ПЕРЕЧЕНЬ ЛИСТОВ ГРАФИЧЕСКИХ ДОКУМЕНТОВ 8
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ 9
ВВЕДЕНИЕ 10
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ВЛИЯНИИ СТРУКТУРНОГО СОСТАВА МЕТАЛЛА НА СВОЙСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ СТАЛЕЙ 16
1.1 Свойства среднелегированных высокопрочных сталей, используемых в
производстве корпусов спецтехники 16
1.1.1 Влияние легирующих элементов на кинетику фазовых превращений и
изменение механических свойств сталей 23
1.1.2 Влияние легирующих элементов на склонность к росту переохлажденного аустенитного зерна 34
1.2 Влияние термического цикла сварки на формирование структуры и свойств сварных соединений 37
1.2.1 Влияние температуры сварочного цикла на формирование структуры в
ЗТВ 43
1.2.2 Влияние скорости охлаждения на изменение структуры и свойств сварных соединений высокопрочных сталей 45
1.3 Механические свойства и трещиностойкость сварных соединений среднелегированных высокопрочных сталей 47
1.3.1 Основные факторы, влияющие на образование холодных трещин при
сварке высокопрочных сталей 47
1.3.2 Оценка склонности высокопрочных сталей к образованию
кристаллизационных трещин 56
1.3.3 Основные механизмы упрочнения сталей 59
1.3.4 Механические испытания 63
1.3.5 Методы расчетной оценки механических характеристик сварных
соединений и ЗТВ 69
ВЫВОДЫ 71
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 73
2.1 Исследуемые материалы 74
2.1.1 Анализ химического состава порошковой проволоки 78
2.2 Расчет основных параметров режима наплавки 81
2.2.1 Расчет химического состава и структурно-фазового состава
наплавленного металла 86
2.2.2 Расчет структурно-фазового состава порошковых проволок по
модернизированной методике Потака-Сагалевич 89
2.2.3 Расчет основных параметров режима сварки 95
2.2.4 Расчет химического и структурно-фазового состава металла шва
2.3 Методы исследования 103
2.3.1 Определение механических свойств сварных швов 103
2.3.2 Металлографические исследования образцов 103
ВЫВОДЫ 107
ГЛАВА 3. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ В СБОРОЧНО-СВАРОЧНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ 108
3.1 Опасные и вредные производственные факторы при сварке 108
3.2 Системы вентиляции в сборочно-сварочных цехах 110
3.3 Средства индивидуальной защиты рабочих-сварщиков 111
3.4 Защита от поражения электрическим током 112
ВЫВОДЫ 113
ГЛАВА 4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА 114
ВЫВОДЫ 116
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 117
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 118
ПРИЛОЖЕНИЕ А 130
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 131
ПРИЛОЖЕНИЕ В 132
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 133
ПРИЛОЖЕНИЕ Д 134
ПРИЛОЖЕНИЕ Е 135
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж 136
ПРИЛОЖЕНИЕ И 137
ПРИЛОЖЕНИЕ К 138
На сегодняшний день активно развиваются средства защиты экипажа легкобронированной техники от поражения стрелковым оружием, разрабатываются новые марки сталей с повышенными показателями противопульной стойкости, которые обеспечивают снижение металлоемкости конструкций при одновременном повышении тактико-технических характеристик изделия.
Существенной проблемой в корпусном производстве легкобронированной техники является сварка новых высокопрочных и ультравысокопрочных броневых сталей. По своему классу броневые стали относятся, как правило, к среднелегированным высокопрочным сталям мартенситного и мартенситно-бейнитного класса. Броневые стали в сравнении с обычными низкоуглеродистыми и низколегированными требуют специфического подхода к изготовлению сварных конструкций. Основной сложностью при сварке (наплавке) данных сталей является высокая склонность МШ и ЗТВ к появлению холодных и горячих (кристаллизационных) трещин, а также образование структур, которые снижают сопротивляемость сварных соединений хрупкому разрушению.
Ухудшает свариваемость такой фактор, как состояние поставки броневых сталей. Как правило, листы поставляются в термообработанном состоянии (улучшение - закалка + низкотемпературный отпуск, структура - реечный мартенсит + карбиды) и имеют твердость HRC43-51. Ряд новых ультравысокопрочных броневых сталей (сталь 44, 44С-Св-ш), разработанных в НИИ стали, имеют твердость в состоянии поставки HRC55-57. Такая высокая твердость при сварке аустенитным металлом приводит к напряжениям в ЗТВ из-за разных теплофизических свойств МШ и ОШЗ, что может, в итоге, привести к образованию ХТ в виде отколов.
