сотрудник
Томск, Томская область, Россия
Якутск, Россия
Якутск, Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 55.18 Сборочное производство
Проведено исследование распределения остаточных напряжений в стыковом сварном соединении пластин из стали Ст3сп, выполненном при комнатных и отрицательных температурах окружающего воздуха. Подобраны и выполнены два режима сварки: импульсно-дуговая сварка на модулированном токе с частотой 1,67 Гц и сварка постоянным током. Остаточные напряжения определены рентгеновским методом, основанным на измерении микродеформаций кристаллической решетки материала, вызванных их действием.
остаточные сварочные напряжения, импульсно-дуговая сварка, сварное соединение, погонная энергия, конструкционная сталь, низкие климатические температуры, рентгеновский метод
Введение
В результате нелинейной деформации в процессе сварки или фазового превращения при охлаждении расплавленного металла в зоне сварного соединения создаются остаточные сварочные напряжения (ОСН). Они оказывают различное влияние на прочность сварного соединения в зависимости от их величины и характера распределения. В тех случаях, когда металл сохраняет способность пластически деформироваться при статической нагрузке, остаточные напряжения не оказывают влияния на прочность сварных конструкций. Их влияние на прочность проявляется в условиях, способствующих возникновению хрупкого разрушения сварного соединения. Как известно, при отрицательных температурах происходит охрупчивание материала. Неблагоприятное сочетание низких климатических температур, концентрации напряжений и высоких остаточных напряжений приводит к хрупкому разрушению [1].
Существенное значение имеет тип остаточных напряжений, создающих сжатие или растяжение области материала. Наведение сжимающих остаточных напряжений положительно влияет на коррозионную стойкость, повышает циклическую долговечность сварных соединений. Растягивающие напряжения, наоборот, усиливают процессы коррозии и снижают усталостную прочность. Исследования ОСН в настоящее время ведутся как в России, так и за рубежом. Многие работы связаны с изучением формирования ОСН при разных методах сварки и послесварочной обработки, а также их учета при прогнозировании роста усталостной трещины [2-9].
В регионах холодного климата России среднегодовые температуры окружающего воздуха составляют около -10 оС и ниже, поэтому значительный объем сварочных работ во время строительства, монтажа и ремонта конструкций производится в условиях отрицательных температур. При сварке в условиях низких климатических температур (ниже -40 оС) изменяются условия горения дуги, увеличивается теплоотдача от свариваемых элементов в воздух, уменьшается диффузия водорода, увеличивается скорость охлаждения расплавленного металла и зоны термического влияния [10]. Данные обстоятельства существенно снижают работоспособность сварных конструкций, эксплуатирующихся в условиях Севера и Арктики, при этом одной из возможных причин разрушения сварных соединений являются ОСН.
В то же время, несмотря на значительный объем данных, накопленных в результате ранее выполненных исследований другими авторами, мало изучены распределения остаточных напряжений и их влияние на работоспособность сварных соединений, выполненных при сварке в условиях низких климатических температур. Практически отсутствуют работы по экспериментальным исследованиям ОСН при сварке на холоде.
При производстве и ремонте технических систем ответственного назначения, эксплуатирующихся в условиях холодного климата, в качестве инструмента повышения свойств неразъемных соединений эффективными могут стать импульсные технологические процессы сварки [11; 12]. Преимуществами импульсно-дуговой сварки являются регулируемое тепловложение и управление формированием швов и околошовной зоны за счет периодического изменения сварочного тока. Таким образом, создается быстрый нагрев зоны соединения и такое же быстрое ее охлаждение, что способствуют минимальным структурным изменениям, а следовательно, и минимальным напряжениям и деформациям. Ранее в работах нами показано, что при рациональном выборе режимов импульсно-дуговой сварки обеспечивается формирование благоприятного распределения остаточных сварочных напряжений. При этом в сварных соединениях, полученных сваркой модулированным током, в основном формируются сжимающие напряжения, а уровень растягивающих напряжений ниже, чем при сварке на постоянном токе [13; 14].
