаллизации. Однако влияние формы электрода и погонной энергии на структуру и свойства сварных соединений исследовано недостаточно.
Кроме того, данные о влиянии погонной энергии на склонность к образованию холодных трещин противоречивы. Считается, что уменьшение погонной энергии повышает склонность к образованию холодных трещин и наоборот снижает [1].
Проблема улучшения качества сварных соединений является важной народнохозяйственной задачей, решению которой посвящена данная работа.
Целью данной работы является исследование путей повышения качества сварных соединений и надежности сварных конструкций за счет формы электрода и погонной энергии.
Для исследования влияния формы электрода и погонной энергии на структуру и свойства сварных соединений производили сварку пластин из стали 09Г2С размером (9х 120x900)-10~3 м проволочным и составным электродом. Сварку проволочным электродом производили при величине тока 650-750 А, напряжении 31-33 В и скорости сварки (0,56; 0,83 и 1,1)-10~2 м/с. Сварку составным электродом производили при величине тока 1950-2050 А, напряжении 29-31 В, скорости сварки (1,4; 2,1 и 2,8)-10~2 м/с. При этом погонная энергия для каждого способа сварки составляла соответственно c]h/V = 1,8; 2,7 и 3,6 МДж/м. Свойства сварных соединений определяли путем исследования микроструктуры, измерения зоны отпуска и ударной вязкости, деформации и сварочных напряжений.
При электродуговой сварке плавящимся электродом под действием электромагнитного поля сварочного тока катодное пятно с диаметром порядка 10~б м постоянно перемещается по торцу электрода [3-8]. С учетом малого диаметра катодного пятна плотность тока у катода по данным П.Г.Кесаева [3] составляет 1011 А/м2. В результате высокой плотности тока
1 ГТГТУ, д-р техн. наук, проф.
2 ПГТУ, канд. техн. наук, доц.
3 ПГТУ, канд. техн .наук
4 ПГТУ, аспирант
5ПГТУ, аспирант
и перемещения дуги по торцу электрода форма электрода влияет на тепловложение, скорость нагрева и охлаждения, кристаллизации и, как следствие, на структуру и свойства металла шва и околошовной зоны. Сварка проволочным электродом по сравнению со сваркой ленточным приводит к измельчению микроструктуры шва. При сварке составным электродом микроструктура металла шва, является наиболее мелкодисперсной и однородной. Аналогично измельчается микроструктура металла при повышении скорости сварки, что является следствием увеличения скорости нагрева, охлаждения и кристаллизации, которая равна скорости сварки.
Как установлено ранее, форма электрода значительно влияет на зону отпуска, которую измеряли путем исследования миктротвердости металла шва и околошовной зоны. Применение составного электрода уменьшает зону отпуска по сравнению с проволочным электродом в два раза, что является следствием повышения скорости сварки, снижения погонной энергии и согласуется с данными Ю. Н. Готальского [9]. Уменьшение переходной зоны повышает ударную вязкость сварных соединений и стойкость к образованию холодных трещин [10].
При увеличении скорости сварки составным электродом ударная вязкость в начале возрастает, а затем уменьшается (рис. 1). Измерения ударной вязкости производили для сварных соединений из стали 09Г2С при 203 К в соответствии с условиями работы труб для газо- и нефтепроводных магистралей. Увеличение ударной вязкости при повышении скорости сварки является результатом измельчения структуры и уменьшения микроискажений кристаллической решетки, микронапряжений и плотности дислокаций, с которыми связывают зарождение трещин [11]. Уменьшение ударной вязкости обусловлено некоторым ростом микроискажений кристаллической решетки, микронапряжений и плотности дислокаций.
Погонная энергия, МДж/м Погонная энергия, МДж/м
Рис. 1-Механические свойства сварных Рис.2-Влияние формы электрода и погонной соединений при односторонней сварке энергии на качество сварных соединений:
составным электродом РПР> ВРщ.. К пр, НВ пр - Проволока
Рс, ВРС, Кс, НВС - Составной электрод Необходимо отметить, что при сварке составным электродом на низкой погонной энергии ударная вязкость значительно выше, чем при сварке проволочным электродом вследствие мелкодисперсной структуры, минимальных микроискажений кристаллической решетки, микронапряжений, плотности дислокаций и размера зоны отпуска.
Аналогично ударной вязкости изменяются при повышении скорости сварки предел прочности, предел текучести, относительное удлинение и сужение. При этом максимальные значения ударной вязкости, относительного удлинения и сужения свидетельствуют о повышенной трещиностойкости металла[1,2,11], сваренного составным электродом.
Пределы прочности и текучести при повышении скорости сварки и уменьшении погонной энергии возрастают. При этом максимальные значения механических свойств совпадают, что подтверждает достоверность экспериментальных данных.
Аналогичные данные получены при исследовании влияния формы электрода и погонной энергии на статический излом (рис.2), которое производили на образцах размером (9x7, 5x20)-10° м с У-образным надрезом. Как установлено, при сварке составным электродом статическая нагрузка повышается при одинаковой погонной энергии в 1,2 раза по сравнению с проволочным электродом. Максимальное значение статической нагрузки обеспечивается при погонной энергии 2,7 МДж/м и ниже вследствие уменьшения сварочных напряжений.
Для исследования влияния погонной энергии на деформацию основного металла производили сварку пластин размером (8x120x900)-10° м и наплавку на пластины размером (30x120x900)-10° м составным электродом с различной погонной энергией. В результате установлено, что при повышении скорости и уменьшении погонной энергии вследствие уменьшения тепловложения деформация основного металла и сварочные напряжения снижаются (рис. 3).
