Разработка экспериментально-расчетной методики оценки структуры и свойств ЗТВ многослойных сварных соединений конструкционных легированных сталей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.06, кандидат технических наук Сажаев, Алексей Александрович

• Сажаев, Алексей Александрович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сажаев, Алексей Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СВАРИВАЕМОСТИ КЛС И СПОСОБЫ ЕЕ ОЦЕНКИ. ПУТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СВАРИВАЕМОСТИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ТП СВАРКИ КЛС.

1.1. Конструкционные легированные стали, используемые для изготовления сварных конструкций.

1.2. Проблемы свариваемости высокопрочных сталей.

1.2.1. Горячие трещины при сварке КЛС.

1.2.2. Холодные трещины при сварке КЛС.

1.2.3. Охрупчивание и разупрочнение ЗТВ.

1.3. Методы оценки свариваемости КЛС.

1.4. Выбор параметров режима сварки КЛС.

1.5. Выбор режимов последующей термообработки сварных соединений КЛС.

1.5.1. Виды термообработки сварных соединений.

1.5.2. Выбор режимов отпуска сварных соединений КЛС.

1.6. Влияние повторных нагревов при многослойной сварке на структуру и свойства ЗТВ.

1.7. Стали, получаемые методом контролируемой прокатки, и их свариваемость.

1.7.1. Свариваемость сталей, получаемых методом контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ПОВТОРНЫХ НАГРЕВОВ НА СТРУКТУРНОЕ СОСТОЯНИЕ ОШЗ МНОГОСЛОЙНЫХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ.

2.1. Анализ возможных термических воздействий на ОШЗ при сварке КЛС и выбор обобщенной схемы исследования.

2.2. Влияние полного отпуска на свойства ОШЗ.

2.3. Влияние многократного теплового воздействия СТЦ многослойной сварки на свойства ОШЗ.

2.3.1. Особенности влияния СТЦ многослойной сварки на свойства ОШЗ.

2.3.2. Разработка методики адаптации СТЦ многослойной сварки к выбранной обобщенной схеме.

2.3.3. Формализация описания структурного состояния ЗТВ.

2.3.3.1. Выбор критерия оценки структурного состояния ЗТВ сварного соединения КЛС.

2.3.3.2. Выбор значащих параметров и граничных условий.

2.3.4. Экспериментальное исследование изменения твердости НУ ОШЗ при кратковременном отпуске.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПОЛНОГО И ЧАСТИЧНОГО ОТПУСКА ОШЗ И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ.

3.1. Полный отпуск.

3.2 Частичный отпуск.

3.3. Разработка математических моделей и алгоритма расчета коэффициента К1 в соотношении Холомена-Джеффа.

3.4. Алгоритм программы для расчета твердости НУ в ОШЗ сварного соединения при многослойной сварке.

3.5. Экспериментальная проверка моделей на реальных сварных соединениях.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ МНОГОСЛОЙНОЙ СВАРКИ НЕПОВОРОТНЫХ СТЫКОВ ПОДВОДНОГО МОРСКОГО ТРУБОПРОВОДА ИЗ КП-СТАЛИ 10Г2МФБ.

4.1. Техническое описание проекта и выбор технологии для его реализация.

4.2. Разработка технологии сварки трубопровода из КП-стали 10Г2МФБ.

4.2.1. Оценка влияния исходного состояния КП-сталей на их свариваемость.

4.2.2. Определение режимов сварки стыков трубопровода.

4.3. Экспериментальная проверка полученных расчетных данных.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка экспериментально-расчетной методики оценки структуры и свойств ЗТВ многослойных сварных соединений конструкционных легированных сталей»

В настоящее время конструкционные легированные стали (KJ1C) широко применяются при производстве ответственных сварных конструкций на предприятиях оборонной промышленности, среднего, общего и энергетического машиностроения. Однако при сварке KJ1C возникает ряд проблем, связанных с их повышенной склонностью к образованию холодных трещин (XT) и сложностью получения сварных соединений KJIC, равноценных по своим свойствам основному металлу. Обеспечение достаточной свариваемости KJIC является трудной технологической задачей, которая, как правило, решается длительным и дорогостоящим экспериментальным путем.