Использование сварочного материала феррито-перлитного класса позволяет избежать появления трещин в МШ и ОШЗ, однако после сварки для
снижения склонности к трещинообразованию рекомендуется термическая обработка всего изделия (низкотемпературный отпуск). Нередко термическая обработка в корпусном производстве не осуществима по причине необходимости создания энергоёмких больших печей для отпуска, а также сжатые сроки между окончанием сварки и термообработкой для исключения образования ХТ. При этом достичь равнопрочности МШ и ОМ не представляется возможным.
Для исключения возможности появления ХТ в наплавленном слое применяют следующие технологические мероприятия:
-уменьшение доли участия ОМ в МШ за счет снижения величины погонной энергии (q/v)и выполнение разделки кромок даже для деталей относительно небольшой толщины в разумных пределах (чем больше объём сварочной ванны, тем выше вероятность кристаллизационных трещин и значительнее коробление и деформации);
-регулирование скорости охлаждения металла за счет предварительного и сопутствующего подогрева и величины погонной энергии позволяет получить более благоприятный СТЦ, что, в свою очередь, повышает стойкость МШ против образования ХТ;
-ограничение количества хрупких закаливающих структур (мартенсит) в МШ и ОШЗ, которые образуются при высоких скоростях охлаждения и вызывают значительные внутренние напряжения и даже трещины в наплавленном металле;
-концентрация диффузионного водорода в МШ и ЗТВ не должно превышать Нд = 1-6 мл./100 гр., что гарантирует отсутствие трещин в наплавленном металле;
-исключить жесткое закрепление конструкции при сварке;
-термическая обработка (низкотемпературный отпуск при температуре 270±10 0С) позволяет существенно уменьшить внутренние напряжения до 70¬85 %.
Эффективным способом трещинообразованию является такой технологический прием, как предварительный подогрев.
Предварительный подогрев (ИИ) позволяет снизить количество образовавшихся закалочных структур в МШ и ЗТВ, которые резко снижают сопротивляемость сварных соединений хрупкому разрушению. При сварке высокопрочных броневых сталей предварительный подогрев рекомендуется делать до 100-150 0С для выполнения первого прохода (последующие проходы выполняются без подогрева), что связано c склонностью к росту аустенитного зерна. С повышением температуры предварительного подогрева увеличивается время пребывания металла шва выше температуры 900 ОС (t900),что приводит к интенсивной коагуляции и гомогенизации аустенитного зерна. Длительное пребывание металла выше температуры Ас3 способствует образованию крупнозернистого аустенита, который при распаде образует крупноигольчатый мартенсит с низкими пластическими характеристиками.
Более эффективным способом снижения склонности к ХТ является сопутствующий подогрев (СП), который позволяет снизить скорость охлаждения в области бездиффузионного мартенситного превращения (Ш300). Снижение скорости охлаждения мартенситного превращения приводит к самоотпуску мартенсита, что благоприятно влияет на снижение склонности к ХТ в МШ и особенно в ЗТВ. При всех преимуществах ПП и СП, использование данного технологического приема для снижения склонности МШ и ОШЗ к образованию ХТ приводит к ухудшению условий работы сварщика, требует дополнительных затрат и значительно удлиняет технологический процесс изготовления изделия, что, в свою очередь, делает нецелесообразным использовать предварительный и сопутствующий подогрев в серийном корпусном производстве.
Другой существенной проблемой при сварке данных сталей является получение механических свойств МШ и ОШЗ аналогичных или близких ОМ.
Решением проблемы свариваемости высокопрочных среднелегированных сталей и повышение механических свойств МШ и ОШЗ должно основываться на подборе оптимальных термических циклов сварки и правильном выборе сварочных материалов.
Выбор сварочных материалов должен основывается исходя из технологии сварки, используемой в корпусном производстве. Учитывая сложную конструктивную форму корпусных изделий с использование листового проката, штампованных, листовых заготовок и литейных деталей, в серийном производстве наибольшее распространения получила ручная дуговая сварка, механизированная и автоматическая сварка в среде защитных газов. Стоит отметить, механизированные способы имеют наибольшую долю в корпусном производстве, что обусловлено высокой мобильностью и универсальностью данного способа сварки, позволяющего выполнять сварные швы в различных пространственных положениях.
