Анализ и совершенствование технологии ручной дуговой сварки неповоротных кольцевых стыков магистральных трубопроводов

 

σ_x =

[ε_x,упр + (ε_x,упр + ε_y,упр + ε_z,упр)]

σ_y =

[ε_y,упр + (ε_x,упр + ε_y,упр + ε_z,упр)]

σ_z =

[ε_z,упр + (ε_x,упр + ε_y,упр + ε_z,упр)]

 

τ_xy = Gγ_{xy,упр   ,}   τ_yz = Gγ_{yz,упр   ,}   τ_zx = Gγ_zx,упр

1.3.3.1.2 Методы определения остаточных  деформаций и напряжений

Существующие методы определения  остаточных напряжений обычно разделяют  на механические и физические. Механические методы основаны на принципе упругой  разгрузки объема металла при  его освобождении от остаточных напряжений путем разгрузки. Измеряя деформации, возникающие при разгрузе можно вычислить остаточные напряжения по формулам теории упругости. В зависимости от расположения измеряемых баз механическими методами можно определить одно-, двух- и трехосные остаточные напряжения.

Физические методы, в отличие  от механических, не связаны с обязательным разрушением металла для определения  остаточных напряжений. Они основаны на определении изменения свойств  металла под влиянием остаточных напряжений. Если же изменение свойств металла в шве и околошовной зоне вызвано совокупным воздействием физико-химических процессов при сварке и остаточных напряжений, то результаты измерений физическими методами не однозначно характеризуют остаточные напряжения. Ниже перечисляются наиболее распространенные из физических методов, которые могут быть применены в отдельных случаях при определении остаточных сварочных напряжений.

Магнитоупругий метод определения  остаточных напряжений основан на зависимости  магнитной проницаемости объема металла от значения действующего в данном объеме остаточного напряжения. Этот метод можно использовать лишь для металлов, обладающих магнитными свойствами. Достоверные результаты получают при измерении остаточных одноосных напряжений в основном металле сварного соединения. Применение этого метода для определения остаточных напряжений в шве и околошовной зоне может приводить к заметным погрешностям. Это объясняется тем, что магнитная проницаемость в шве и околошовной зоне после сварки изменяется по сравнению с ее значением до сварки не только под действием возникших остаточных напряжений, но и вследствие изменения химического состава шва, роста зерна, изменения структуры околошовной зоны и других явлений.

Ультразвуковой метод определения  сварочных остаточных напряжений основан на зависимости скорости распространения ультразвуковой волны в металлах от напряженного состояния в них. Измеряют скорости распространения ультразвука на отдельном участке металла до сварки и после сварки и по изменению скорости судят о значении остаточного напряжения. При измерении остаточных напряжений в шве и околошовной зоне неоднородность свойств может приводить к погрешностям результатов. Положительным свойством данного метода, так же как магнитоупругого, следует считать мобильность проведения экспериментов, не требующих больших подготовительных работ.

Рентгеновские методы исследования остаточных напряжений основаны на определении  расстояния между кристаллографическими  плоскостями, т.е. деформации кристаллографической решетки, с помощью измерения угла отражения луча. Остаточные напряжения этим методом можно определить с невысокой точностью и только в тонком поверхностном слое. Для рентгеновских методов исследования остаточных напряжений характерны большая трудоемкость и высокая стоимость проведения эксперимента.

Метод определения остаточных напряжений на основе регистрации твердости  используют при исследовании поверхностных  напряжений. Разработанные физические основы метода устанавливают однозначное  влияние одно- и двухосных напряжений на изменение твердости поверхностного слоя. Для участков сварного соединения, претерпевших высокотемпературную пластическую деформацию в процессе сварки, т.е. для шва и околошовной зоны, этот метод измерения остаточных напряжений приводит к погрешностям.

1.3.3.1.3 Типичные поля остаточных  напряжений при сварке многослойных  швов

При многопроходной сварке пластин  встык в общем случае (рис. 20, а) возникают остаточные напряжения –  продольные σ_x, поперечные σ_y и в направлении толщины σ_z. Однако при толщинах δ<40–80 мм сопротивление усадке металла по толщине незначительное, и поэтому напряжения σ_z малы. Формирование продольных напряжений σ_x при укладке каждого очередного валика многослойного шва качественно подобно однопроходной сварке. Последующие валики незначительно изменяют значение остаточных напряжений σ_x, и поэтому их распределение по толщине можно считать равномерным (рис. 20, б).

Формирование поперечных напряжений σ_y происходит вследствие поперечной усадки укладываемого валика и под сильным воздействием поперечной усадки последующих валиков. В связи с этим распределение напряжений σ_y по толщине отличается значительной неравномерностью.