Цель данной работы заключается в исследовании характера распределения остаточных напряжений в стыковых сварных соединениях конструкционной стали Ст3сп после сварки в условиях низких климатических температур источниками питания с импульсным и постоянным изменением параметров.
Материалы и методы исследования
Для исследований были взяты пластины размерами 300х500х6 мм из конструкционной стали Ст3сп со следующими механическими характеристиками: временное сопротивление (σв) – 425 МПа; предел текучести (σт) – 283 МПа; относительное удлинение (δ) – 34,9 %. На пластины были нанесены фаски с углом скоса кромок (25±2) °, притуплением 2 мм и с зазором 1,6 мм под дуговую сварку стыкового соединения согласно ГОСТ 5264-80. Односторонняя сварка пластин производилась в два слоя (корневой и облицовочный) при комнатных (+20 оС) и отрицательных (-45 °С) температурах с применением электродов ЛБ-52TRU. После сварки корневого слоя выполнялась выдержка 1 ч в естественных условиях воздуха с целью его полного остывания. Затем производилась сварка облицовочного слоя. Таким образом осуществлялась имитация случая, когда при сварочных работах на больших объектах после сварки первого слоя сварка второго выполняется не сразу.
Были подобраны и выполнены два режима сварки:
– импульсно-дуговая сварка модулированным током с частотой 1,67 Гц (СМТ);
– сварка постоянным током (СПТ).
Для проведения сварочных работ использовались сварочные источники:
– ФЕБ-315 «МАГМА» (СМТ);
– NEON ВД-315 (СПТ).
В табл. 1 приведены режимы и условия сварки проб с указанием маркировки пластин.
Таблица 1
Режимы и условия сварки проб
|
Режим |
Порядок сварки |
Температура воздуха |
|
|
+20 оС |
-45 оС |
||
|
Маркировка сварных проб, № |
|||
|
Сварка модулированным током (СМТ) |
Сварка облицовочного слоя после полного остывания корневого |
1 |
3 |
|
Сварка постоянным током (СПТ) |
2 |
4 |
|
Измерение остаточных напряжений проводилось рентгеновским методом [15]. Остаточные напряжения определяли в поперечном (σу) и продольном (σх) направлениях относительно оси шва пластины в точках, расположенных на различном расстоянии от центра шва. Схема измерения представлена на рис. 1. Определение остаточных напряжений было выполнено с двух сторон для всех пластин (облицовочный и корневой слои).
|
|
|
|
а) |
б) |
Рис. 1. Стыковое сварное соединение для исследования остаточных напряжений: а – пластина с указанием размеров и расположения шва (вид сверху); б – точки измерения остаточных напряжений
Обсуждение результатов исследования
На рис. 2 приведены распределения остаточных напряжений в сварном соединении после импульсно-дуговой сварки (СМТ) в условиях комнатных температур.
Из рис. 2а видно, что после СМТ со стороны облицовочного слоя в зоне металла шва (МШ) образованы остаточные напряжения сжимающего типа, равные -118 МПа в поперечном направлении и -50 МПа в продольном направлении. На удалении от центра МШ до 17 мм наблюдается распределение остаточных напряжений растягивающего типа. Интервал распределений поперечных ОСН составил 90…120 МПа, продольных – 95…160 МПа.
Со стороны корневого слоя сформированы остаточные напряжения только растягивающего типа. В зоне МШ поперечные ОСН составили 45 МПа, продольные – 80 МПа. На удалении от центра МШ до 17 мм интервал распределений поперечных напряжений составил 195…250 МПа, продольных – 90…200 МПа (рис. 2б).
На рис. 3 приведены распределения остаточных напряжений в сварных соединениях после сварки постоянным током в условиях комнатных температур.
После СПТ с двух сторон пластины наблюдается образование остаточных напряжений только растягивающего типа (рис. 3). Со стороны облицовочного слоя в зоне МШ ОСН равны 225 МПа в поперечном направлении и 190 МПа в продольном направлении. На удалении от шва до 17 мм интервал поперечных напряжений составил 70…165 МПа, продольных – 80…140 МПа (рис. 3а).
Рис. 2. Распределение поперечных (1) и продольных (2) остаточных напряжений в сварном соединении,
выполненном СМТ в условиях комнатных температур: а – облицовочная сторона; б – корневая сторона
Со стороны корневого слоя в зоне МШ поперечные напряжения составили 220 МПа, продольные – 180 МПа. На удалении от центра шва до 17 мм интервал поперечных напряжений составил 70…165 МПа, продольных – 80…140 МПа (рис. 3б).
Рис. 3. Распределение поперечных (1) и продольных (2) остаточных напряжений в сварном
соединении, выполненном СПТ в условиях комнатных температур: а – облицовочная сторона;
б – корневая сторона
Таблица 2
Погонная энергия и уровень ОСН в случае сварки при комнатной температуре (+20 оС)
|
Режим |
№ св. пробы |
№ слоя / слой |
Погонная энергия, кДж/м |
Сред. знач. погонной энергии, кДж/м |
Средние значения напряжений, МПа |
Maкс. значения напряжений, МПа |
|||
|
σх |
σу |
σх |
σу |
||||||
|
СМТ |
1 |
1 |
Корневой |
707 |
1091 |
144 |
169 |
200 |
250 |
|
2 |
Облицовочный |
1475 |
93 |
50 |
160 |
120 |
|||
|
СПТ |
2 |
1 |
Корневой |
719 |
986 |
167 |
166 |
170 |
180 |
|
2 |
Облицовочный |
1253 |
126 |
147 |
140 |
165 |
|||
На величину и характер сварочных напряжений влияют погонная энергия и режим сварки. В табл. 2 представлены значения погонной энергии сварки при вариации режимов. Среднее значение погонной энергии при СМТ выше на 10 %, чем при СПТ. Уровень средних значений ОСН с облицовочной стороны при СМТ существенно ниже, чем при СПТ. С корневой стороны средний уровень ОСН при обоих режимах примерно одинаков. С облицовочной стороны в зоне металла шва при СМТ наблюдается возникновение сжимающих ОСН. В целом средний уровень растягивающих ОСН на участке измерения составил 0,5…0,6σт, а максимальных напряжений - 0,7…0,88σт.
На рис. 4 приведены распределения остаточных напряжений в сварном соединении, полученном СМТ в условиях отрицательных температур (-45 оС).
Рис. 4. Распределение поперечных (1) и продольных (2) остаточных напряжений
в сварном соединении, выполненном СМТ в условиях отрицательных
температур (-45 оС): а – облицовочная сторона; б – корневая сторона
Со стороны облицовочного слоя в зоне МШ значение поперечных ОСН после СМТ равно 258 МПа, а продольных – 170 МПа. На удалении от центра шва до 17 мм интервал распределений поперечных напряжений составил 80…270 МПа, продольных – 130…160 МПа (рис. 4а).
Со стороны корневого слоя в зоне МШ поперечные ОСН составили 200 МПа, продольные – 260 МПа. На удалении от центра шва до 17 мм интервал распределений поперечных напряжений составил 100…210 МПа, продольных – 20…135 МПа (рис. 4б).
После СПТ со стороны облицовочного слоя в зоне МШ значение поперечных напряжений равно 235 МПа, а продольных – 250 МПа. На удалении от центра шва до 17 мм интервал распределений поперечных ОСН составил 215…270 МПа, продольных – 210…290 МПа (рис. 5а).
Рис. 5. Распределение поперечных (1) и продольных (2) остаточных напряжений
в сварном соединении, выполненном СПТ в условиях отрицательных
температур (-45 оС): а – облицовочная сторона; б – корневая сторона
Со стороны корневого слоя в зоне МШ поперечные напряжения составили 210 МПа, продольные – 230 МПа. На удалении от центра шва до 17 мм интервал распределений поперечных напряжений составил 220…230 МПа, продольных – 230…235 МПа (рис. 5б).