Вопросам свариваемости KJIC посвящено большое число работ как отечественных (Прохоров H.H., Макара A.M., Шоршоров М.Х., Касаткин B.C., Петров Г.Л., Макаров Э Л., Мусияченко В.Ф., Федоров В.Г., Касаткин О.Г. и другие), так и зарубежных ученых (Гранжон X., Гривняк И., Белков К., Зайффарт П., Ито Ю., Коттрелл П., Сузуки X. и другие). В настоящее время в этой области накоплен значительный теоретический и экспериментальный материал. Использование расчетно-экспериментальных методов оценки показателей свариваемости с применением ЭВМ позволяет существенно ускорить исследовательские работы. Однако ряд вопросов остается нерешенным, и особенно необходимо отметить несовершенство способов предотвращения трещин при сварке. Самыми распространенными способами, как и несколько десятилетий назад, остаются предварительный или сопутствующий подогревы, а также последующий отпуск сварных конструкций. При высокой эффективности эти способы весьма нетехнологичны и дорогостоящи.

Другое традиционное средство борьбы с XT - применение аустенитных электродных материалов, к которым прибегают как к крайнему средству, если подогрев невозможен или неэффективен; при этом приходится мириться с тем, что сварной шов получается значительно менее прочным, чем основной металл. Одновременно становятся дороже сварочные работы за счет высокой стоимости аустенитных материалов.

Ужесточение требований к механическим свойствам сварных соединений КЛС и необходимость перевода указанных отраслей промышленности на ресурсосберегающие технологии обусловили поиск новых, более дешевых и технологичных путей обеспечения достаточной свариваемости КЛС. С этой точки зрения весьма перспективным представляется использование потенциальных возможностей многослойной сварки и последующей термообработки, обеспечивающих формирование благоприятной структуры в зоне термического влияния (ЗТВ) сварного соединения.

Представляемая работа посвящена разработке методического и математического обеспечения указанного подхода на базе современных представлений о свариваемости КЛС, влиянии структуры ЗТВ на стойкость сварных соединений КЛС против образования трещин, использовании методов математического моделирования и средств вычислительной техники.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Методический подход к исследованию влияния повторных нагревов на структурное состояние ОШЗ многослойных сварных соединений;

2. Методика эксперимента по имитации влияния СТЦ многослойной сварки на ОШЗ сварного соединения;

3. Математические модели частичного и полного отпуска ОШЗ сварных соединений КЛС;

4. Программное обеспечение, реализующее указанные методики и предназначенное для использования в практике научно- исследовательской и инженерной деятельности.

Заключение диссертации по теме «Технология и машины сварочного производства», Сажаев, Алексей Александрович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Одним из перспективных направлений по обеспечению стойкости сварных соединений конструкционных легированных сталей против ХТ является применение многослойной сварки, при которой развиваются процессы отпуска за счет тепловложения при выполнении последующих слоев. Поэтому актуально создание методики выбора рациональных режимов сварки и последующей термообработки (отпуска), исключающих образование ХТ в многослойных стыковых сварных соединений конструкционных легированных сталей.

Разработана методика получения обобщенного СТЦ применительно к многослойной сварке, которая позволяет оценить влияние многократных повторных нагревов на структуру и свойства ОШЗ сварного соединения. В основу методики положено предположение, что протекание процессов отпуска в условиях СТЦ многослойной сварки может быть описано соотношением типа Холомена - Джеффа, применяющегося для расчета процесса релаксации напряжений.

