Термические циклы, структура и свойства неразъемных соединений конструкционных сталей при сварке в условиях экстремального холода

В статье проведен обзор исследований термических циклов, структуры и свойств сварных соединений низколегированных и низкоуглеродистых сталей в процессе электродуговой сварки при отрицательных температурах окружающего воздуха. Цель данного обзора – изучение ранее выполненных исследований для использования в разработке обоснованных рекомендаций по сварке стальных мостовых конструкций в зимних условиях. Рассмотрены результаты сопоставления экспериментальных измерений термических циклов сварки образцов с разными размерами, выполненных при комнатных и отрицательных температурах окружающего воздуха (до –50 °С). Показано, что в малых пластинах размерами 200×250×10 мм за счет более интенсивного отражения тепла от краев образца, термические циклы сварки при разных температурах существенно не различаются. В более массивных образцах (размерами 450×250×10 мм) наблюдается увеличение скорости охлаждения участка перегрева сварного соединения по сравнению со сваркой при комнатной температуре. Показано, что при сварке в условиях низких температур скорость охлаждения зоны термического влияния в некоторых пределах можно регулировать изменением погонной энергии сварки. Рассмотрено влияние водорода на образование холодных трещин при сварке низколегированных сталей в условиях отрицательных температур. Металлографический анализ показал, что структурные превращения при сварке сталей различных марок существенно различаются и зависят от химического состава стали и параметров термического цикла сварки. Результаты дилатометрических исследований показывают, что даже разница в содержании легирующих элементов в пределах марочного состава существенно влияет на кинетику превращения аустенита. Таким образом, для определения оптимальных технологических режимов сварки при отрицательных температурах окружающего воздуха необходимо учитывать не только особенности распространения тепла в этих условиях, но и кинетику фазовых превращений и ее влияние на структуру и свойства продуктов распада аустенита. 

1. Гаврилова М.К. Климаты холодных регионов земли. Якутск: Изд-во СО РАН; 1998. 206 с.

2. Стандарт организации. СТО-ГК «Трансстрой»-005-2018. Стальные конструкции мостов. Технология монтажной сварки. М.: АО ЦНИИС; 2019. 148 с.

3. СП 46.13330.2012. Мосты и трубы. Актуализированная редакция СНиП 3.06.04-91. М.: Минрегион России; 2012. 142 с.

4. Ларионов В.П. Электродуговая сварка конструкций в северном исполнении. Новосибирск: Наука; 1986. 253 с.

5. Ефименко Л.А., Елагина О.Ю., Вышемирский Е.М. и др. Традиционные и перспективные стали для строительства магистральных газонефтепроводов. М.: Логос; 2011. 316 с.

6. Павлов Н.В., Чинахов Д.А., Крюков А.В. Исследование экспериментального и теоретического распределения температурных полей при сварке плавлением. Тяжелое машиностроение. 2010;(8):25–27.

7. Гарсия В. Измерение температуры: теория и практика. Современные технологии автоматизации. 1999;(1):82–87.

8. Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. М.: Машгиз; 1951. 296 с.

9. Макаров Э.Л., Королев С.А., Штрикман М.М., Кащук Н.М. Моделирование тепловых процессов при фрикционной сварке. Сварка и диагностика. 2010;(3): 21–25.

10. Arora H., Singh R., Brar G.S. Thermal and structural modelling of arc welding processes: A literature review. Measurement and Control. 2019;52(7-8):955–969. https://doi.org/10.1177/0020294019857747

11. Meyghani B., Awang M.B., Emamian S.S., et al. A comparison of different finite element methods in the thermal analysis of friction stir welding (FSW). Metals. 2017.7(10):450. https://doi.org/10.3390/met7100450

12. Andrade D.G., Leitão C., Dialami N., et al. Modelling torque and temperature in friction stir welding of aluminium alloys. International Journal of Mechanical Sciences. 2020;182:105725. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2020.105725

13. Слепцов О.И. Технологическая прочность сварных соединений при низких температурах. Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние; 1984. 102 с.

14. Аммосов А.П. Термодеформационные процессы и разрушение сварных соединений. Якутск: ЯФ СО АН СССР; 1988. 136 с.

15. Николаев Г.А. Сварка в машиностроении: справочник в 4-х томах М.: Машиностроение; 1978. Т. 1. 504 с.

16. Степанов П.П. Исследование ударной вязкости трубных сталей после имитации термических циклов сварки и сварных соединений труб большого диаметра. Сталь. 2022;(10):42–49.

17. Правила технической эксплуатации резервуаров. М.: АО «НК «РОСНЕФТЬ»; 2004. 111 с.

18. Шоршоров М.Х., Белов В.В. Фазовые превращения и изменения свойств стали при сварке: Атлас. М.: Наука; 1972. 220 с.