В последнее время проблема сварки корпусов решается путем внедрения гибкой автоматизации на базе промышленных роботов (ПР) для электродуговой сварки в защитных газах. С целью повышения производительности находит применение роботизированная двухдуговая сварка в общую ванну (TWIN)плавящимся электродом в защитных газах с использованием оптимального СТЦ. На предприятии АО «Уралтрансмаш» разработана технология тандемной двухдуговой сварки в защитных газах высокопрочных сталей с регулируемым СТЦ. За счет регулирования режимов сварки ведущей и ведомой дугах и изменения расстояния между ведущей и ведомой дугах удается получить термический цикл сварки, близкий к «идеальному».
Цель работы
Целью данной диссертационной работы является анализ свариваемости и разработка технологии сварки среднелегированных высокопрочных (броневых) сталей с обеспечением более высоких механических характеристик сварных швов по сравнению с используемой в настоящее время технологии, а также общее повышение производительности и технологичности процесса.
Научная новизна
1. Проанализирована свариваемость высокопрочных среднелегированных сталей, используемых в промышленности, выявлены основные причины появления трещин при сварке броневых сталей, предложены методы борьбы с данными дефектами.
2. Выполнен сравнительный анализ имеющихся технологий по сварке высокопрочных сталей, выявлены недостатки и достоинства каждой технологии.
3. Разработана новая технология по сварке высокопрочных среднелегированных сталей для спецтехники, которая в отличие от существующей технологии позволяет повысить механические свойства металла шва и исключить необходимость выполнения такой дорогостоящей технологической операции, как термическая обработка.
Практическая значимость
Высокопрочные среднелегированные стали широко используются в различных отраслях промышленности, в частности в машиностроении. Данные стали применяются в производстве легкобронированной спецтехники, к которым предъявляются высокие требования по тактико-техническим и эксплуатационным показателям. Свариваемость сталей данного класса является актуальной проблемой, решение которой до сих пор до конца не найдена. Автор данной работы рассмотрел имеющие технологии по сварке высокопрочных сталей и разработал собственную технологию с учетом ряда технологических сложностей, встречающихся в серийном корпусном производстве.
Основные положения, выносимые на защиту:
-характеристики основных марок отечественных и зарубежных высокопрочных сталей для спецтехники;
-химический состав сварочных материалов, используемых в настоящее время, их типичные механические характеристики и предъявляемые требования к сварным швам с целью повышения тактико-технических и эксплуатационных характеристик корпусов спецтехники;
-химический состав опытных образцов порошковых проволок, геометрические характеристики наплавленных валиков;
-исследования состава разработанных порошковых проволок по методу валиковой пробы;
-результаты металлографического исследования структурного состава наплавленного металла, зоны сплавления и ЗТВ;
-результаты расчетов структурно-фазового состава по модернизированной методике диаграммы Потака-Сагалевич;
-предлагаемая технология сварки корпусов спецтехники.
Публикации
По результатам выполненных исследований будет направлена в печать рукопись научной статьи в журнал «Сварка и диагностика».
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов по каждой главе, общих выводов по работе, библиографического списка из 118 наименований. Работа изложена на 138 страницах машинописного текста, включает 25 рисунков, 7 таблиц.
1. В ходе проведения данной работы были проанализированы основные пути решения проблемы свариваемости высокопрочных сталей, используемые в настоящее время в серийном корпусном производстве, выяснены преимущества и недостатки используемых технологий сварки высокопрочных броневых сталей.
2. Выявлена возможность получения бездефектных сварных соединений при использовании разработанных сварочных материалов.
3. Установлено, что дефектов в виде трещин на линии сплавления и в ЗТВ при металлографическом исследовании микрошлифов не было обнаружено.
4. Разработана порошковая проволока с системой легирования Fe-Cr- Mn-N,содержащая до 0,3 мас. % азота, позволяющая получить аустенитную структуру в металле шва.
5. Разработанная порошковая проволока с системой легирования Fe-Cr- Mn-Nпозволяет повысить механические свойства сварных швов по сравнению с используемыми в настоящее время сварочными проволоками феррито-перлитного или аустенитного класса.
6. Предложена технология сварки высокопрочных сталей, позволяющая получать высокие механические характеристики сварных швов без использования предварительного и (или) сопутствующего подогрева и полной термообработки.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
