Оценка напряженно- деформированного состояния разнородных сварных соединений сталей 10Х13Г18Д+09Г2С
Рассмотрены особенности определения остаточных сварочных напряжений на натурных образцах из разнородных сталей 10Х13Г18Д+09Г2С. Установлена зависимость размера зоны пластических деформаций и продольных остаточных сварочных напряжений от используемых технологий сварки в защитных газах, режимов, пого...
Збережено в:
| Дата: | 2010 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2010
|
| Назва видання: | Автоматическая сварка |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101726 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Оценка напряженно-деформированного состояния разнородных сварных соединений сталей 10Х13Г18Д+09Г2С / А.И. Гедрович, С.А. Ткаченко, И.А. Гальцов // Автоматическая сварка. — 2010. — № 7 (687). — С. 29-32. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-101726 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1017262025-02-09T14:12:09Z Оценка напряженно- деформированного состояния разнородных сварных соединений сталей 10Х13Г18Д+09Г2С Evaluation of stressstrain state of dissimilar welded joints of steels 10Kh13G18D+09G2S Гедрович, А.И. Ткаченко, С.А. Гальцов, И.А. Научно-технический раздел Рассмотрены особенности определения остаточных сварочных напряжений на натурных образцах из разнородных сталей 10Х13Г18Д+09Г2С. Установлена зависимость размера зоны пластических деформаций и продольных остаточных сварочных напряжений от используемых технологий сварки в защитных газах, режимов, погонных энергий. Подтверждено положительное влияние технологии холодного переноса металла (СМТ) на величину остаточных напряжений и размеры зон пластической деформации в соединениях разнородных сталей. A method is proposed, and features of determination of residual welding stresses on full-scale samples from 10Kh13G18D+09G2S dissimilar steels are considered. A dependence is established between the size of the zone of plastic deformations and longitudinal residual welding stresses on the applied technologies of gas-shielded welding, modes, and heat inputs. Positive influence of the technology of cold metal transfer on residual stresses and dimensions of plastic deformation zones in dissimilar steel joints is confirmed. 2010 Article Оценка напряженно-деформированного состояния разнородных сварных соединений сталей 10Х13Г18Д+09Г2С / А.И. Гедрович, С.А. Ткаченко, И.А. Гальцов // Автоматическая сварка. — 2010. — № 7 (687). — С. 29-32. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101726 621.791:669-419 ru Автоматическая сварка application/pdf Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел |
| spellingShingle |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел Гедрович, А.И. Ткаченко, С.А. Гальцов, И.А. Оценка напряженно- деформированного состояния разнородных сварных соединений сталей 10Х13Г18Д+09Г2С Автоматическая сварка |
| description |
Рассмотрены особенности определения остаточных сварочных напряжений на натурных образцах из разнородных
сталей 10Х13Г18Д+09Г2С. Установлена зависимость размера зоны пластических деформаций и продольных остаточных сварочных напряжений от используемых технологий сварки в защитных газах, режимов, погонных энергий.