19. Попова Л.Е., Попов А.А. Диаграммы превращения аустенита в сталях и бета-раствора в сплавах титана: справочник. М.: Металлургия; 1991. 503 с.

20. Емелюшин А.Н., Шекшеев М.А. Исследование влияния термических циклов на структуру основного металла при сварке стали категории прочности К56. В кн.: Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: Тезисы докладов 69-й международной научно-технической конференции, Т. 1. Магнитогорск; 2011. С. 150–153.

21. Arya H., Singh K., Singh S. Cooling rate effect on microhardness for SAW welded Mild steel plate. International Journal on Theoretical and Applied Research in Mechanical Engineering (IJTARME). 2013;2(2):71–77.

22. Ефименко Л.А., Капустин О.Е., Шкапенко А.А. и др. Формирование структуры сварных соединений высокопрочных сталей при автоматической сварке в защитных газах. Трубопроводный транспорт: теория и практика. 2012;32(4):34–42.

23. Zhang W., Elmer J., Debroy T. Kinetics of ferrite to austenite transformation during welding of 1005 steel. Scripta Materialia. 2002;46(10):753–757. https://doi.org/10.1016/S1359-6462(02)00040-4

24. Шоршоров М.Х. Металловедение сварки стали и сплавов титана. М.: Наука; 1965. 336 с.

25. Федотова М.А., Аммосов А.П., Ларионов В.П. Структурные превращения и свойства материалов при сварке: препринт. Якутск: Якутский науч. центр СО АН СССР; 1991. 28 с.

26. Аммосов А.П., Зайффарт П.И., Васильев В.Г., Довженко В.А. Структурные превращения и хладо­стойкость соединений стали 09Г2С, выполненных дуговой сваркой. Автоматическая сварка. 1993;(2):12–15.

27. Сараев Ю.Н., Голиков Н.И., Сидоров М.М. и др. Поисковые исследования повышения надежности сварных металлоконструкций ответственного назначения, эксплуатируемых в условиях Севера. Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2017;77(4):30–42. https://doi.org/10.17212/1994-6309-2017-4-30-42

28. Слепцов О.И., Михайлов В.Е., Петушков В.Г. и др. Повышение прочности сварных конструкций для Севера. Новосибирск: Наука; 1989. 223 с.

29. Харбин Н.Н., Слепцов О.И., Сивцев М.Н., Винокуров Г.Г. Оценка влияния водорода на замедленное разрушение сварных соединений высокопрочных низколегированных сталей. Автоматическая сварка. 2012;(6):15–17.

30. Слепцов О.И., Сивцев М.Н., Слепцов Г.Н., Харбин Н.Н. Оценка склонности сварных узлов конструкций северного исполнения к образованию холодных трещин. Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2018;20(4-1(84)):13–17.

31. Михайлов В.Е., Лепов В.В., Алымов В.Т., Ларионов В.П. Замедленное разрушение металлоконструкций. Новосибирск: Издательство СО РАН; 1999. 224 с.

32. Стручкова Г.П. Перераспределение водорода при выборе рациональной технологии сварки: Автореф. дис. … канд. техн. наук. Якутск, 1996. 16 с.

33. Гончаров Н.Г., Нестеров Г.В., Юшин А.А. Технология сварки кольцевых стыков магистральных трубопроводов из труб класса прочности К56 при низких температурах окружающей среды. Безопасность труда в промышленности. 2018;(8):42–47. https://doi.org/10.24000/0409-2961-2018-8-42-47

34. Ларионов В.П., Ковальчук В.А. Хладостойкость и износ деталей машин и сварных соединений. Новосибирск: Наука; 1976. 206 с.

35. Голи-Оглу Е.А. Толстолистовые низкоуглеродистые микролегированные стали для корпусных и функциональных элементов мостов большегрузного транспорта. Сталь. 2020;(8):56–62.

36. Москвичев В.В., Махутов Н.А., Шокин Ю.И. и др. Прикладные задачи конструкционной прочности и механики разрушения технических систем. Новосибирск: Наука; 2021. 796 с.

37. Молева Д.А., Белозор М.Ю. Обоснование применения сталей для изготовления конструкций мостов. Вестник Череповецкого государственного университета. 2012;2(4):28–31.

38. Зубченко А.С., Колосков М.М., Каширский Ю.В. и др. Марочник сталей и сплавов. 2-е изд. доп. и испр. М.: Машиностроение; 2003. 784 с..

39. Федотова М.А., Аммосов А.П., Васильев В.Г. Склонность зоны перегрева сварного соединения стали 10ХСНД к пластическому локальному деформированию. Автоматическая сварка. 1988;(8):71–72.

40. Зайффарт П.И., Гросс Х.Г., Довженко В.А. и др. Структурные превращения и свойства металла ЗТВ сварных соединений стали 10ХСНД. Автоматическая сварка. 1991;(8):12–16.