employee from 01.01.2023 until now
Vladimir, Russian Federation
graduate student from 01.01.2022 to 01.01.2025
Vladimir State University Named After Alexander and Nikolay Stoletov (TGViG, assistent)
employee from 01.01.1922 to 01.01.2025
Vladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovs (Heat and gas supply ventilation and hydraulics, Assistant)
Vladimir, Vladimir, Russian Federation
Russian Federation
UDC 620.179.1
The results of complex experimental studies of the unique dependence between the values of the coercive field strength and the actual stresses under static loading stress are presented. This dependence is extremely important and can be effectively used as good estimator for current stress strain behavior. It contributes to predicting the residual life of critically important metal structures having welded joints obtained through modern laser method. The study presented detailed results of an extensive series of experiments conducted on standard samples made of four widely used grades of steel (steel 3, 10CrSiNiCu, steel 20 and 09Mn2Si) in the state as received, as well as for samples with laser welds made using two different technologies: with and without wire feed. As part of this comprehensive study, mechanical tests were carefully carried out on a universal testing machine (UTM) R-20 with parallel continuous measurement of the coercive force with a high-precision magnetic structroscope. For an overall estimate of the quality and reliability of each welded joint, a standard visual inspection method was additionally applied, and screening tests on dead-load stress and bend tests were performed to determine basic characteristics. As a result, graphs of the dependence of coercive force values on the applied stress under tension of all the studied samples are clearly given in the paper. Besides, calibration curves were plotted and studied. The most important result is the proof that there is a clear linearity between the coercive force and stresses in the metal up to the moment when material elastic strength is reached. The promising results obtained open up new opportunities for the further development and improvement of methods of non-destructive testing and reliable assessment of the strength characteristics of critical welded structures made using the high-tech laser method.
laser welding, welded joints, non-destructive testing, magnetic control, coercive force, stress state, calibration curves
Введение
Обеспечение безопасного функционирования металлоконструкций остается основным требованием на протяжении всего жизненного цикла металлопродукции, в том числе, на этапах проектирования и расчетов, а также строительства и эксплуатации. Все большее количество изделий, расчетный срок эксплуатации которых давно истек, продолжают функционировать. Эти факторы неизбежно влекут за собой повышение риска возникновения чрезвычайных происшествий. Для предотвращения случаев аварийного разрушения металлоконструкций используют методы разрушающего и неразрушающего контроля, позволяющие определить состояние и своевременно заменить наиболее нагруженные участки. Особое внимание при технической диагностике следует уделять оценке напряженного состояния исследуемых объектов [1]. Важность и актуальность такой оценки состоит в том, что, по данным Международного Института Сварки (МИС-IIW), причины катастрофических разрушений сварных конструкций, в значительной степени, связаны с их напряженным состоянием, в совокупности с воздействием прочих отрицательных факторов [2]. Необходимо отметить, что наибольшие структурные деформации, обуславливающие повышение внутренних напряжений, в сварных соединениях происходят в зоне расплава металла, однако, разрушение сварных металлоконструкций зачастую происходит или зарождается в зоне термического влияния. В этой ситуации особую актуальность приобретает задача оценки напряжений и деформаций, создаваемых в различных зонах сварного соединения: основном металле, металле шва и зоне термического влияния).
Метод коэрцитиметрического контроля напряженно-деформированного состояния, благодаря высокой чувствительности к структурным изменениям и фазовым превращениям, признан пригодным для контроля и оценки напряженного состояния крановых, трубопроводных, судовых, гидроэнергетических и др. металлоконструкций и сооружений, а также транспортного оборудования (карьерных экскаваторов, железнодорожной и др. техники), поднадзорных органам государственного (Ростехнадзор) и отраслевого (Морской и Речной регистры РФ) надзора
[3 – 8]. Однако недостатком данного метода является малая изученность зависимости коэрцитивной силы от напряженно-деформированного состояния металлоконструкций. Это связано с тем, что на значения коэрцитивной силы, оказывает влияние множество факторов, таких как: толщина металла, наличие покрытий (в том числе, слоя коррозии), химический состав металла и сварочного материала, термическая обработка [9, 10].
Для оценки напряженно-деформированного состояния сварных конструкций, полученных, в том числе, с применением лазерной сварки возможно применение магнитоструктурного анализа [2]. Однако в указанных работах не рассмотрено влияние прикладываемых к сварному соединению нагрузок на значение коэрцитивной силы. Поэтому весьма затруднительно установить значимость корреляции между значениями Нс после сварки с механическими свойствами материала конструкции.
