V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Часто при изготовлении, монтаже, ремонте и реконструкции технических устройств для опасных производственных объектов инженеры сталкиваются с решением практических проблем свариваемости сталей различных марок, различных систем легирования. Спектр разнохарактерных сталей на одном техническом устройстве может быть весьма разнообразный, некоторые изделия (соединительные детали) из сталей изготовлены в разных странах и имеют ряд специальных критериев. Иногда инженеру в короткие сроки нужно определить технические и технологические приёмы сварки, установить все необходимые технологические режимы для разработки предварительной инструкции сварки (pWPS). В результате в целях экономии время, а также основного и сварочного материала на разработку процедуры сварки и лабораторного подтверждения WPS, нельзя упустить ни одного технологического параметра (к примеру, влияние повторного нагрева и как последствие снижение показателей «ударного изгиба» и т.д.) для получения равнопрочного неразъёмного сварного соединения.

В целях помощи инженерам-проектантам, инженерам-сварщикам, при решении производственных задач, а также в качестве тренажёрной практики студентам, которые должны будут стать компетентными специалистами в сфере сварочного производства, предлагается инженерный подход свода известных эмпирических формул в одну программу (поставить название), что позволит получить экспресс прогноз необходимых технологических параметров.

По свариваемости стали условно делят на четыре группы: хорошо сваривающиеся, удовлетворительно сваривающиеся, ограниченно сваривающиеся, плохо сваривающиеся. Эмпирические формулы свариваемости были получены согласно статистическим данным, проведённым в разных странах, механических тестов при разных возможных условиях эксплуатации и стресс анализов металла сварного шва и основного материала различными учёными-технологами. Каждая из этих формул приемлема лишь для определенной группы сталей.

При оценке свариваемости роль химического состава стали является превалирующей. По этому показателю в первом приближении проводят оценку свариваемости. По этим показателям инженеры-сварщики могут провести экспресс анализ основного и наплавленного материала при термическом воздействии процесса сварки на материал, исключая возможность получения погрешностей влияющих на жизнь человека, соответствуя тем самым требованиям Федерального закона РФ, № 116 «О промышленной безопасности».

Посертификатным данным программа даст возможность,прогнозировать свойства основного и наплавленного металла (электродного), при выборе сварочных материалов учитывая требования получения равнопрочности неразъёмного соединения, минуя прочностную и химическую неоднородность. Также в некоторых случаях, посредством программы, возможно, отказаться от дорогостоящего усложнения технологического процесса сварки - «термообработки», поддерживая сопутствующий подогрев (ЛСП-1, сварка трубы Ø 89мм сталь A 519 Gr 4130 – аналог 30ХМА).

Углерод (С) – одна из важнейших примесей, определяющая прочность, пластичность, закаливаемость и др. характеристики стали. Содержание углерода в сталях до 0,25% не снижает свариваемости. Более высокое содержание "С" приводит к образованию закалочных структур в металле зоны термического влияния (далее по тексту – ЗТВ) и появлению трещин.

Сера (S) и фосфор (P) – вредные примеси. Повышенное содержание "S" приводит к образованию горячих трещин – красноломкость, а "P" вызывает хладноломкость. Поэтому содержание "S" и "P" в низкоуглеродистых сталях ограничивают до 0,4-0,5%.

Кремний (Si) присутствует в сталях как примесь в количестве до 0,3% в качестве раскислителя. При таком содержании "Si" свариваемость сталей не ухудшается. В качестве легирующего элемента при содержании "Si" – до 0,8-1,0% (особенно до 1,5%) возможно образование тугоплавких оксидов "Si", ухудшающих свариваемость стали.

Марганец (Mn) при содержании в стали до 1,0% – процесс сварки не затруднен. При сварке сталей с содержанием "Mn" в количестве 1,8-2,5% возможно появление закалочных структур и трещин в металле ЗТВ.

Хром (Cr) в низкоуглеродистых сталях ограничивается как примесь в количестве до 0,3%. В низколегированных сталях возможно содержание хрома в пределах 0,7-3,5%. В легированных сталях его содержание колеблется от 12% до 18%, а в высоколегированных сталях достигает 35%. При сварке хром образует карбиды, ухудшающие коррозионную стойкость стали. Хром способствует образованию тугоплавких оксидов, затрудняющих процесс сварки.

Никель (Ni) аналогично хрому содержится в низкоуглеродистых сталях в количестве до 0,3%. В низколегированных сталях его содержание возрастает до 5%, а в высоколегированных – до 35%. В сплавах на никелевой основе его содержание является пре­валирующим. Никель увеличивает прочностные и пластические свойства стали, оказывает положительное влияние на свариваемость.

Ванадий (V) в легированных сталях содержится в количестве 0,2-0,8%. Он повышает вязкость и пластичность стали, улучшает ее структуру, способствует повышению прокаливаемости.

Молибден (Мо) в сталях ограничивается 0,8%. При таком содержании он положительно влияет на прочностные показатели сталей и измельчает ее структуру. Однако при сварке он выгорает и способствует образованию трещин в наплавленном металле.

Титан и ниобии (Ti и Nb) в коррозионностойких и жаропрочных сталях содержатся в количестве до 1%. Они снижают чувствительность стали к межкристаллитной коррозии, вместе с тем ниобий в сталях типа 18-8 способствует образованию горячих трещин.

Медь (Си) содержится в сталях как примесь (в количестве до 0,3% включительно), как добавка в низколегированных сталях (0,15 до 0,5%) и как легирующий элемент (до 0,8-1%). Она повышает коррозионные свойства стали, не ухудшая свариваемости.

Для выбора оптимальной технологии сварки:

Достаточно часто расчеты химического углеродного эквивалента для углеродистых и низколегированных конструкционных сталей перлитного класса выполняются по формуле Сефериана.

Расчёт прогноз на «холодные трещины», С_экв:

ГОСТ 27772-88 :

С_ЭКВ = С + Мn/6 + Сr/5 + Мо/5 + V/5 + Ni/15 + Си/15 (метод МИС);

С_ЭКВ = С + Мn/6 + Si/24 + Ni/40 + Сr/5 + Мо/4 (японский метод);

[С_]Х = С + Мn/9 + Сr/9 + Ni/18 + 7Мо/90 (метод Сефериана),

Существует 9 видов формул

НСS - Расчёт на образование горячих трещин (ГТ):

HCS = С (S + P + 0,04 Si + 0,01Ni) 10³ G_в < 700 МПа, HCS < 4 не склонна;

3Mn +Cr + Mo + V ; G_в > 700 МПа, HCS < 2 не склонна.

Расчёт по методике МИС (Международного института сварки): EN 1011-2, 2001: «Рекомендации по сварке металлических материалов. Дуговая сварка ферритных (углеродистых и низколегированных) сталей – рекомендации оценки опасности образования горячих трещин».

UCS – units of crack susceptibility.

UCS= 230С + 190S + 75P + 45Nb – 12,3Si – 5,4Mn – 1;

UCS < 10 – соответствует высокой сопротивляемости к образованию горячих трещин.

UCS > 30 – низкая сопротивляемость к образованию горячих трещин.

Расчёт на прогноз «трещиностойкость»:

Р_см - принята формула Сефериана показатель трещиностойкости в которой учтены влияние диффузионного водорода (Н) и толщины металла (Т):

Р_см= С+ Si+ Mn + Cu + Cr + Ni+Mo + V + 5B + [H] + T

30 20 60 15 10 60 600;

[Н] – содержание диффузионного водорода (мин) = 3 мг/100³;

Т – толщина стенки свариваемого металла;

Выбор температуры предварительного подогрева:

Для выбора предварительного подогрева, принята формула ИТО-Беесио

Т_п.п = 1440 Р_см – 392,

Проверка по сертификатным данным склонность стали к отпускной хрупкости по формуле, взятой из «Правил классификации, постройки и оборудования плавучих буровых установок и морских стационарных платформ»:

ΔG = Cr + 3,3Мо + 8,1V + 10С – 2 = (+);

P_sr = Cr + Сu + 2Мо +10V + 7Nb -5Ti – 2 = (-)

Если получены разные знаки - сталь не склонна к отпускной хрупкости возможно, проводить равномерный послойный термический режим с поддержанием сопутствующего подогрева (при необходимости).

Предварительный подогрев является весьма эффективной мерой повышения стойкости металла шва против кристализационных трещин при сварке. Предварительный подогрев на 100⁰ ниже точки Мs (начало мартенситного превращения)поможет, стали подготовиться к влиянию направленного ввода теплоты термического процесса, уменьшит влияние растягивающих напряжений на кристаллизующийся металл сварочной ванны.

Положительное влияние подогрева обусловлено отдалением момента возникновения растягивающих напряжений и снижением скорости их нарастания в период, когда металл шва обладает пониженной пластичностью.

Последующий сопутствующий подогрев поможет полнее развиться диффузионному процессу распределения углерода, что позволит улучшить микротвёрдость ЗТВ (ферритноперлитная структура) и выход водорода из тела ферритной матрицы. Повысятся пластические свойства околошовной зоны, снизится химическая неоднородность, на 70% исчезнут остаточные напряжения после термического влияния сварки, что повлечёт снижение напряжённого состояния во всей конструкции.

Список литературы:

1. «Теория сварочных процессов» Автор: Петров Г.Л. ,Тумарев А.С. Издательство :«Высш. школа» Год: 1977

2. «Теория сварочных процессов» Автор: В. Н. Волченко, В. М. Ямпольский, В. А. Винокуров и др.; Под ред. В. В. Фролова. Издательство: Высшая школа Год: 1988

3. «Технология электрической сварки плавлением» Автор: Г. Г. Чернышов Издательство: Академия Год 1984

4. Акулов А.И. "Технология и оборудование сварки плавлением"

5. Винокуров В.А. и др. "Сварные конструкции. Механика разрушения и критерии работоспособности". 1996 - 576 стр.

Код для цитирования: Скопировать