Влияние состояния поставки листового проката из стали марки 10хСНД по ГОСТ 6713-2021 для мостостроения на остаточные послесварочные напряжения и деформации

• Мосты и время

Н. В. КОБЕРНИК¹, д. т. н., Л. И. ЭФРОН², д. т. н., С. А. КОРОЛЕВ¹, к. т. н., А. Г. КРАВЧЕНКО²

¹ФГАУ «НУЦСК при МГТУ им. Н. Э. Баумана», Москва, Россия (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в браузере должен быть включен Javascript.)

²АО «Объединенная металлургическая компания», Москва, Россия (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в браузере должен быть включен Javascript.)

Ключевые слова: сталь марки 10ХСНД, контролируемая прокатка с ускоренным охлаждением; нормализация, погонная энергия, послесварочные напряжения и деформации.

Проведен комплекс лабораторных исследований по оценке влияния состояния поставки (технологии производства) толстолистового проката из стали марки 10ХСНД по ГОСТ 6713-2021 в термомеханически обработанном состоянии после контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением (КП+УО) и в термически обработанном состоянии после нормализации (Н) на остаточные послесварочные напряжения и деформации. Представлены результаты определения остаточных напряжений в сварных соединениях, произведенных механизированной сваркой в среде защитного газа с погонной энергией 0,8 кДж/мм и автоматической сваркой под флюсом с погонными энергиями 3,5 и 5,0 кДж/мм. Установлены зависимости ширины области с растягивающими растяжениями от погонной энергии сварки. Полученные результаты свидетельствуют об отсутствии влияния указанных состояний поставки проката (при постоянном химическом составе основ- ного металла) на величину и характер распределения послесварочных напряжений и деформаций.

Комплексная оценка свариваемости включает в себя определение ряда специальных свойств, оказывающих влияние на технологические и эксплуатационные характеристики сварных конструкций, надежность и безопасность при их работе. К таким специальным свойствам относится уровень остаточных послесварочных напряжений и деформаций.

Согласно современным теоретическим представлениям, на остаточные послесварочные напряжения и деформации существенное влияние оказывает химический состав металла шва сварного соединения. Также данные показатели свариваемости в большой степени зависят от способа сварки и погонной энергии [1]. Влияние состояния поставки (технологии производства) проката на приведенные выше показатели при фиксированном химическом составе является менее изученным вопросом. Величина растягивающих напряжений в сварном шве согласно известным теоретическим данным [2, 3] приблизительно равна пределу текучести.

Целью данной работы является изучение влияния состояния поставки (технологии производства) толстолистового проката из стали марки 10ХСНД по ГОСТ 6713-2021 на уровень остаточных напряжений и деформаций в зависимости от погонной энергии и способа сварки.

МАТЕРИАЛ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования являлся толстолистовой прокат толщиной 25 мм из стали марки 10ХСНД по ГОСТ 6713-2021, произведенный по двум технологиям: после термомеханической обработки в виде контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением и после термической обработки в виде нормализации. Для производства листового проката по обеим технологиям использовали непрерывнолитую заготовку от одной плавки с химическим составом, приведенным в табл. 1.

Комплекс механических и технологических свойств листового проката представлен в табл. 2.

Из листового проката были вырезаны заготовки для производства сварных соединений и оценки послесварочных напряжений и деформаций.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

В настоящее время существует множество методов определения остаточных напряжений и деформаций, основанных на различных физических явлениях: магнитные, ультразвуковые, рентгеновские, нейтронное облучение, измерение твердости и т. д. Часть этих методов допускает их применение на цельных конструкциях без повреждения. Однако наиболее достоверные результаты при этом могут быть получены только для однородного основного металла, вдали от сварного шва. Это связано с тем, что измеряемые при данных методах величины (магнитная проницаемость, скорость прохождения ультразвука и т. д.) зависят не только от уровня остаточных напряжений, но и от размеров зерна, структуры и т. д.

Для определения остаточных напряжений применительно к сварным соединениям наиболее часто используемым и более наглядным является метод, при котором напряжения рассчитываются на основе результатов измерений перемещений. Результаты измерения перемещений при этом можно напрямую использовать для расчета остаточных деформаций. Работы выполнялись в следующей последовательности:

• сборка свариваемых для исследования заготовок под сварку;
• получение баз для проведения измерений;
• измерение расстояний между полученными базами после сборки (до сварки);
• сварка заготовок;
• измерение расстояний между базами после сварки;
• разрезание конструкции для устранения напряжений;
• измерение расстояний между базами после разрезания конструкции;
• расчетное определение остаточных напряжений и деформаций.