Целью настоящей работы является исследование корреляции между механическими и магнитными характеристиками (коэрцитивной силой, в частности) сварных соединений из конструкционных сталей, полученных с применением лазерного излучения.
Материал и методы
Для проведения исследований были выбраны конструкционные стали: 3, 20, 09Г2С и 10ХСНД. Рассмотрены 2 вида сварных соединений: лазерная сварка с подачей проволоки в сварочную ванну и без нее. При сварке с подачей проволоки использована марка Св-08Г2С диаметром 1,2 мм (ГОСТ 2246). Исследованию подвергались образцы, вырезанные из листового проката толщиной 5 мм каждой из марок сталей.
Для определения значений коэрцитивной силы применялся магнитный структуроскоп КРМ-Ц-К2М. Механические испытания образцов на статическое растяжение проведены на универсальной разрывной машине Р-20.
Предварительно проведена отработка и выбор режимов получения сварных соединений, оказывающих наименьшее влияние на магнитные свойства каждого из исследуемых материалов. Это было сделано исходя из того, что изменение магнитных свойств металла (повышение коэрцитивной силы, в частности) говорит о наличии в материале структурных неоднородностей, микродефектов и остаточных напряжений [3].
Проведение эксперимента
Перед проведением испытаний с замером Нс, необходимо было убедиться в том, что выбранные режимы сварки обеспечивают получение равнопрочных сварных соединений. Для этого были проведены предварительные механические испытания на статическое растяжение и изгиб на образцах из выбранных марок сталей.
Далее, на ранее подобранных режимах, была произведена сварка заготовок 380×145 мм по длинной стороне, после чего вырезаны образцы для испытаний по представленной схеме (рис. 1). Такая схема вырезки образцов позволяет не применять «заходные» и «выводные» планки для устранения отрицательных краевых эффектов. Специальный стандартный образец типа (СОП) рекомендован авторами работы [3]. Его эффективность и целесообразность применения нами в данном исследовании состоит в том, что за один цикл испытания на статическое растяжение можно регистрировать изменения коэрцитивной силы в трех зонах с отличающимся напряжением.
Испытания на растяжение были проведены в соответствии с ГОСТ 1497 (образцы основного металла) и ГОСТ 6996 (образцы сварных соединений), за исключением соблюдения требования к длине рабочей части образцов, которая выбиралась аналогичной соответствующей величине на образцах для механических испытаний с единовременным замером коэрцитивной силы.
Испытания образцов на растяжение с замером коэрцитивной силы были проведены в следующей последовательности:
– на зажатом в захватах испытательной машины образце замерялись значения Нс без нагрузки;
– образец нагружался с шагом
15…30 МПа до разрушения. Величина шага определялась на контрольном образце в зависимости от марки материала и термической обработки (так, чтобы изменение нагрузки на каждом шаге не приводило к изменению значения Нс более чем на 1,0 А/см);
– на каждом шаге нагружения, до появления первых признаков разрушения образца, производилось измерение значений коэрцитивной силы вдоль и поперек направления приложения нагрузки, согласно схеме, приведенной на рис. 2. Измерения проводилось в 3-х различных сечениях рабочей части (шириной 27, 35 и 45 мм). Для удобства, в дальнейшем обозначим эти зоны как «Зона 1», «Зона 2» и «Зона 3», соответственно. По достижении необходимой нагрузки, производилась выдержка на ней образца в течении 15 с, только после этого начинались измерения.
На основании полученных данных для каждого вида (серии) образцов строились тарировочные зависимости в координатах: оси абсцисс – значения напряжения, МПа; ось
ординат – значения Нс, А/см. Данные тарировочные кривые строились отдельно для продольного и поперечного направления измерений. Важно отметить, что эффекты Баушингера, Хаазена-Келли, Портевена-Лешателье, гетерогенность структуры со значительной разностью свойств структурных составляющих, а также масштабный фактор и др., участвующие в формировании физико-механических свойств металла при деформации [11], в настоящем исследовании не учитывались.
Результаты и обсуждение
Результаты предварительные механических испытаний образцов приведены в табл. 1.