При укладке очередного валика Δz_n (рис. 20, а) в результате поперечной усадки в нем возникают остаточные поперечные напряжения растяжения. Нижележащие участки металла шва оказывают сопротивление усадке слоя n, поэтому в них возникают сжимающие поперечные напряжения. Кроме этого, без закрепления пластин происходит угловая деформация, вызывающая пластические деформации удлинения ε_y и соответственно поперечные напряжения растяжения σ_y в нижних слоях наплавленного металла. Совокупное воздействие указанных факторов приводит к неравномерному распределению поперечных напряжений (кривая 1 на рис. 20, в). На поверхности шва растягивающие напряжения достигают 0,5σ_т и более. В корне шва остаточные растягивающие напряжения весьма значительны, они могут быть на уровне временного сопротивления материала σ_в. Если сварка пластин осуществляется в приспособлении, препятствующем возникновению угловых деформаций, то в корне шва возникают сжимающие напряжения (кривая 2 на рис. 20, б). При других схемах закрепления пластин, частично препятствующих угловому повороту, возможны эпюры распределения напряжений, промежуточные между кривыми 1 и 2 на рис. 20, в.

1.3.3.2 Образование сварных соединений  и формирование первичной структуры  металла шва

1.3.3.2.1 Понятие свариваемости

Монолитность сварного соединения при сварке обеспечивается образованием межатомных и межмолекулярных связей между частицами соединяемых материалов на поверхности их контакта.

Различают две группы межатомных и  межмолекулярных связей, имеющих  электрическую природу:

1) физические (ван-дер-ваальсовские);

2) химические (ионная, ковалентная, металлическая, водородная, донорно-акцепторная и их сочетания).

Прочность химических связей (энергия, требуемая для разъединения вещества на отдельные молекулы, атомы или  ионы) составляет десятки и сотни  килоджоулей, а физических – доли и единицы килоджоуля. В результате сварки образуются соединения с прочными химическими связями.

При сварке в процессе образования  химических связей свариваемые материалы  подвергаются механическому, физическому  или химическому воздействию. Явления, сопровождающие образование химических связей, называются сварочными процессами.

Сварочные процессы, характерные для  сварки металлов, можно условно разделить  на три группы:

1) тепловые процессы, включающие нагрев, плавление и охлаждение металлов;

2) термомеханические процессы, заключающиеся в пластическом деформировании металла с одновременным воздействием высокой температуры;

3) физико-химические процессы, протекающие в твердом и жидком металле: фазовые превращения, растворение и выделение веществ из раствора, диссоциация или образование химических соединений, диффузия, обменные реакции между контактирующими фазами и т. д.

Сварочные процессы определяют технологическую  прочность металла шва и зоны термического влияния, т.е. стойкость  металла сварного соединения против локальных разрушений в процессе изготовления (сопротивляемость образованию разного рода трещин). Кроме того, они в значительной мере определяют эксплуатационную прочность, работоспособность сварного соединения — степень соответствия его механических, физических и химических свойств требованиям эксплуатации.

Способность соединяемых металлов образовывать при сварке качественное сварное соединение оценивают их свариваемостью. Свариваемость –  комплексная характеристика металла, характеризующая его реакцию  на физико-химическое воздействие процесса сварки и способность образовывать сварное соединение, отвечающее заданным эксплуатационным требованиям.

Основные критерии свариваемости  следующие:

1)окисляемость металла при сварке, зависящая от его химической  активности;

2)сопротивляемость образованию  горячих трещин и трещин при повторных нагревах;

3)сопротивляемость образованию  холодных трещин и замедленному  разрушению;

4)чувствительность металла к  тепловому воздействию сварки, характеризуемая  его склонностью к росту зерна,  структурными и фазовыми изменениями  в шве и зоне термического влияния, изменением прочностных и пластических свойств;

5)чувствительность к образованию  пор;

6)соответствие свойств сварного  соединения эксплуатационным требованиям;  к таким свойствам относятся:  прочность, пластичность, выносливость, ползучесть, вязкость, жаростойкость и жаропрочность, коррозионная стойкость и др.

Различают физическую и технологическую  свариваемость. Под физической свариваемостью понимают способность металлов образовывать в результате сварки каким-либо способом монолитные соединения с химической связью. Технологическая свариваемость – технико-экономический показатель. Она характеризует возможность получения сварного соединения требуемого качества, удовлетворяющего требованиям надежности конструкции при эксплуатации, с применением существующего оборудования при наименьших затратах труда и времени. Технологическая свариваемость определяется совокупностью свойств основного металла, характеризующих его реакцию на термодеформационный цикл сварки. Кроме того, она зависит от способа и режима сварки, свойств присадочного металла, применяемых флюсов, электродных покрытий и защитных газон, от конструктивных особенностей свариваемого изделия и условий его последующей эксплуатации.

1.3.3.2.2 Общие положения теории  кристаллизации

Кристаллизация - переход из жидкой в твердую фазу – состоит из двух элементарных одновременно протекающих процессов:

1) образования зародышей, или центров кристаллизации;

2) роста кристаллитов из этих центров.

В зависимости от способа образования  зародышей различают два вида кристаллизации:

1) гомогенная. В чистом от примесей жидком металле при охлаждении зародыши образуются из наиболее крупных фазовых флуктуаций жидкой фазы, выделение которых связано с флуктуациями энергии;

2) гетерогенная. В техническом металле всегда имеются дисперсные включения, на поверхности которых и образование центров кристаллизации.