Зависимость сварочных
напряжений от погонной энергии определяется по выражению [12]:
га
К 450'
«400'
св К
л ж
5
о.
се со
о
350'
250
§35
о
<44 2
30
н
о
се
§
С
«
я 25
се
а о
О
300 ■ «20
15
2
ч
1 ч
VI'
(1)
где
а
погонная энергия;
1,7 2,2 2,7 3,2 Ци/У Погонная энергия, МДж/м Рис.3 -Зависимость сварочных напряжений от погонной энергии: оь ? 1-пластины (30x120x900)-10_3м; о2, £2-пластины (8x120x900)-10_3м
ц - для стали 0,335 —;
су '
Е-модуль упругости 19,68-104 МПа; Яп
V
V - поперечное сечение пластины. Деформация пластин зависит от
сварочных напряжений:
(2)
/ - длина пластины;
Скр - критическое значение сварочного напряжения.
Критические значения сварочных напряжений определяются по формуле:
-2кГяЛ2
(3)
п2Е I
12
где 5
- толщина пластины.
При а > Скр происходит деформация пластины.
Из приведенных выражений следует, что сварочные напряжения пропорциональны деформации пластины:
■¡г (4)
а =
./ Л
я ЕI
0,6132/2 12
С уменьшением погонной энергии при увеличении скорости сварочные напряжения снижаются, что повышает трещиностойкость и ударную вязкость сварных соединений.
Таким образом, структуру и свойства сварных соединений можно в значительных пределах регулировать путем изменения формы электрода и погонной энергии. При повышении скорости микроструктура измельчается, и размер зоны отпуска уменьшается, что приводит к увеличению ударной вязкости и предела прочности сварных соединений, максимальные значения которых характерны для сварки составным электродом с погонной
энергией 2,7 МДж/м. Одновременное увеличение предела прочности и снижение сварочных напряжений обеспечивает при сварке с повышенной скоростью увеличение трещиностойкости.
Дальнейшие исследования в данном направлении являются перспективными, так как позволяют повысить качество сварных соединения, надежность сварных конструкций и разработать новые способы сварки и наплавки.
Выводы
1. Установлено, что при увеличении скорости сварки составным электродом ударная вязкость в начале возрастает, вследствие измельчения структуры и уменьшения микроискажений кристаллической решетки, микронапряжений и плотности дислокаций, а затем уменьшается в результате некоторого роста микроискажений кристаллической решетки, микронапряжений и плотности дислокаций.
2. Аналогично ударной вязкости изменяются при повышении скорости предел прочности,
предел текучести, относительное удлинение и сужение. При этом максимальные значения ударной вязкости, относительного удлинения и сужения свидетельствуют о повышенной трещиностойкости металла, сваренного составным электродом.
3. При повышении скорости сварки вследствие уменьшения погонной энергии сварочные напряжения уменьшаются. Одновременное повышение предела прочности и снижение сварочных напряжений обеспечивает при сварке с повышенной скоростью увеличение трещиностойкости сварных соединений.
4. Разработанный способ сварки с повышенной скоростью составным электродом на низкой погонной энергии обеспечивает измельчение структуры и уменьшение зоны отпуска, в результате чего ударная вязкость сварных соединений повышается в 2-2,5 раза по сравнению со сваркой проволочным электродом с высокой погонной энергией.
Перечень ссылок
1. Прохоров H.H. Физические процессы в металле при сварке / H.H. Прохоров. - М.: Металлургия, 1976. - 600 с.
2. Шоршоров М.Х. Фазовые превращения и изменения свойств стали при сварке / М.Х. Шоршоров, В.В. Белое. - М.: Наука, 1972. - 228 с.
3. Кесаев И.Г. Катодные процессы электрической дуги /И.Г. Кесаев. - М.: Наука, 1968. -244 с.
4. Раховский В.И. Физические основы коммутации электрического тока в вакууме /В.И.Раховский. - М.: Наука, 1970. - 536с.
5. Капцов H.A. Электроника H.A. Кащов. - М.: Изд-во технико-теоретической литературы, 1956.-459 с.
6. Лесков Г.И. Электрическая сварочная дуга /Г.И. Лесков. - М.: Машиностроение, 1970. -334 с.
7. Ando К. Studies on and cathode energy of Tig. Arc IK.Ando J. Nishikawa II International Institute of Welding. Doc., 212-158-67, 1968.
8. Тиходеев Г.М. Энергетические свойства электрической сварочной дуги /Г.М. Тиходеев . -М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1961. - 254 с.
9. Готальский Ю.Н. Способы сужения мартенситной прослойки в зоне сплавления перлитной стали с аустенитным швом /Ю.Н. Готальский, В.В Снисаръ, Д.П.Новиков!I Сварочное производство. - 1981. - № 6. - С. 7-9.
10. Стойкость наплавленного металла против отслаивания в водородсодержащих средах / О.И. Стеклов, А.П. Алексеев, O.A. Александров и др. II Сварочное производство. - 1989. -№ 12. - С. 8-10.
11. Финкелъ В.М. Физика разрушения /В.М. Финкелъ. - М.: Металлургия, 1970.-376с.
12. Винокуров В.А. Теория сварочных деформаций и напряжений / В.А.Винокуров, А.Г.Григоръянц. - М.: Машиностроение, 1984. - 280с.
Статья поступила 10.03. 2004