Как следует из результатов предварительных испытаний на растяжение, предел прочности образцов, выполненных лазерной сваркой на ранее выбранных технологических режимах, находится на уровне предела прочности контрольных образцов основного металла. Подтверждением этому является то, что разрушение образцов в результате механических испытаний проходило по ОМ околошовной зоны, то есть вне зоны термического влияния и металла шва.
Внешний вид образцов после испытаний на растяжение представлен на рис. 3. Верхний ряд – без сварного соединения (основной металл); средний ряд – после лазерной сварки; нижний ряд – после лазерной сварки с подачей проволоки
Также, в соответствии с требованиями ГОСТ 6996, были проведены испытания на статический изгиб различных серий (групп) образцов сварных соединений. Образцы были изогнуты с двух сторон: с лицевой и оборотной стороны шва после лазерной односторонней однопроходной сварки. Каждый образец подвергался изгибу до достижения угла α = 120 °. Внешний вид образцов лазерных сварных соединений из стали 10ХСНД после проведения испытаний приведен на рис. 4.
Ни на одном из образцов со сварными соединениями после проведения испытаний трещин в зоне шва и ЗТВ не обнаружено. Результаты предварительных механических испытаний свидетельствуют о том, что выбранные ранее режимы сварки обеспечивают выполнение требований к равнопрочности исследуемых сварных соединений.
Приведенные значения являются усредненными по результатам механических испытаний 3-х образцов каждого вида (серии).
Результаты этих испытаний с замером
Нс образцов основного металла и лазерных сварных соединений (с проволокой и без проволоки) из исследуемых сталей представлены на рис. 5, 6 и 7.
Исходя из представленных данных, можно сказать, что коэрцитивная сила всех исследуемых материалов схожим образом изменяется в зависимости от величины прикладываемой статической нагрузки. Также необходимо отметить, что коэрцитивная сила пар сталей 09Г2С и 10ХСНД; сталь 3 и сталь 20 практически совпадает при различных значениях напряжений. Данное свойство
сохраняется и на образцах со сварными соединениями.
При нагружении до достижения 0,8…0,9 от предела текучести (σ0,2) материала, зависимость Нс от σ (при перпендикулярных направлению приложениях нагрузки замерах) близка к линейной (коэффициент корреляции не менее 0,95). Завершение линейного участка функции Нс (σ), вероятно, связано с достижением предела пропорциональности металла. После достижения предела текучести материала, коэрцитивная сила в перпендикулярном направлении незначительно снижается, а затем вновь возрастает вплоть до разрушения
образца. Важно отметить, что значения коэрцитивной силы, измеренные в зонах 2 и 3 образцов, при статическом нагружении практически совпадают, несмотря на различие в напряжении в данных участках.
Из рис. 5, 6 и 7 следует, что при замерах Нс параллельно оси приложения нагрузки к образцу, зависимость меняется. Здесь, на смену линейной зависимости, приходит параболическая. С увеличением нагрузки, сначала происходит постепенно замедляющееся снижение значений Нс, затем сменяющееся схожим увеличением. Схожий вид зависимостей также получали авторы других работ [13 – 15].
Применение подачи проволоки при лазерной сварке оказывает большее влияние на значения коэрцитивной силы исследуемых материалов, чем обычная лазерная сварка. До приложения нагрузки в поперечном направлении Нс отличалась на 2,5…3,0 А/см для сталей 3 и 20 и на 4,0…5,0 для сталей 09Г2С и 10ХСНД; в продольном направлении на 1,0…3,0 для сталей 3 и 20 и на 3,0…4,0 для сталей 09Г2С и 10ХСНД, по сравнению с образцами без сварных соединений.
Необходимо отметить наличие большого количества выбросов значений Нс при замерах в МШ на образцах со сварными соединениями, по сравнению с контрольными образцами. Вероятно, это связано с невозможностью измерения Нс строго в одном положении, вызванной наличием даже незначительных усилений или подрезов.
Выводы
В работе показано наличие зависимости между напряжениями внутри металла и коэрцитивной силой, в том числе в зонах со сварными соединениями. Исходя из полученных данных, выявлены следующие закономерности:
– до достижения предела пропорциональности металла, коэрцитивная сила, измеренная в поперечном главному вектору приложения нагрузки направлении, линейно зависит от напряжений, что позволит определять момент перехода наиболее опасных участков металлоконструкций из области упругих в область пластических деформаций;
– незначительное падение коэрцитивной силы после достижения предела текучести металла способно внести дополнительную погрешность в точность определения текущего напряженно-деформированного состояния при проведении неразрушающего контроля. Для устранения этой погрешности целесообразно проводить контроль в двух взаимно перпендикулярных направлениях;
– наличие незначительных усилений или подрезов у сварных соединений способно значительно снизить точность определения коэрцитивной силы. Поэтому, целесообразно проводить контроль Нс на незначительном удалении от сварного шва, где закон изменения функции Нс (σ) остается практически неизменным.