Движущая сила кристаллизации любого типа – разный характер изменения  свободной энергии металла в  твердом и жидком состоянии в  зависимости от температуры (рис. 21). При температуре выше некоторой критической (температуре плавления Т_пл) меньшей свободной энергией обладает вещество в жидком состоянии, а при температуре ниже температуры плавления более устойчиво вещество в твердом состоянии.

Температура Т_пл , при которой равновесно как твердое, так и жидкое состояние, есть равновесная, или теоретическая температура кристаллизации. Затвердевания металла при этой температуре еще не происходит. Для кристаллизации необходимо образование зародышей и их рост в результате присоединения частиц контактирующей с ними жидкости. Это достигается при температуре ниже критической, т.е. при переохлаждении. Температура Т_ф.к. , при которой практически начинается кристаллизация, называется фактической температурой кристаллизации. Степенью переохлаждения называют разницу между Т_пл и Т_ф.к.. В результате кристаллизации выделяется некоторая энергия – теплота кристаллизации, численно равная скрытой теплоте плавления. Эта теплота отводится через границу раздела фаз в более холодное твердое тело. Поверхность раздела фаз при гомогенном механизме кристаллизации создает энергетический барьер , для преодоления которого необходима флуктуация энергии ΔF_к. поэтому энергетически более выгодно возникновение новых зародышей твердой фазы преимущественно на готовых межфазных поверхностях .

Такими поверхностями при гетерогенной кристаллизации могут быть поверхности  твердых частиц, всегда существующие в технических расплавах. Наилучшие  очаги гетерогенной кристаллизации – частицы или поверхности  того же металла, что и расплав. В условиях сварочной ванны – это зерна основного металла, ограничивающие сварочную ванну. Оплавленные зерна основного металла становятся зародышевыми центрами кристаллизации, из которых начинают расти первичные кристаллы шва. Они растут нормально к поверхности охлаждения вглубь жидкого металла ванны, в направлении, обратном теплоотводу (рис. 22). На кристаллизацию расплавленного металла сварочной ванны оказывают воздействие следующие условия:

1) наличие в ванне центров кристаллизации в виде зерен основного металла на границе сплавления;

2) одновременный с кристаллизацией ввод теплоты в сварочную ванну движущимся источником сварочной энергии, скорость движения которого определяет скорость движения фронта кристаллизации;

3) малый объем и непродолжительность существования сварочной ванны, большая средняя скорость роста кристаллитов;

4) значительный градиент температуры в ванне, большой перегрев металла в центре шва;

5) интенсивное перемешивание металла ванны;

6) воздействие на кристаллизующийся металл термодеформационного цикла сварки.

В кристаллизации сплавов существенную роль играют диффузионные процессы и степень переохлаждения. Процесс образования зародыша сопровождается разделительной диффузией в жидкой фазе (на межфазной границе), выравнивающей диффузией в твердой фазе, а в ряде случаев – конвективными потоками в жидкости, также выравнивающими ее состав. При умеренном переохлаждении образование зародыша в сплаве происходит в условиях установления равновесной разности концентраций примеси в твердой и жидкой фазах (в соответствии с диаграммой состояния). Вследствие разности концентраций растворенного элемента в твердой и окружающей ее жидкой фазе равновесие может нарушаться (из-за диффузионных процессов). Растворенный элемент будет перемещаться вглубь жидкости, а соответствующая часть атомов основного металла для восстановления равновесия перейдет из жидкой фазы в твердую, что приведет к дальнейшему развитию кристаллизации. Такая кристаллизация называется избирательной, или диффузионной. Если диффузия в твердой и жидкой фазе завершится не полностью (при ускоренном охлаждении расплава), то кристаллизацию называют неравновесной. В условиях, когда не успевает пройти диффузия в твердой фазе, среднее содержание примеси в твердой фазе больше равновесного.

При значительном переохлаждении (очень большая скорость охлаждения) механизм кристаллизации иной. Твердая  фаза интенсивно растет в результате присоединения любых атомов, находящихся  с ней в контакте – и атомов металла, и атомов примеси. Такую кристаллизацию называют бездиффузионной. Еще одна особенность кристаллизации сплавов – влияние градиента концентрации растворенного элемента в слое переохлажденного металла, контактирующего с твердой фазой, на температуру плавления Tпл . При  кристаллизации сплавов происходит диффузионное перераспределение примесей между жидкой и твердой фазами. Переохлаждение, связанное с перераспределением примесей, принято называть концентрационным переохлаждением. Увеличение концентрации примеси перед фронтом кристаллизации приводит к уменьшению температуры ликвидуса (рис. 23). При этом возникает область концентрационного переохлаждения ΔT, поскольку из-за изменения состава 1 этого слоя меняется и температура кристаллизации 2. Фактическая температура расплава 3, зависящая от сложившихся температурных условий кристаллизации, ниже равновесной температуры 2, что вызывает переохлаждение 4 и обеспечивает возможность кристаллизации. Протяженность участка концентрационного переохлаждения δ зависит от скорости кристаллизации и интенсивности протекания диффузионных процессов в жидкой фазе: