ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина» - 70 лет
УДК 621.791.753.5:621.774.21
ВЗАИМОСВЯЗЬ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ С МОРФОЛОГИЕЙ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ВИДЫ СВАРКИ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ТОЛСТОСТЕННЫМ ЭЛЕКТРОСВАРНЫМ ТРУБАМ
© Величко Александр Алексеевич1; Борцов Александр Николаевич2, канд. техн. наук; Шабалов Иван Павлович2, д-р техн. наук; Франтов Игорь Иванович2, канд. техн. наук; Уткин Иван Юрьевич2
1 ЗАО «Ижорский трубный завод». Россия, Санкт-Петербург, Колпино. E-mail: AA.Velichko@itz.severstal.com 2ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина». Россия, Москва. E-mail: Bortsov55@yandex.ru Статья поступила 14.03.2014 г.
Увеличение толщины стенки труб большого диаметра требует повышения тепловложений при сварке продольного шва, что снижает скорость охлаждения зоны термического влияния (ЗТВ) и надежность сварного соединения. Изучение морфологии строения ЗТВ показало ее неоднородность. Наиболее критический участок ЗТВ находится на % высоты наружного шва, что связано с наиболее низкой скоростью охлаждения при сварке. Разработаны расчетные формулы для определения скорости различных областей ЗТВ. Сканирующие измерения твердости сварного соединения обнаружили область разупрочнения ЗТВ, обусловленную нагревом части ее при сварке в интервале межкритических температур. Проведены промышленные эксперименты с применением лазерно-дуговой и последующей многодуговой сварки под флюсом. Показано, что применение гибридной технологии сварки позволяет существенно снизить тепловложения при сварке толстостенных труб.
Ключевые слова: трубы большого диаметра; многодуговая сварка под флюсом; лазерно-дуговая сварка; тепловложение; зона термического влияния; расчет скорости охлаждения при сварке.
Тепловложение при сварке является основополагающим параметром сварки и в итоге определяет как поведение металла в зоне термического влияния (ЗТВ), так и его реакцию на термические циклы при охлаждении после сварки.
Работа выполнена в продолжение исследований [1], где при анализе параметров технологии сварки труб большого диаметра (ТБД) в ЗАО «ИТЗ» было показано, что между тепловложени-ем и толщиной стенки трубы при выполнении как внутреннего, так и наружного швов существует однозначная взаимосвязь. Определенная экспериментально взаимосвязь носит линейный характер как для наружного, так и для внутреннего шва и описывается следующими уравнениями:
Ен = 1,986 + 4,0, (1)
Ев = 1,926 - 0,5, (2)
где Ен, Ев - тепловложения соответственно для наружного и внутреннего швов, кДж/см*1; 6 -толщина стенки трубы, мм. Коэффициенты корреляции для обоих уравнений не менее 0,99.
Аналогичные результаты были получены и при анализе режимов сварки на других российских производствах электросварных прямошов-ных труб большого диаметра.
В основе расчета и моделирования процессов, происходящих в сварном соединении, лежат решения дифференциального уравнения теплопроводности Лапласа [2], которое связывает удельный тепловой поток, характеризующий передачу тепла, с распределением температуры в теле трубы
AT т X Л2Т d2Т d2Т
-= W =— (-Y+-2+-2
d t с d# dу d z
>
(3)
где Т - температура в точке тела; £ - время; Ж -скорость охлаждения; X - коэффициент теплопроводности; су - объемная теплоемкость.
Решения уравнения (3) в зависимости от уровня тепловложений существенно отличаются для различных видов сварки:
- с использованием маломощного теплового источника (тепловложение <2 кДж/мм) - про-
п Тепловложение в ЗАО «ИТЗ» считают в кДж/см, в общепринятой международной практике Е принято измерять в кДж/мм.
странственныи тепловой поток
(т-т0)
2 (Г-Г)2
= 2кХ-
(4)
^/и) Е
- многодуговая сварка под флюсом в одну ванну с большой суммарной мощностью (тепло-вложение >3 кДж/мм) - двумерный тепловой поток
(т-т0)3 _
- 2пХс,
СТ-Т0)3
(5)
(Ч/о8)2 у (£8)2 '
где Т0 - температура металла перед сваркой, q -эффективная тепловая мощность сварочного источника; и - скорость сварки.
В качестве базового параметра, определяющего свойства сварного соединения, приняли значение скорости охлаждения ^8/5 в интервале температур 800-500 °С [4].
Отличие уравнений (4) и (5) заключается в том, что при сварке с малыми тепловложениями (не более 2 кДж/мм) скорость охлаждения металла ЗТВ W8/5 не зависит от толщины свариваемого металла, а для сварки с большими тепловложени-ями (не менее 3 кДж/мм) скорость охлаждения зависит от толщины свариваемого металла.