Несмотря на дискретный характер измерения Нс как показателя напряженного состояния образца в целом, использованная методика позволила построить зависимость между экспериментальными значениями коэрцитивной силы и напряжением при растяжении. В практическом использовании по значениям Нс возможно определить уровень напряжений, действующих в основном металле или сварных соединениях, а при использовании зависимости Нс от напряжений внутри металла при различного рода циклических нагрузках – описать изменения магнитных характеристик реальных металлоконструкций в условиях эксплуатации.
1. Bjorheim F., Siriwardane S.C., Pavlou D. A review of fatigue damage detection and measurement techniques // International Journal of Fatigue, 2022. № 154. P. 106556. DOIhttps://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2021.106556
2. Krivorotov V.I. Performance assessment of full strength and tension of laser welds for 40CrNi2MnAl obtained by the magnetic method // MEGATECH New technologies in industrial diagnostics and Safety, 2012. no. 4. pp. 8−15
3. Bezlyudko G.Ya. The main possibilities of the coercive force method as a new level of efficiency and the culture of monitoring on fatigue and resource of metal and equipment // Journal of Non-destructive Testing Method, 2014. No. 3 (65), pp. 66−73
4. Vengrinovich V. Magnetic Barkhausen effect in steel under biaxial strain/stress: influence on stress measurement // Journal of Nondestructive Evaluation, 2019. № 38. C. 1–8. DOIhttps://doi.org/10.1007/s10921-019-0576-7
5. Krivorotov V.I. Application of the method of coercimetry for assessing the level of residual stresses arising during the heat treat-ment of railway wheels // Welding production. 2021. No. 6, pp. 42−50.
6. Krivorotov V.I. Investigation through coercive force method of the stress-strain state of railway rails undercompression tests // MEGATECH. New Technologies in Industrial Diagnostics and Safety, 2012, No. 4, pp. 34−39.
7. Orishchuk R.N., Semenov Yu.D., Shtengel V.G. Technical inspection of operating and being built hydraulic and power building structures by means of ndt methods and instruments. // Journal of Non-destructive Testing Method, 2015. No. 2 (68), pp. 6−10.
8. Aginei R.V. Analysis of stress state type for gas piping using the coercimetric method // FIndustrial laboratory. Materials diagnostics, 2008. No. 74 (12), pp. 52−54.
9. Kaczkowski Z., Bienkowski A., Szewczyk R. Compressive stress dependence of magnetic properties of Co66Fe4Ni1B14Si15 alloy // Czechoslovak journal of physics. 2002. № 52. P. 183–186. DOIhttps://doi.org/10.1023/A:1014455225853
10. Rautioaho R., Karjalainen P., Moilanen M. Stress response of Barkhausen noise and coercive force in 9Ni steel // Journal of magnetism and magnetic materials. 1987. № 68 (3). pp. 321–327. DOI 1016/0304-8853(87)90008-4
11. Kazakevich G.S. Forecasting the strength and anisotropic state of deformable structural materials. L.: Leningrad University Publishing House, 1988, 180 p.
12. Sorokin V.G. Steels and alloys grade guide / eds. A.S. Berezhnov. Moscow: Mashinostroenie, 1989. 640 p.
13. Mironov A.I., Gribov V.V. The results of a study of the dependence of the coercive force on the mechanical stresses of 08kp steel in order to improve the method of non-destructive testing // Technical regulation in the single Economic Space. 2021, pp. 119−126.
14. Teschke M. Characterization of damage evolution on hot flat rolled mild steel sheets by means of micromagnetic parameters and fatigue strength determination // Materials. 2020. № 13 (11). P. 2486. DOIhttps://doi.org/10.3390/ma13112486
15. Paltanea G. Correlation between magnetic properties and chemical composition of non-oriented electrical steels cut through different technologies // Materials. 2020. № 13 (6). P. 1455. DOIhttps://doi.org/10.3390/ma13061455