Подтверждено положительное влияние технологии холодного переноса металла (СМТ) на величину остаточных
напряжений и размеры зон пластической деформации в соединениях разнородных сталей. |
| format |
Article |
| author |
Гедрович, А.И. Ткаченко, С.А. Гальцов, И.А. |
| author_facet |
Гедрович, А.И. Ткаченко, С.А. Гальцов, И.А. |
| author_sort |
Гедрович, А.И. |
| title |
Оценка напряженно- деформированного состояния разнородных сварных соединений сталей 10Х13Г18Д+09Г2С |
| title_short |
Оценка напряженно- деформированного состояния разнородных сварных соединений сталей 10Х13Г18Д+09Г2С |
| title_full |
Оценка напряженно- деформированного состояния разнородных сварных соединений сталей 10Х13Г18Д+09Г2С |
| title_fullStr |
Оценка напряженно- деформированного состояния разнородных сварных соединений сталей 10Х13Г18Д+09Г2С |
| title_full_unstemmed |
Оценка напряженно- деформированного состояния разнородных сварных соединений сталей 10Х13Г18Д+09Г2С |
| title_sort |
оценка напряженно- деформированного состояния разнородных сварных соединений сталей 10х13г18д+09г2с |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2010 |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101726 |
| citation_txt |
Оценка напряженно-деформированного состояния разнородных сварных соединений
сталей 10Х13Г18Д+09Г2С / А.И. Гедрович, С.А. Ткаченко, И.А. Гальцов // Автоматическая сварка. — 2010. — № 7 (687). — С. 29-32. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| series |
Автоматическая сварка |
| work_keys_str_mv |
AT gedrovičai ocenkanaprâžennodeformirovannogosostoâniâraznorodnyhsvarnyhsoedinenijstalej10h13g18d09g2s AT tkačenkosa ocenkanaprâžennodeformirovannogosostoâniâraznorodnyhsvarnyhsoedinenijstalej10h13g18d09g2s AT galʹcovia ocenkanaprâžennodeformirovannogosostoâniâraznorodnyhsvarnyhsoedinenijstalej10h13g18d09g2s AT gedrovičai evaluationofstressstrainstateofdissimilarweldedjointsofsteels10kh13g18d09g2s AT tkačenkosa evaluationofstressstrainstateofdissimilarweldedjointsofsteels10kh13g18d09g2s AT galʹcovia evaluationofstressstrainstateofdissimilarweldedjointsofsteels10kh13g18d09g2s |
| first_indexed |
2025-11-26T16:23:18Z |
| last_indexed |
2025-11-26T16:23:18Z |
| _version_ |
1849870741548302336 |
| fulltext |
УДК 621.791:669-419
ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО
СОСТОЯНИЯ РАЗНОРОДНЫХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
СТАЛЕЙ 10Х13Г18Д+09Г2С
А. И. ГЕДРОВИЧ, д-р техн. наук, С. А. ТКАЧЕНКО, инж. (Восточноукр. гос. ун-т им. В. Даля),
И. А. ГАЛЬЦОВ, канд. техн. наук (Луган. нац. аграр. ун-т)
Рассмотрены особенности определения остаточных сварочных напряжений на натурных образцах из разнородных
сталей 10Х13Г18Д+09Г2С. Установлена зависимость размера зоны пластических деформаций и продольных оста-
точных сварочных напряжений от используемых технологий сварки в защитных газах, режимов, погонных энергий.
Подтверждено положительное влияние технологии холодного переноса металла (СМТ) на величину остаточных
напряжений и размеры зон пластической деформации в соединениях разнородных сталей.
К л ю ч е в ы е с л о в а : остаточные напряжения, режимы
сварки, погонная энергия, сварные швы, околошовная зона,
зона пластической деформации, магнитные свойства
Эксплуатируемые в настоящее время в Украине
и странах СНГ вагоны дизель- и электропоездов
имеют двухдверное исполнение, длину вагонов
до 21,5 м, максимальную вместимость до 240 чел.
Кузова вагонов выполнены из низкоуглеродистых
и низколегированных сталей в виде листового,
сортового, фасонного проката (в том числе хо-
лодногнутых профилей) и стальных отливок, от-
дельные элементы которых, как показывает ста-
тистика, из-за большой коррозии требуют ремонта
или замены уже через 5-6 лет эксплуатации [1].
Важнейшим направлением развития конструк-
ции электро- и дизельпоездов данного типа является
максимальное снижение массы конструкции при
сохранении или увеличении количества посадочных
мест с одновременным обеспечением необходимых
технических требований [2]. Детали и узлы вагонов
при эксплуатации, наряду с многочисленными ме-
ханическими и знакопеременными динамическими
нагрузками, подвержены коррозии, абразивному из-
носу, температурным колебаниям.
На основании опыта эксплуатации и экспери-
ментально-теоретических исследований ВНИ-
ИЖТ и ВНИИВ рекомендуют стали для вагонос-
троения, имеющие следующие механические ха-
рактеристики: σв = 500…550 МПа, σт = 400 МПа,
δ = 21 %. Применяемые в настоящее время низ-
коуглеродистые и низколегированные стали не со-
ответствуют указанным выше требованиям.
В мировой практике имеется опыт применения
в транспортной промышленности нержавеющих
хромоникелевых сталей аустенитного класса для
обшивки вагонов с целью достижения более про-
должительного ресурса их эксплуатации.
Для обеспечения необходимых требований и
экономии дорогостоящего никеля ЦНИИЧерме-
том им. И. П. Бардина (г. Москва, Россия) раз-
работана и рекомендована для производства ва-
гонов нержавеющая безникелевая сталь марки
10Х13Г18Д [3] вместо сталей 12Х18Н10Т,
08Х18Н10. Эта сталь отличается высокой плас-
тичностью при штамповке и кавитационной стой-
костью, поэтому ее целесообразно применять для
обшивки кузова, а более дешевые низколегиро-
ванные стали 09Г2С повышенной прочности —
для каркасных элементов кузовных конструкций
вагонов. Применение стали 09Г2С для каркасных
элементов кузова позволяет уменьшить толщину
деталей с 3,0…8,0 до 2,5…7,0 мм, а использование
нержавеющей стали 10Х13Г18Д в холоднодефор-
мированном состоянии — толщину обшивки с 2,5
до 1,5 мм. В результате ожидается, что при зна-
чительном увеличении габаритов вагона масса ос-
танется неизменной, а его срок службы увеличится.
Известно, что работоспособность сварных кон-
струкций в значительной мере зависит от термо-
механических процессов, происходящих в облас-
ти сварного шва, значений пластической дефор-
мации и уровня продольных σх остаточных нап-
ряжений [4, 5], которые в сварных соединениях
могут достигать предела текучести σт сваривае-
мого металла и более, а поперечные напряжения
σн при плоском напряженном состоянии могут не
превышать 0,75σт [4]. Поэтому целью настоящей
работы является исследование закономерностей
формирования зоны пластичных деформаций и про-
дольных остаточных напряжений при сварке раз-
нородных сталей 10Х13Г18Д+09Г2С.
Работу выполняли эксприментально. Многочис-
ленными исследованиями [3–8] показано, что в ре-
зультате воздействия сварочного термодеформа-
ционного цикла в сварных соединениях и узлах об-
разуются остаточные сварочные напряжения, ко-
© А. И. Гедрович, С. А. Ткаченко, И. А. Гальцов, 2010
7/2010 29
торые при сварке низкоуглеродистых конструк-
ционных сталей могут превосходить предел те-
кучести материала, а при сварке хромомарганце-
вых коррозионностойких сталей достигать пре-
дела текучести [6]. Продольные остаточные нап-
ряжения, как правило, растягивающие, и являются
следствием различной степени пластической де-
формации при сварочном нагреве и охлаждении
[5]. При сварке конструкционных сталей (Ст3, 14Г2
и др.) закономерности их распределения в активной
зоне достаточно хорошо изучены, а пластическая де-
формация в ней достигает 1…2 % [4, 5].
Различия в формировании продольных σх ос-
таточных напряжений при сварке перлитной стали
09Г2С и аустенитной стали 10Х13Г18Д обуслов-
лены тем, что нержавеющие аустенитные стали
имеют низкий коэффициент теплопроводности,
высокий коэффициент линейного расширения и
склонны к упрочнению. Наличие пластической
деформации и полей высоких остаточных растя-
гивающих напряжений 1 рода согласно работе [6],
в области шва и околошовной зоне приводит к
распаду аустенита, т. е. фазовому превращению
и появлению α-фазы. По содержанию α-фазы в
сварном соединении можно качественно судить
о распределении остаточных сварочных напряже-
ний [6, 7] в этой зоне. В данной работе зону плас-
тических деформаций на участке сварного сое-
динения со стороны перлитной стали определяли
по полосам текучести [4], а остаточные продоль-
ные напряжения — по изменению магнитных
свойств стали (магнитной проницаемости) [5].
Для исследований использовали пластины разме-
ром 125 300 1,5 мм (сталь 10Х13Г18Д). Толщи-
на соответствовала толщине металла обшивки ва-
гона и пластины размером 125 300 2,5 мм
(7 мм) из стали 09Г2С. Большая толщина соот-
ветствовала соединениям обшивки с каркасом ку-
зова вагона. Образцы предварительно шлифовали
и полировали. Полированные образцы собирали
внахлестку и их сварку проводили полуавтома-
тами А-547У и TRS-3200 CMT (рис. 1). При этом
использовали сварочную проволоку марки Св-
08Х20Н9Г7Т диаметром 1,2 мм в среде защитных
газов (Ar + CO2) в сборочном приспособлении
«кондуктор», а также СМТ-технологию.
При сварке полуавтоматом А-547У применяли
следующий режим: I = 110…120 А; Uд = 20…21 В;
vсв = 17…22 м/ч; qсв = 3350 Дж/см; полуавтоматом
TRS-3200 CMT: I = 106 А; U = 15,9 В; vсв =
= 38,2 м/ч; qсв = 1105 Дж/см.
Зону пластических деформаций Вп2 (рис. 2,
3) на аустенитной стали 10Х13Г18Д вытравливали
после сварки реактивом Фрая, после проявления
границ зоны реактив смывали спиртом, образец
сушили, затем проводили травление реактивом
Амберга–Каллинга. После четкого проявления
границ пластической деформации образец проти-
рали спиртом и сушили [6].
Зону пластических деформаций Вп1 (рис. 2,
3) на участке сварного соединения со стороны
перлитной стали 09Г2С определяли по полосам
текучести — линиям Чернова–Людерса. Продоль-
ные остаточные напряжения σх в стали
10Х13Г18Д оценивали согласно методикам рабо-
ты [5]. Общую ширину зоны пластических де-
формаций разнородного соединения
10Х13Г18Д+09Г2С — 2Вп после травления оп-
ределяли в центральной части сварного соедине-
ния переносным бинокулярным микроскопом
МПБ-3. Погрешность измерений составила 0,025
мм. Для расчета среднего значения проводили
пять измерений. Для исключения влияния крае-
вого эффекта концевые участки длиной по 60 мм
не рассматривали. Эксперимент повторяли триж-
ды. Поэтому среднее значение зоны 2Вп опреде-
ляли по данным, полученным из 15 наблюдений.
Рис. 1. Лабораторная установка для сварки образцов разно-
родных сталей 10Х13Г18Д+09Г2С
Рис. 2. Размеры зон пластической деформации Вп1, Вп2, 2Вп
образца нахлесточного сварного соединения сталей
10Х13Г18Д (δ = 1,5 мм) + 09Г2С (2,5 мм), полученного при
сварке полуавтоматом А-547У
Рис. 3. Размеры зон пластической деформации Вп1, Вп2 об-
разца нахлесточного сварного соединения сталей 10Х13Г18Д
(δ = 1,5 мм) + 09Г2С (2,5 мм), полученного при сварке полу-
автоматом TRS-3200 CMT
30 7/2010
Ф отосъемку проводили цифровым фотоаппара-
том.