Средняя скорость охлаждения в интервале 800-500 °С, полученная стандартным путем*2 из формул (4) и (5), описывается уравнениями (6) и (7):
2пк (800-Т0)3 -(500 -Т0)3
8/5
= К,
3(500-800) (800-Т0)3 -(500-Т0)3
(6)
(Е/8)
(7)
^ = пХсу (800-Т0) -(500-Т0) 8/5 2(500-800) = (800-Г0)4-(500-Г0)4 2 (Е/8)2
На сварных соединениях труб различного сортамента производства ЗАО «ИТЗ» изучали морфологию сварного соединения посредством измерения параметров ЗТВ. В зарубежной и отечественной литературе данные об измерении количественных и морфологических параметров сварных соединений практически отсутствуют. Измерения проводили в точке максимальной ширины ЗТВ Дмакс, которая приходится примерно на середину высоты наружного шва, и в точке мини-
Рис. 1. Морфология металла ЗТВ продольных швов труб большого диаметра: а - труба К65, толщиной 34,6 мм; б - труба К60 толщиной 26 мм
7 -6 -5 -4 -
< «
Н
со ев
I
8 3 _ Ср 3 8
Э 2Н 1 -0
23456789 Тепловложение Е, кДж/см
Рис. 2. Ширина ЗТВ наружного шва в зависимости от уровня тепловложений при сварке, обеспечивающих требуемое проплавление и геометрическую форму металла сварного шва (Амакс - ширина ЗТВ в области % по высоте наружного шва, Амин - в корневой области или в верхней части сварного соединения)
мальной ширины ЗТВ, расположенной в области корневой части наружного шва (рис. 1)*3.
При анализе результатов, представленных на рис. 2, авторами было сделано допущение, что ширина зоны термического влияния Д пропорциональна скорости охлаждения металла ЗТВ, а различие Д по высоте поперечного сечения сварного соединения означает и различие в скорости охлаждения W8/5. Таким образом, в промышленных условиях при сварке труб с различной толщиной стенки при обеспечении условия формирования шва требуемой геометрии скорость охлаждения в корневой области ЗТВ и в верхней части шва не зависит от толщины стенки трубы и может определяться уравнением (7). Расчет по этому уравнению также показывает, что скорость
! Среднее значение функции/хв интервале а-Ь определяется выражением /
3 Ширина ЗТВ в корневой и верхней части шва примерно равны.
(а-Ь) сред
(■Ь~а)
ИМ
8
охлаждения 1^815 практически не зависит от толщины свариваемого металла в промышленных условиях, и формулу (7) можно использовать для расчета скорости охлаждения ЗТВ в корневой или в поверхностной зонах шва. Для области % по высоте наружного шва скорость охлаждения ЗТВ снижается по мере увеличения толщины стенки труб, что было показано в экспериментах по замеру ^8|5 при сварке труб с толщиной стенки 33,4 и 27,7 мм в области % по высоте наружного шва, где было установлено значимое повышение с 6 до 8 °С|с соответственно [1].
Поскольку формула (7) не отражает снижения скорости охлаждения с увеличением толщины свариваемого металла, то для ЗТВ в области % по высоте наружного шва ее адаптировали следующим образом:
^8/5
(800-Г0)4-(500-Г0)4 Е2/ б
(8)
Для определения коэффициента К2 в уравнении (7) сделали допущение, что в промышленных условиях сварки при толщине стенки труб 3035 мм отношение скорости охлаждения в корневой части шва к W8|5 в области % по его высоте прямо
пропорционально отношению
с 1Д м
Таким
образом, для толщины порядка 30 мм скорость охлаждения в корневой части шва будет примерно в 2,3 раза выше, чем в области % по его высоте.
На основе анализа и экспериментов по замерам термических циклов при сварке массивных образцов были получены значения коэффициентов в формулах (7) и (8):
К = 1,5-10-12 (°С-мм)4|кДж2;
К = 2Д.10-11 (°С4-мм2)|кДж2.
Из полученных данных следует, что по мере увеличения толщины стенки тру- 16 бы наиболее проблематичной с точки зрения обеспечения механических свойств сварного соединения является область ЗТВ, приходящаяся на % по высоте наружного шва.
Анализ уравнений (7) и (8) применительно к двух-проходной сварке
для наружного шва показал, что при повышении температуры металла перед сваркой до 100 °С скорость охлаждения ЗТВ в обеих областях снижается одинаково вне зависимости от толщины стенки примерно на 50%. В то же время при толщине свариваемого металла около 30 мм скорость охлаждения корневой части шва при температуре металла перед сваркой 100 °С будет выше, чем скорость охлаждения в области % по высоте шва для сварки при 20 °С.
Уравнение (8) описывает изменение скорости охлаждения в наиболее критичной области ЗТВ, расположенной примерно посередине высоты наружного шва. Эффект снижения скорости в срединной области ЗТВ можно объяснить тем, что направления полей отвода тепла в этой области ограничены [5], а кристаллизация ванны расплава шва заканчивается именно в этой области, т.е. источник тепла по мере кристаллизации ванны расплава смещается от поверхности к центру сварного шва. В отличие от области ЗТВ % по высоте шва в поверхностной области ЗТВ значительная часть тепла расходуется на расплавление флюса, а в корневой зоне с учетом выполненного внутреннего шва угол между плоскостями, ограничивающими распространение тепла, составляет более 180°, что в соответствии с данными работы [3] существенно повышает скорость охлаждения. На рис. 3 представлены описанные зависимости. Линия пересечения 1 кривых для различной толщины стенки соответствует расчетным значениям тепловложений, полученных по выражению (1).
Полученные данные иллюстрируют технологические ограничения существующей технологии многодуговой сварки под флюсом в одну ванну: по мере увеличения толщины стенки трубы с 20
14 -5 12 -10 -8 -6 -4 -
4 5 6 7 Тепловложение Е, кДж/мм
4567 Тепловложение Е, кДж/мм
Рис. 3. Зависимость скорости охлаждения ЗТВ W8|5 от тепловложения Е в корневой области шва (а) и на % по высоте шва ЗТВ (б) при формировании наружного шва многоэлектр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.