В условиях отрицательных температур (-45 оС) окружающего воздуха независимо от режимов сварки в сварных соединениях наблюдается образование растягивающих остаточных напряжений. Сравнение распределений остаточных напряжений в сварных соединениях, полученных при разных режимах сварки, показывает, что при СПТ значение остаточных напряжений выше, чем при СМТ (табл. 3).
Как видно из табл. 3, при СПТ средняя погонная энергия на 17 % выше, чем при СМТ. Также погонная энергия значительно выше при СПТ корневого слоя. Данное обстоятельство повлияло на образование более высоких средних и максимальных растягивающих остаточных напряжений при СПТ, чем при СМТ. Средний уровень растягивающих ОСН после СМТ на участке измерения составил 0,54…0,7σт, а максимальных напряжений - 0,91…0,98σт. После СПТ средний уровень растягивающих ОСН на участке измерения составил 0,78…0,88σт, а максимальных напряжений - 0,95…1,0σт. Известно, что уровень растягивающих ОСН достигает предела текучести основного металла, а при понижении температуры окружающего воздуха увеличиваются прочностные характеристики сталей. Таким образом, увеличение уровня растягивающих ОСН при сварке на холоде может быть связано с повышением прочностных характеристик стали при понижении температуры.
Формирование высоких растягивающих остаточных сварочных напряжений при сварке в условиях низких климатических температур может существенно влиять на работоспособность сварных соединений металлоконструкций, эксплуатирующихся в условиях Севера и Арктики. В связи с этим необходимы способы сварки в условиях низких климатических температур окружающего воздуха, обеспечивающие формирование в сварных соединениях низкого уровня растягивающих остаточных напряжений. К таким способам можно отнести методы импульсно-дуговой сварки.
Таблица 3
Погонная энергия и уровень ОСН при сварке на холоде (-45 оС)
|
Режим |
№ св. пробы |
№ слоя / слой |
Погонная энергия, кДж/м |
Средние значения погонной энергии, кДж/м |
Средние значения напряжений, МПа |
Maкс. значения напряжений, МПа |
|||
|
σх |
σу |
σх |
σу |
||||||
|
СМТ-1,67 |
3 |
1 |
Корневой |
743 |
1074 |
128 |
155 |
259 |
210 |
|
2 |
Облицовочный |
1404 |
155 |
198 |
170 |
278 |
|||
|
СПТ |
4 |
1 |
Корневой |
1083 |
1303 |
230 |
222 |
230 |
232 |
|
2 |
Облицовочный |
1522 |
249 |
237 |
288 |
269 |
|||
Выводы
1. На величину и характер сварочных напряжений влияют погонная энергия и режим сварки. По сравнению со сваркой на постоянном токе при импульсно-дуговой сварке формируются растягивающие остаточные напряжения с более низким уровнем средних значений как при комнатной (+20 оС), так и при отрицательной (-45 оС) температуре.
2. При снижении температуры окружающего воздуха до -45 оС независимо применяемого способа и выбранного режима сварки в сварных соединениях наблюдается повышение уровня растягивающих остаточных сварочных напряжений на 40…50 % (относительно комнатной). Повышение уровня растягивающих напряжений связано с необходимостью увеличения погонной энергии сварки, а также с повышением прочностных характеристик стали при снижении температуры.
3. Полученные результаты позволяют обосновать необходимость разработки технологий, направленных на снижение влияния остаточных напряжений сварных соединений, выполненных в условиях низких климатических температур окружающего воздуха, с целью повышения их надежности. Одним из способов снижения уровня растягивающих остаточных сварочных напряжений являются методы импульсно-дуговой сварки. В целом проводимые исследования являются важным этапом работ, направленных на повышение работоспособности сварных металлоконструкций, эксплуатирующихся в условиях Севера и Арктики.
Работа выполнялась при финансовой поддержке гранта РНФ по проекту № 16-19-10010П.
1. Бабаев, А.В. Сопротивление усталости стыковых соединений с подрезами и остаточными напряжениями / А.В. Бабаев // Автоматическая сварка. - 1979. - № 8. - С. 9-11.
