Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,899

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ МНОГОСЛОЙНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ СТАЛИ 30ХГСА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЙ ГАРАНТИРОВАННОЕ КАЧЕСТВО СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ С МИНИМАЛЬНЫМИ РЕСУРСО- И ТРУДОЗАТРАТАМИ

Чинахов Д.А.
Применение легированных сталей средней и высокой прочности в промышленности позволяет повысить прочность и долговечность конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости. Легированная сталь 30ХГСА применяется для изготовления гидравлических цилиндров, работающих в различных климатических условиях с различной интенсивностью и загруженностью. Гидравлический цилиндр является высокоответственной металлоконструкцией, от которой зависит не только надежность работы механизированных комплексов, производительность, экономический эффект и т.д., он во многих случаях и жизнь рядом работающих людей. Выход из строя гидроцилиндров в процессе эксплуатации может произойти из-за нарушения его герметичности. Это может быть вызвано двумя причинами: появлением сквозных холодных трещин в зоне сварного соединения и их дальнейшим развитием под воздействием давления рабочей жидкости гидроцилиндра; неправильной эксплуатацией гидроцилиндров. Склонность легированных сталей к закалке и образованию холодных трещин заставляет инженеров-сварщиков искать новые пути получения качественных равнопрочных сварных соединений с минимальными трудовыми, временными и материальными затратами [1, 2].

Традиционно сварку конструкций из высокопрочных легированных сталей выполняют с предварительным подогревом (до температуры 300-350 оС) и последующей термической обработкой (при температуре 600-650 оС). Такой технологический процесс позволяет в некоторой степени снизить уровень содержания диффузионного водорода в сварном соединении, скорость охлаждения металла шва и ЗТВ и увеличить время протекания структурных превращений [2, 3]. Однако, эта технология сложна и нерациональна, поскольку требует тщательного контроля температуры и параметров сварочного процесса, не обеспечивает гарантированное качество сварных соединений, а неравномерность подогрева и термической обработки крупногабаритных изделий ведет к возрастанию внутренних напряжений, деформации. Кроме того, ее применение связано с дополнительными энергетическими и трудовыми затратами [2, 3]. При этом значения механических характеристик, полученных сварных соединений, имеют большой разброс (статистика ЦЗЛ ЮМЗ) табл.1.

Таблица 1. Результаты механических испытаний сварных соединений из стали 30ХГСА

Испытываемый

материал

Предел текучести, МПа

Временное сопротивление разрыву, МПа

Ударная вязкость, Дж/см2 при температуре +20 оС

Относительное удлинение, %

Относительное сужение, %

1. Традиционный способ сварки

(30ХГСА + Св-08Г2С)

421 - 627

524

431 - 715

573

65 - 141

103

4,6 - 26,5

15,5

13,0 - 67,0

40

2. 30ХГСА по ГОСТ 4543-71

830

1080

49

10

45

Известны и другие подходы к решению проблемы повышения стойкости сварных соединений к образованию холодных трещин при сварке легированных сталей.

Широкое применение при сварке легированных сталей получили аустенитные сварочные материалы, однако получаемые сварные соединения при хорошем качестве не обладают равнопрочностью (σв < 600 МПа). Предлагают использование шагодуговой и двухдуговой сварки под флюсом и в среде СО2, дуговой сварки в смеси газов СО2 + О2, СО2 + воздух, СО2 + Аг и др., а также добавка в металл шва различных поверхностно-активных элементов (цезий, кальций, бор и др.) и многое другое. Разрабатываются новые технологии: сварка закаливающихся сталей с предварительной наплавкой на кромки слоя низколегированного металла, имеющего небольшое содержание углерода; сварка с послойным заполнением шва низкоуглеродистыми низколегированными сварочными проволоками и аустенитными проволоками высокой прочности и т.д. [3].

Необходимо отметить, что технологии изготовления сварных конструкций из легированных сталей усложняются, увеличивается количество дорогостоящих компонентов, входящих в сварочные материалы, но конкретные общепризнанные достижения в решении проблемы предотвращения образования холодных трещин так и не получены. Данная задача остается актуальной и требует дальнейших поисков путей ее решения.

По результатам аналитического обзора, существующих путей снижения образования холодных трещин при сварке закаливающихся сталей [3] и проведенным разноплановым экспериментальным исследованиям [4-6], установлено, что для получения качественного равнопрочного сварного соединения при сварке легированных сталей, целесообразно выполнять сварку низкоуглеродистыми сварочными материалами, близкими по легированию к основному металлу, в состав которых входят активные элементы (микродобавки бора, титана и др.) в среде углекислого газа (или смеси газов СО2 + воздух, СО2 + азот) с управлением термическим циклом сварки и импульсно-динамическим воздействием на металл сварочной ванны.

Перспективным направлением решения поставленной задачи, с нашей точки зрения, является применение импульсно-динамических методов воздействия на металл сварочной ванны, структуру и свойства сварных соединений из легированных сталей.

По результатам экспериментальных исследований разработан способ сварки легированных сталей [7], обеспечивающий стабильное качество и высокие эксплуатационные свойства многослойных сварных соединений без предварительного подогрева и последующей термообработки. Для сравнения на идентичных режимах сварки были изготовлены образцы по традиционной технологии (предварительный подогрев 300оС и последующая термообработка 600оС). Результаты механических испытаний сварных образцов приведены в таблице 2.

Из таблицы 2 видно, что полученные по разработанному способу сварки (в таблице строка 1) многослойные соединения обладают достаточно высокими и стабильными эксплуатационными свойствами с хорошей пластичностью.