Разработана методика эксперимента по моделированию термического воздействия на ОШЗ в процессе многослойной сварки, в которой для имитации сварочного термического цикла используется нагрев проходящим током и регулирование скорости охлажден™ за счет применения охлаждения водо-воздушной смесью. Разработаны математические модели для расчета твердости НУ ОШЗ сварного соединения в процессе многослойной сварки, атак же после полного отпуска. Разработана компьютерная программа "Автоотпуск", позволяющая определять параметры обобщенного СТЦ и производить расчет твердости НУ в заданной точке ОШЗ многослойного сварного соединения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сажаев, Алексей Александрович, 2000 год

1. Основы материаловедения / Под ред. И.И.Сидорина,- М.: Машиностроение, 1976.- 436 с.

2. Сварка и свариваемые материалы: Справочник: В Зт./ Под оби;, ред. В.Н.Волченко- М.: Металлургия, 1991.-Tl.: Свариваемость материалов / Под ред. Э.Л.Макарова. 528 с.

3. Макара A.M., Мосендз H.A. Сварка высокопрочных сталей. Киев: Технша, 1971.- 140 с.

4. Марочник сталей и сплавов / Под общей редакцией В.Г.Сорокина. -М., Машиностроение, 1989. 640 с.

5. ГОСТ 26001-84. Основные понятия и терминология в сварочном производстве. -М.: Издательство стандартов, 1985. 40 с.

6. Справочник сварщика/Под ред.В.В.Степанова. М.Машиностроение, 1982.-560с.

7. Прохоров H.H. Горячие трещины при сварке,- М.: Машгиз, 1952. 215 с.

8. Шоршоров М.Х., Седых B.C. Об оценке склонности металла швов к образованию горячих трещин при сварке // Сварочное производство. 1954. - N 8. - С. 15-19.

9. Мовчан Б.А. Микроскопическая неоднородность в литых сплавах. Киев, Гостехиздат УССР, 1962. 132 с.

10. Подгаецкий В.В. К дискуссии о причинах образования горячих трещин в сварных швах // Автоматическая сварка. 1954. - N 6. - С. 5-9.

11. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением / Под ред. акад. Б.Е.Патона. М.: Машиностроение, 1974. - 768 с.

12. Макаров Э.Л. Холодные трещины при сварке легированных сталей. -М.: Машиностроение, 1981. 248 с.

13. Земзин В.H., Шрон Р.З. Термическая обработка и свойства сварных соединений. -М.: Машиностроение, 1978.-367с.

14. Грабин В.Ф. Металловедение сварки плавлением. Киев: Наукова думка, 1982,416 с.

15. Макара A.M., Саржевский В.А. Влияние оплавления границ зерен в околошовной зоне на склонность сварных соединений среднелегированных сталей к хрупкому разрушению // Автоматическая сварка. 1974. - N 7. - С. 1-6.

16. Влияние высокотемпературной химической микронеоднородности околошовной зоны на свойства сварных соединений сталей ЗОХГСНА и 40ХГСНЗМА / A.M. Макара, В.А. Саржевский, Н.Е. Протосей, А.В. Денисенко // Автоматическая сварка. 1977. -N7. -С.11-14.

17. О влиянии мягкой прослойки на свойства сварных соединений высокопрочных сталей / A.M. Макара, Г.А. Тринеев, В.А. Саржевский, Н.Е. Протосей // Автоматическая сварка. -1970. № 4. - С. 12-14.

18. Оценка прочностных характеристик механически неоднородных сварных соединений по результатам испытаний вырезаемых из них образцов /' О.А.Бакши, М.В.Шахматов, В.В.Ерофеев, А.Г.Игнатьев // Сварочное производство. 1986.-N 12. С. 28-29.

19. Компьютерные программы для прогнозирования стойкости сварных соединений легированных сталей против образования холодных трещин / Э.Л.Макаров, В.Г.Вялков, Т.И.Гордиенкова, С.Н.Глазунов//Изв. ВУзов. Машиностроение. 1988. - N4. - С. 118-122.

20. The source of martensite strenght / A.J McEvily and oth. // Trans. Met. Soc. A1ME.-1966,- V.236-P. 108-113.

21. Brisson J. Etude de la durete sous carbon des aciers en carbone et Faiblement allis // Soudage et Ticniques Coun. -1968. -NIL- P.437-455.