2. Golikov, N.I. Investigation of the redistribution of residual stresses in cyclic loading of welded joints / N.I. Golikov, M.M. Sidorov // Welding International. - 2014. - Т. 28. - № 12. - С. 970-972.
3. Leggatt, R.H. Residual stresses in welded structures / R.H. Leggatt // International Journal of Pressure Vessels and Piping. - 2018. - Vol. 85. - Is. 3. - P. 144-151.
4. Withers, P.J. Recent advances in residual stress measurement / P.J. Withers, M. Turskia, L. Edwards, P.J. Bouchard, D.J. Buttle // International Journal of Pressure Vessels and Piping. - 2008. - Vol. 85. - Is. 3. - P. 118-127.
5. Xu, Y. Residual stress evaluation in welded large thin-walled structures based on eigenstrain analysis and small sample residual stress measurement / Y. Xu, H. Liu, R. Bao, X. Zhang // Thin-Walled Structures. - 2018. - Vol. 131. - P. 782-791.
6. Hensel, J. Welding residual stresses as needed for the prediction of fatigue crack propagation and fatigue strength / J. Hensel, T. Nitschke-Pagela, D. Tchoffo Ngoula, H-Th Beier, D. Tchuindjang, U. Zerbstd // Engineering Fracture Mechanics. - 2008. - Vol. 198. - P. 123-141.
7. Shen, F. Fatigue damage evolution and lifetime prediction of welded joints with the consideration of residual stresses and porosity / F. Shen, B. Zhao, L. Lin, Ch.K. Chua, K. Zhou // International Journal of Fatigue. - 2017. - Vol. 103. - P. 272-279.
8. Wu, Ch. Analysis of welding residual stress formation behavior during circumferential TIG welding of a pipe / Ch. Wu, J.-W. Kim // Thin-Walled Structures. - 2018. - Vol. 132. - P. 421-430.
9. Pereira de Moraes, C.A. Residual stress evaluation in API 5L X65 girth welded pipes joined by friction welding and gas tungsten arc welding / C.A. Pereira de Moraes, M. Chludzinski, R.M. Nunes, G.V.B. Lemos, A. Reguly // Journal of Materials Research and Technology. - 2019. - Vol. 8. - Is. 1. - P. 988-995.
10. Ларионов, В.П. Электродуговая сварка конструкций в северном исполнении / В.П. Ларионов. - Новосибирск: Наука, 1986. - 256 с.
11. Saraev, Y. Adaptive pulse-arc welding methods for construction and repair of the main pipelines / Y. Saraev // Proceedings of the 2nd South-East European IIW International Congress «Welding – HIGH-TECH Technology in 21st century». - Sofia, Bulgaria, 2010. - P. 174-177.
12. Saraev, Y.N. Properties of the welded joints of manganese steel made by low-frequency pulsed arc welding / Y.N. Saraev, V.P. Bezborodov, S.V. Gladkovskiy, N.I. Golikov // Russian Metallurgy (Metally). - 2017. - V. 2017. - № 4. - P. 287-292.
13. Saraev, Y.N. Distribution of residual stresses in welded joints in 09G2S steel produced by adaptive pulsed-arc welding / Y.N. Saraev, V.P. Bezborodov, A.A. Grigoryeva, N.I. Golikov, V.V. Dmitriev, I.I. Sannikov // Welding International. - 2015. - V. 29. - № 2. - P. 131-134.
14. Сараев, Ю.Н. Влияние энергетических параметров режимов сварки на распределение остаточных напряжений в зоне неразъемного соединения / Ю.Н. Сараев, Н.И. Голиков, М.М. Сидоров, А.Г. Лунев, М.В. Перовская // Актуальные проблемы в машиностроении. - 2018. - Т. 5. - № 3-4. - С. 30-35.
15. Withers, P.J. Residual Stress: Measurement by Diffraction / P.J. Withers // Encyclopedia of Materials: Science and Technology. - 2001. - P. 8158-8169.