Проведенный микроструктурный анализ, в результате которого была выявлена мелкодисперсная структура металла шва, также подтверждает повышение эксплуатационных свойств многослойных сварных соединений. При этом швы обладают неявно выраженной зоной сплавления, т.е. существует плавный переход от металла шва к основному металлу, что обеспечивает высокую работоспособность сварных соединений. Это подтверждается высоким значением ударной вязкости образцов с надрезом в ЗТВ (табл. 2).

Таблица 2. Результаты механических испытаний сварных образцов из стали 30ХГСА

Способ сварки

Временное сопротивление разрыву, МПа

Предел текучести, МПа

Ударная вязкость с надрезом по центру шва, Дж/см2 при температуре +20 оС

Ударная вязкость с надрезом по ЗТВ, Дж/см2 при температуре +20 оС

Твердость шва, НRВ

Твердость ЗТВ, HRC

Относительное удлинение, %

Относительное сужение, %

1. Разработанный способ сварки

710-770

740

590-620

605

88-126

107

126-196

152

96-98

97

25-31

28

10-12

11

59-61

60

2. Традиционный способ сварки

540-640

590

435-535

485

138-150

144

121-163

142

86-90

88

22-23

22,5

11-13

12

64-66

65

Высокие эксплуатационные свойства и мелкодисперсная структура многослойных сварных соединений полученных при сварке с двухструйной газовой защитой объясняются высоким импульсно-динамическим давлением внутренней струи защитного газа на жидкий металл сварочной ванны, что способствует интенсивному перемешиванию расплавленного электродного металла с основным, разбиению дендритов и образованию множества новых центров кристаллизации. Кроме того, увеличивается скорость охлаждения и сокращается время пребывания металла шва и ЗТВ в области высоких температур, и зерно не успевает вырасти. Внешняя кольцевая струя обеспечивает надежную защиту зоны сварки от вредного влияния атмосферного воздуха.

Устранение предварительного подогрева и последующей термообработки из технологического процесса сварки многослойных сварных соединений стали 30ХГСА позволяет сэкономить 3-4 м3/ч горючего газа (ацетилен, природный газ) и 3-4,5 м3/ч кислорода, необходимых при местном подогреве свариваемых изделий. Экономия газа и кислорода при сварке одного погонного метра многослойного сварного соединения составляет 14,58 рублей в ценах 2002 г. Одновременно уменьшается длительность технологического процесса изготовления единицы изделия (гидроцилиндра), улучшаются условия труда сварщика, увеличивается производительность труда на 15-20 %.

По результатам проведенного исследования установлено, что разработанный способ сварки многослойных соединений из легированных сталей, обеспечивает высокое качество и требуемые свойства сварных соединений, способствует измельчению структуры металла шва, формирует плавный переход от наплавленного металла к основному, повышает эксплуатационную надежность гидроцилиндров при работе в условиях низкочастотного термоциклирования.

Данная работа выполнена в рамках НИР государственного № 02.442.11.7109.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Сварка и свариваемые материалы: В 3-х т. Т.1. Свариваемость материалов. Справ. изд./Под ред. Э.Л. Макарова - М.: Металлургия, 1991, с. 528.
  2. Лобанов Л.М., Миходуй Л.И., Гордонный В.Г. Состояние и перспективы применения в сварных конструкциях высокопрочных сталей с улучшенной свариваемостью //Автоматическая сварка. 1998. № 12. С. 29-34.
  3. Сараев Ю.Н., Чинахов Д.А., Шпигунова О.И. Способы повышения трещиностойкости сварных соединений легированных сталей типа 30ХГСА. /Технология машиностроения. 2001. № 1. С. 35 - 39.
  4. Сараев Ю.Н., Чинахов Д.А. Регрессионные модели механических свойств многослойных сварных соединений стали 30ХГСА /Сварочное производство. 2002. № 5. с. 3-5.
  5. Сараев Ю.Н., Чинахов Д.А. Сварка в щелевую разделку стали 30хгса без подогрева /Сварочное производство. 2002. № 7. С. 18-20.
  6. Saraev Yu.N., Chinahov D.A., Fedko V.T. Technology of welding of multilayered connections from alloyed steels without heat treatment /Book of Abstracts of the International Workshop "Mesomechanics: Fundamentals and Applications" (MESO´2003) and the VII International Conference "Compute-Aided Design of Advanced Materials and Technologies" (CADAMT´2003), August 18-23, 2003, Tomsk, Russia. p. 147-148.
  7. Чинахов Д.А., Федько В.Т., Сараев Ю.Н. Способ сварки: Патента на изобретение № 2233211 (РФ). Приоритет от 27.05.2003. 7 В 23 К 9/173//В 23 К 103:04. Опубл. 27.07.2004. Бюл. № 21.

Работа представлена на IV научную конференцию с международным участием «Современные наукоемкие технологии», 21-28 февраля 2006г. Хургада (Египет). Поступила в редакцию 23.01.2006г.

Библиографическая ссылка

Чинахов Д.А. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ МНОГОСЛОЙНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ СТАЛИ 30ХГСА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЙ ГАРАНТИРОВАННОЕ КАЧЕСТВО СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ С МИНИМАЛЬНЫМИ РЕСУРСО- И ТРУДОЗАТРАТАМИ // Современные наукоемкие технологии. – 2006. – № 3. – С. 73-75;
URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=22583 (дата обращения: 17.08.2022).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074