22. Materials restraint versus procedures to avoid cracking in steel constructions / K. Satoh, S. Matsui, Y. Ito, K. Bessio // Papers of the First International Symposium of the Japan Welding Society. Tokio, 1971. - Sub-session 1. -P. 1-12.

23. Suzuki H. Cold cracking and its preventation in steel weldments // Doc. IIW- IX.-1980. No 1157. -P.l-14.

24. Determination of necessary preheating temperature in steel welding / N. Jurioka,H. Suzuki, S Ohshita, S. Saito // Welding Journal. 1983,- N0.6.-P. 137-153.

25. Klishewski J. Vorshlag zur Wahl der Vorwarmtemperatur beim Schweibem von Baustahl//Praktiker. 1985,-Bd.37, No. 1,- S.12-13.

26. Makarov E.L., Konovalov A.V. Computer Analysis of Alloyed Steels Weldability // 5th International Conference on Computer Technology in Welding. Paris (France ),1994.-P.48.

27. Макаров Э.Л., Субботин Ю.В., Прохоров H.H. Пути повышения сопротивляемости сталей образованию холодных трещин при сварке // Прочность сварных конструкций. М.: Машиностроение, 1966. - С.227-242.

28. Шоршоров М.Х. Металловедение сварки стали и сплавов титана. М.: Наука, 1965,-336 с.

29. Гордиенкова Т.П. Разработка подсистемы САПР "Расчет и оптимизация режимов сварки легированных сталей по комплексу показателей свариваемости": Дисс. . канд.техн.наук: 05.03.06,- М.: МВТУ, 1988,- 206 с.

30. Бочвар А.А. Металловедение. М.: Машиностроение, 1956. - 187 с.

31. Лившиц Л.С., Хакимов А.Н. Металловедение сварки и термическая обработка сварных соединений. М.: Машиностроение, 1989.-336с.

32. Земзин В.Н., Шрон Р.З. Термическая обработка и свойства сварных соединений. -Л.: Машиностроение, 1978.-366с.

33. Винокуров В.А. Отпуск сварных конструкций для снижения напряжений. -М.: Машиностроение, 1973.-366 с.

34. Земзин В.Н. Жаропрочность сварных соединений. Л., 1972. - 167 с.

35. Земзин В.Н.,Житников Н.П. Условия образования трещин в околошовной зоне сварных соединений при термообработке // Автоматическая сварка. 1972. - №2. - С.6-11.

36. Земзин В.Н., Шрон Р.З. Локальные разрушения при высоких температурах сварных соединений теплоустойчивых хромомолибденовых сталей // Автоматическая сварка.-1968.-№6.-С. 16-19.

37. Макара A.M., Мохендз Н.А. Сварка высокопрочных сталей. Киев.: Наукова думка, 1971. - 135 с.

38. Nichols R.W. Reheat cracking in weld structure // Welding in the World.-1969.-№ 7(4). C.77-89.

39. Nicholson S., Brook I. Review of codes // Proceedings Conference Steel Institute. -London, 1971. P.49-51.

40. A review on underclad cracking in pressure vessel component / Vinckier A.G., Pense A.W. // WRC Bulletin. 1974. - № 197. - C.47-49.

41. Deviller L., Kaplan D., Testard D. An approach of predicting microstructures and toughness properties in heat affected zones of multipass weld of structural steels // Weld in the World. 1993. - V.31, № 4. - P.256-267.

42. Zeemann Anne Lise, Ferreina Dalcival Alves. Temper bead techique. A practical situation // Welding in the World. 1993. - V.31, № 6. - P.412-413.

43. Лукин B.A., Кравченко Л.П. Исследование структуры и свойств зоны термического влияния сварных соединений корпусных конструкций // Строительная механика корабля / Николаевский кораблестроительный институт. Николаев, 1991. -С.82-89.

44. Lin Y., Akben M.G., McGrath J.T. Effect of welding parameters of HAZ of NG multipass welds // CIM Bulletin. 1989. - V.82, № 926. - P. 126.