План проведения экспериментальных работ включал производство сварных соединений для каждого состояния поставки механизированной сваркой в среде защитного газа с погонной энергией 0,8 кДж/мм и автоматической сваркой под флюсом с погонными энергиями 3,5 и 5,0 кДж/мм:

• 0,8 ± 0,2 кДж/мм – сварка проволокой Ø 1,2 мм ESAB OK AristoRod 12.50 в среде защитного газа - сварочная смесь 80…85% Ar + 20…15% CO2;
• 3,5 ± 0,2 кДж/мм – автоматическая сварка проволокой Ø 4 мм Св-10НМА под слоем флюса АН-47;
• 5,0 ± 0,2 кДж/мм – автоматическая сварка проволокой Ø 4 мм Св-10НМА под слоем флюса АН-47.

Выбор погонных энергий основывался на нормативных документах, применяемых в мостостроении и производстве офшорных конструкций [4, 5, 6].

В качестве баз для измерения использовались лунки диаметром 3 мм глубиной 4 мм (рис. 1). Базы выполнялись в центральной части пластин. Номинальное расстояние между базами до сварки в продольном относительно сварки направлении составляло 100 мм. В поперечном относительно направлении базы сварки располагались с номинальным шагом 10 мм. Фактические начальные расстояния между базами, а также расстояния между ними после сварки и разрезки пластин, определялись измерениями. Все измерения расстояний между базами выполнялись при помощи штангенциркуля ШЦЦСЦ-2 20-300-0,01.

С целью исключения влияния различных факторов работы выполнялись с соблюдением единых условий для сварки всех образцов. Все образцы собирались с одинаковым номинальным зазором 3 мм. Сборка выполнялась при помощи 4-х прихваток длиной 50 – 80 мм, равномерно расположенных по длине сварного стыка. После постановки прихватки очищались и подвергались внешнему осмотру. Наличие трещин, наплывов, подрезов и пор не допускалось. Сварка выполнялась в закрытом помещении при комнатной температуре. Для выполнения работ использовался сварочный трактор КЕДР AlphaTRAC-1. Механизированная сварка в среде защитного газа выполнялась за 10–11 проходов. Автоматическая сварка под флюсом выполнялась за 4 прохода, как на номинальной погонной энергии 3,5 кДж/мм, так и на погонной энергии 5,0 кДж/мм. При сварке всех образцов выполнялись одинаковые условия закрепления. После каждого прохода образец охлаждался до температуры не более 50 °C. Схемы раскладки валиков, также отражающие последовательность сварки, приведены на рис. 2.

Измерения между базами проводились на следующих этапах:

• после сборки под сварку;
• после сварки;
• после разрезки.

Остаточные поперечные деформации (поперечная усадка) определялись как разница между значениями расстояний между соответствующими базами (поперек сварного шва), полученными в результате измерений после сборки под сварку и после сварки.

Остаточные напряжения определялись расчетным путем на основе изменений расстояний (Δ, мм) между соответствующими базами (вдоль сварного шва), полученными в результате измерений после сварки и после разрезки. Полученные изменения расстояний пересчитывались в деформации (ε) на базе 100 мм (ε = Δ/100). По значениям деформаций на основе закона Гука (σ = Eε) проводился расчет напряжений. При расчете значение модуля упругости принималось равным E = 2·105 МПа.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Обобщенное усредненное распределение остаточных деформаций (поперечной усадки) для случаев сварки пластин в разном состоянии поставки (КП+УО и Н), разными способами сварки (МП и АДСФ) с различными значениями погонной энергии (0,8 кДж/мм для МП; 3,5 и 5,0 кДж/мм для АДСФ) приведено в табл. 3 и на рис. 3. Обобщенное усредненное распределение остаточных напряжений для случаев сварки пластин в разном состоянии поставки (КП+УО и Н), разными способами сварки (МП и АДСФ) с различными значениями погонной энергии (0,8 кДж/мм для МП; 3,5 и 5,0 кДж/мм для АДСФ) приведено в табл. 4 и на рис. 4.