После полного остывания сварного соедине-
ния определяли распределение остаточных про-
дольных напряжений σх вдоль оси OY. В аусте-
нитной стали 10Х13Г18Д возникают растягива-
ющие напряжения, так как она имеет значительно
большее уменьшение объема по сравнению с фер-
ритно-перлитной сталью 09Г2С, а на участке фер-
ритно-перлитной стали — уравновешивающие их
напряжения сжатия (рис. 4). Поля остаточных нап-
ряжений в одно- и разнородных соединениях
близки между собой и отличаются лишь некото-
рым смещением эпюры в сторону стали с меньшей
теплопроводностью (в данном случае в сторону
аустенитной стали) (рис. 5). Эти напряжения в
большинстве случаев не могут быть сняты термо-
обработкой и создают опасность как эксплуата-
ционных разрушений, так и изменения размеров
конструкции во времени. Сравнив эпюры оста-
точных напряжений σx и размеры зоны пласти-
ческих деформаций в сварных соединениях, по-
лученных при сварке образцов полуавтоматами
А-547 и TRS-3200 CMT, можно сделать следу-
ющие выводы: на образцах из сталей 10Х13Г18Д
(δ = 1,5 мм) + 09Г2С (2,5 мм) при сварке полу-
автоматом TRS-3200 CMT наблюдается уменьше-
ние уровня растягивающих напряжений σx на
5,3 %, а размер зоны пластической деформации
2Вn — на 45,5 %; на образцах из сталей 10Х13Г18Д
(δ = 1,5 мм)+09Г2С (7 мм) при сварке полуавто-
матом TRS-3200 CMT имеет место уменьшение
уровня растягивающих напряжений σx на 5,3 %,
а размер зоны пластической деформации 2Вn —
на 21,3 %.
На основе анализа зон пластической дефор-
мации 2Вn сварного соединения 10Х13Г18Д (δ =
= 1,5 мм) и 09Г2С (2,5 мм) и эпюр остаточных
напряжений σx в образцах при сварке полуавто-
матом А-547У (рис. 4), можно выделить следу-
ющие напряженные зоны:
1 — зона сжимающих напряжений σx (около
16 мм) находится в основном металле ЗТВ (со
стороны аустенитной стали), не претерпевает при
сварке пластической деформации. Уровень мак-
симальных сжимающих напряжений –45 МПа,
среднее значение –27 МПа; 2 — зона максималь-
ных сжимающих напряжений σx (около 6 мм). Ме-
талл находится также в ЗТВ и претерпевает в про-
цессе сварочного цикла пластическую деформацию.
Уровень максимальных сжимающих напряжений –
50 МПа, среднее значение –40 МПа; 3 — зона мак-
симальных растягивающих напряжений σx. Шов и
околошовная зона (около 9 мм) со стороны аус-
тенитной стали находятся в области пластических
деформаций. Уровень максимальных растягива-
ющих напряжений 475 МПа, среднее значение
250 МПа; 4 — зона максимальных растягиваю-
щих напряжений σx. Шов и околошовная зона
(ширина около 23 мм) со стороны ферритно-пер-
литной стали находятся в области пластических
деформаций. Уровень максимальных растягива-
ющих напряжений 350 МПа, среднее значение
100 МПа; 5 — зона максимальных сжимающих
напряжений σх (около 17 мм) находится в основ-
ном металле, который подвергается в процессе
сварки пластической деформации. Уровень мак-
симальных сжимающих напряжений –270 МПа,
среднее значение –140 МПа; 6 — зона сжимающих
напряжений (около 19 мм) находится в основном ме-
талле, который не подвергается при сварке плас-
Рис. 4. Характерные напряженные зоны сварного соединения
сталей 10Х13Г18Д (δ = 1,5 мм) + 09Г2С (2,5 мм), получен-
ного при сварке полуавтоматом А-547У (1–6 — номер зоны)
Рис. 5. Эпюры остаточных напряжений σx в сварных соеди-
нениях сталей 10Х13Г18Д (δ = 1,5 мм) + 09Г2С (2,5 мм),
полученных полуавтоматом А-547У (а) и TRS-3200 CMT (б)
7/2010 31
тической деформации. Уровень максимальных
сжимающих напряжений –230 МПа, среднее зна-
чение –100 МПа.
Из анализа полученных экспериментальных
данных следует, что в зоне 3 и 4 наблюдаются
максимальные растягивающие остаточные напря-
жения, превышающие предел текучести матери-
ала (σт = 450 МПа) на 6,6 %. Зоны пластической
деформации при сварке образцов с использова-
нием полуавтомата TRS-3200 CMT идентичны
описанным выше и отличаются только размерами
зон пластической деформации и значениями нап-
ряжений.