45. Temper-bead weld repair in Cr/Mo steels / J.T. Bowker, J.T. McGrath, R.F. Orr, M.W. Letts. Ottawa: CANMET, 1991. -32p. - (IIV DOC., №-IX-1633-91).

46. Reed R.C., Bahdeshia H.K.D.H. A simple model for multipass steel welds // Acta mettallurgica et Materiaha. 1994. - V.42, № 11. - P.3663-3678.

47. Gliva V., Toplak D. Primerjava lastnosti toplotno vplivanega podrcja vecvarkovnega zvara na jeklu Nionicral 70 pri dveh razlicnih vnosih toplote // Kovine Zlitine Technologije. -1994.-V.28,№ 1-2. -L.135-140.

48. Komizo Yu-ichi: What is the TMCP-steel and how its features alter during welding // J. Japan Welding Society. 1990. - V.59, № 7. - P.498-501.

49. Пикеринг Ф. Физическое металловедение и разработка сталей. М.: Металлургия, 1982. - 184 с.

50. Эфрон Л.И. Формирование структуры и комплекса повышенных свойств экономлегированных строительных сталей в процессе прокатки и регламентированного ускоренного охлаждения: Дисс. . канд.техн.наук: 05.16.01. М.: ЦНИИчермет им. И.П.Бардина, 1985,- 123 с.

51. Эфрон Л.И. Структурообразование при контролируемой прокатке и формирование комплекса повышенной прочности и хладостойкости экономлегированных конструкционных сталей: Дисс. . докт.техн.наук: 05.16.01. М.: ЦНИИчермет им. И.П.Бардина, 1997. - 255 с.

52. Хладостойкие газонефтепроводные трубы большого диаметра, выполненные дуговой сваркой под слоем флюса (процессом UOE) / Ниппон Стил Корпорейшн. Б.г., 1992.-43с.

53. Дж. Мелком Грей. Тенденции в области металлургии и применения сталей в современных трубопроводах / Макроэллоинг Интэрнэшэнэл, Инк. Б.г., 1988. - 27с.

54. Development of ТМСР steels in Korea and weldability of these steels / Kim Tai-ung, Гее Jong-sub, Гее Won-sup, Chang Rae-woong, Kim Tae-hyun.- Pohang: Research Institute of Industrial, Science and Technology, 1989. -18 p.2

55. Свойства высокопрочных труб с приделом прочности 65 Кгс/мм для магистральных трубопроводов / Ниппон Кокан К.К. Б.г., 1986. - 67с.

56. Электросварные трубы для арктических районов. Сведения для симпозиума в СССР. IIKK Корпорейшн. Б.г., 1989. - 31с.

57. Гее Sunghak, Kim Byung Chun, Kwon Dongil. Correlation of microstructure and fracture properties in weld Heat-affected zones of thermomechanically controlled processed steels // Mettallurgical Transaction A. 1992. - V.23, № 10. - P.2803-2816.

58. Отчет по свариваемости высокопрочных труб с нормативным значением временного сопротивления разрыву 637 МПа диаметром 1420мм производства фирмы "Маннесманн" (ФРГ). М.: ВНИИСТ, 1988. - 140с.

59. Отчет по договору № 38-38-90/2289 ВНИИСТ по теме: "Исследование2свариваемости металла труб большого диаметра с пределом прочности 65 кгс/мм , эксплуатируемых под давлением 75 атм, изготовленных компанией Ниппон Кокан". М.: 1989,- 100с.

60. Установщиков Ю.И., Ковенский И.М., Власов В.А. Механизм образования специальных карбидов в сталях, легированных хромом молибденом или ванадием // ФММ. 1976. - Т.41, выи. 1. - С.99-111.

61. Установщиков Ю.И., Банных O.A. Природа отпускной хрупкости сталей. М.: 1984.- 132 с.

62. Курдюмов Г.В., Утевский Л.М., Энтин Р.И. Превращения в железе и стали. -М.:Наука, 1977.-236с.