Отличие величины поперечной усадки для пластин толщиной 25 мм в разном состоянии поставки составляет:

• 6,5% для механизированной сварки в среде защитных газов на погонной энергии 0,8±0,2 кДж/мм (большее значение поперечной усадки установлено для состояния поставки «КП+УО»);
• 2,4% для автоматической сварки под флюсом на погонной энергии 3,5±0,2 кДж/мм (большее значение поперечной усадки установлено для состояния поставки «Н»);
• 1,2% для автоматической сварки под флюсом на погонной энергии 5,0±0,2кДж/мм (большее значение поперечной усадки установлено для состояния поставки «КП+УО»).

Отличие величины остаточных напряжений в сварном шве для пластин толщиной 25 мм в разном состоянии поставки составляет:

• 3,6% для механизированной сварки в среде защитных газов на погонной энергии 0,8±0,2 кДж/мм (большее значение величины остаточных напряжений в шве установлено для состояния поставки «Н»);
• 3,5% для автоматической сварки под флюсом на погонной энергии 3,5±0,2 кДж/мм (большее значение величины остаточных напряжений в шве установлено для состояния поставки «Н»);
• 6,5% для автоматической сварки под флюсом на погонной энергии 5,0±0,2 кДж/мм (большее значение величины остаточных напряжений в шве установлено для состояния поставки «КП+УО»).

Максимальное отличие по показателям, характеризующим послесварочные напряжения и деформации для исследуемых случаев сварки пластин толщиной 25 мм в состояниях поставки «Н» и «КП+УО» на погонных энергиях от 0,8 до 5,0 кДж/мм, составило не более 6,5 %.

ВЫВОДЫ

1. Проведена работа по получению экспериментальных данных для анализа влияния состояния поставки (технологии производства) толстолистового проката из стали марки 10ХСНД по ГОСТ 6713-2021 фиксированного химического состава в термомеханически обработанном состоянии после контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением (КП+УО) и в термически обработанном состоянии после нормализации (Н) на остаточные послесварочные напряжения и деформации. Исследования проведены применительно к двум способам сварки (механизированная в среде защитных газов и автоматическая под слоем флюса) и разным погонным энергиям (0,8±0,2 кДж/мм для механизированной в среде защитных газов, а также 3,5±0,2 и 5,0±0,2 кДж/мм для автоматической сварки под флюсом).
2. Экспериментальные исследования, проведенные для толстолистового проката из стали марки 10ХСНД по ГОСТ 6713-2021 после термомеханической обработки в виде контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением (КП+УО) и после термической обработки в виде нормализации (Н), свидетельствуют об отсутствии влияния указанных состояний поставки (при постоянном химическом составе основного металла) на величину и характер распределения послесварочных напряжений и деформаций. С практической точки зрения послесварочные напряжения и деформации в сварном соединении, изготовленном из основного металла, в указанных состояниях поставки КП + УО и Н идентичны.
3. Значения показателей, характеризующих послесварочные напряжения и деформации в сварном соединении, зависят от механических свойств наплавленного металла шва, которые определяются маркой сварочной проволоки и флюса, а также погонной энергией процесса сварки.

Литература

1. Неровный В. М., Коновалов А. В., Якушин Б. Ф., Макаров Э. Л., Куркин А. С. Теория сварочных процессов: учебник для вузов / [Неровный В. М. и др.]; под ред. Неровного В. М. – 2-е изд., перераб. и доп. – Москва: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2016. – 702 c.
2. Куркин А. С., Лукьянов В. Ф. Сварные конструкции. Расчет и проектирование : учебник для вузов / Куркин А. С., Лукьянов В. Ф. ; МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2021. – 264 с.
3. Гатовский К.М., Кархин В.А. Теория сварочных деформаций и напряжений. Л.: ЛКИ. 1980. 331 с.
4. СТО-ГК «Трансстрой»-005-2018. КОНСТРУКЦИИ СТАЛЬНЫЕ МОСТОВ. Технология монтажной сварки. Технические условия.
5. СТО-ГК «Трансстрой»-012-2018. КОНСТРУКЦИИ СТАЛЬНЫЕ МОСТОВ. Заводское изготовление. Технические условия.
6. BS EN 10225-1-2019. Weldable structural steels for fixed offshore structures. Technical delivery conditions. Plates.