Для подтверждения достоверности данных, по-
лученных в результате проведенных эксперимен-
тов по определению размера зон пластических де-
формаций 2Вп, которые возникают в сварных со-
единениях из разнородных сталей (10Х13Г18Д+
+09Г2С), проведен их теоретический расчет по
методу, описанному в работе [4]. За базу для рас-
чета и сравнительного анализа были взяты дан-
ные, полученные при сварке образцов полуавто-
матом А-547У и TRS-3200 CMT.
Сопоставление данных о размерах зон плас-
тических деформаций показало, что расхождение
между экспериментом и теоретическим расчетом
не превышает 5 %.
Выводы
1. Экспериментально определен размер зоны плас-
тической деформации 2Вп при сварке разнородных
сталей, которая состоит из зоны пластической де-
формации Вп1 (ЗТВ со стороны ферритоперлитной
стали) и Вп2 (ЗТВ со стороны аустенитной стали),
причем ВП1 > ВП2.
2. Установлено наличие значительных растя-
гивающих продольных напряжений σx в металле
ЗТВ со стороны аустенитной стали и сжимающих
напряжений в металле ЗТВ со стороны ферри-
тно-перлитной стали.
3. Экспериментально подтверждено преиму-
щество применения технологии СМТ для дости-
жения минимальной зоны пластических дефор-
маций в сварных соединения разнородных сталей.
1. Басов Г. Г., Голубенко А. Л., Мищенко К. П. Концепция
создания типажа современного мотор-вагонного под-
вижного состава для украинских дорог // Сб. науч. тр. по
проблемам внедрения и освоения производства в Украи-
не мотор-вагонного подвижного состава на базе унифи-
цированного прицепного вагона. — Луганск: Машиност-
роение, 2003. — С. 17–21.
2. Березницкий В. А., Сергиенко Н. И., Щербаков В. П. Ис-
пользование нержавеющих и низколегированных сталей
для вагонов дизель- и электропоездов максимальной
вместимости // Там же. — Луганск: Машиностроение,
2003. — С. 85–87.
3. Гольдштейн М. И., Грачев С. В., Векслер Ю. Г. Специ-
альные стали. — М.: Металлургия, 1985. — 408 с.
4. Гедрович А. И. Пластическая деформация при сварке. —
Луганск: Изд-во Восточноукр. гос. ун-та, 1998. — 237 с.
5. Касаткин Б. С., Прохоренко В. М., Чертов И. М. Напря-
жения и деформации при сварке. — Киев: Вища шк.,
1987. — 246 с.
6. Особенности формирования структуры и свойств зоны
сплавления стали 10Х13Г18Д / А. И. Гедрович, А. Н.
Ткаченко, Ткаченко С. М. и др. // Автомат. сварка. —
2007. — № 4. — С. 23–28.
7. Сагалевич В. М., Савельев В. Ф. Стабильность сварных
соединений и конструкций. — М.: Машиностроение,
1986. — 264 с.
8. Курдюмов Г. В., Утевский Л. М., Энтин Р. И. Превра-
щения в железе и стали. — М.: Наука, 1977. — 236 с.
A method is proposed, and features of determination of residual welding stresses on full-scale samples from
10Kh13G18D+09G2S dissimilar steels are considered. A dependence is established between the size of the zone of plastic
deformations and longitudinal residual welding stresses on the applied technologies of gas-shielded welding, modes, and
heat inputs. Positive influence of the technology of cold metal transfer on residual stresses and dimensions of plastic
deformation zones in dissimilar steel joints is confirmed.
Поступила в редакцию 04.02.2010
Рис. 6. Эпюры остаточных напряжений σx в сварном соеди-
нении сталей 10Х13Г18Д (δ = 1,5 мм) + 09Г2С (7 мм),
полученном полуавтоматом А-547У (а) и TRS-3200 CMT (б)
32 7/2010
|