63. Курдюмов Г.В., Энтин Р.И. Отпускная хрупкость конструкционных сталей. М.: Металлургииздат, 1945. - 134 с. с ил.

64. Бо'кштейн С.З. Структура и механические свойства легированной стали. М.: Металлургииздат, 1954. - 280с.

65. Белоус М.В., Черепин В.Т., Васильев М.А. Превращения при отпуске стали. М.: Металлургия, 1973. - 232 с.

66. Легирование машиностроительной стали/ Б.Б. Винокур, Б.Н. Бейнисович, М.Э. Натансон и др. М.: Металлургия, 1977. - 200 с.

67. Винокур Б.Б. Карбидные превращения в конструкционных сталях. Киев: Наук, думка,1988. - 240 с.

68. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. М.: Металлургия, 1978.- 392 с.

69. Гривняк И. Свариваемость сталей. М.: Машиностроение, 1984. - 216 с.

70. Приданцев M.B, Каховский Н.И., Фартушный В.Г. Конструкционные стали: Справочник М.: Металлургия, 1980. - 288с.

71. Материалы в машиностроении: Справочник: В 5т. / Под общ. ред. И.В.Кудрявцева М.: Металлургия, 1967. - Т2.: Конструкционная сталь / Под ред. Е.П.Могилевского. - 496 с.

72. Стали с пониженным содержанием никеля: Справочник / Под редакцией Приданцева М.В и Г.Л.Лившица. М.: Металлургиздат,1961. - 200 с.

73. Львовский E.H. Статистические методы построения эмпирических формул. М.: Высшая школа, 1988. - 240 с.

74. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. - 544 с.

75. Вялков В.Г. "Разработка экспериментально расчетного метода оценки стойкости однопроходных сварных соединений больших толщин легированных сталей против образования холодных трещин": Дисс. . канд.техн.наук: 05.03.06. - М.: МВТУ, 1987. - 183 с.

76. Беккерт М., Клемм X. Справочник по металлографическому травлению. М.: Металлургия, 1979. 336 с.

77. Твердость после кратковременного нагрева

78. Продолжительность выдержки, сек Температура нагрева, °С300 400 500 6000 385,7 355,3 321,9 308,950 378,2 351 317,8 304,390 345 343,7 314,7 301,21. Время, с

79. Твердость после кратковременного нагрева

80. Продолжительность выдержки, сек Температура нагрева, °С300 400 500 600 7000 405,2 386 364 360,8 348,130 400 382 362,4 359,2 344,250 392 380 359 356 343,290 386 374,2 357 354,2 342,133030 501. Время, с904101, С.30 50 90

81. Твердость после кратковременного нагрева

82. Продолжительность выдержки, сек Температура нагрева, °С300 400 500 6000 398,7 384,7 330,7 321,130 392 379 318,8 313,550 384,1 373 307,8 303,190 372,3 368 304,4 296,1410290т, °с-300 ■400 500 60030 501. Время, с90410X

83. Твердость после кратковременного нагрева

84. П родолжите л ь ность выдержки, сек Температура нагрева, °С300 400 500 6000 394,1 357,4 314 262,430 390 352 309 25650 385,5 345,4 301,7 250,290 369,4 339,4 293,1 24530 501. Время, с9(410

85. Твердость после кратковременного нагрева

86. Продолжительность выдержки, сек Температура нагрева, °С300 500 6000 528,5 375 34850 523 368,8 34390 515,8 362 339560520480л§ 440 Ч400 ш360320О50 Время, ст, с 4I—♦—3001.I 50060090480у 440360

87. Твердость после кратковременного нагрева

88. Продолжительность выдержки, сек Температура нагрева, °С300 400 500 6000 534,6 451,8 430,2 40650 526,6 434,9 419,3 399,290 518,6 422,8 414,9 379,75501 Т, °с•300 ■400 500 600550

89. Твердость после кратковременного нагрева

90. Продолжительность выдержки, сек Температура нагрева, °С300 500 6000 585,2 489 46750 550 468 451,390 536,4 452 432т, °с1. Со50 90