Удосконалення технології зварювання дефектів литих корпусів турбін

Abstract

Дисертація на здобуття накового ступеня доктора філософії за спеціальністю 132 – Матеріалознавство. – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» Міністерство освіти і науки України, Харків, 2022. Об’єктом дослідження є технологія заварювання дефектів литих конструкцій із перлітних сталей способом поперечної гірки (СПГ) електродами ТМЛ-3У та УОНИ 13/45 без попереднього і супутнього підігрівання та після зварювального відпуску. Предметом дослідження є зв'язок структурного стану зварюваного металу в зоні термічного впливу з комплексом властивостей, що характеризують надійність зварних з'єднань, отриманих під час заварювання дефектів литва стосовно хромо-молібдено-ванадієвих сталей. У дисертаційній роботі вирішена науково-практична задача підвищення ефективності технології виправлення браку литва за допомогою застосування удосконаленої технології заварювання способом поперечної гірки. У вступі обґрунтовано актуальність задач дослідження, показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами, наведена наукова новизна та сформульоване практичне значення отриманих результатів. В першому розділі здійснений аналітичний огляд сталей, що використовують для корпусних турбін, їх властивості, загальна характеристика та особливості їх зварювання та термічної обробки. Розглянуті сучасні технології зварювання при виготовленні і ремонті великогабаритних конструкцій зі сталей перлітного класу, їх труднощі та недоліки. Оцінені фактори, що впливають на тріщиноутворення та схильність до крихких руйнувань теплостійких сталей. Поставлені основні задачі дисертаційної роботи, обрано напрями досліджень. У другому розділі розглянуті експериментальні і розрахункові методи, які застосовувалися в процесі виконання роботи. Оскільки головна увага приділялася розгляду впливу зварювання способом поперечної гірки без попереднього та супутнього підігрівання теплотривких сталей на рівень механічних властивостей, а також на їх стійкість проти крихкого руйнування, були застосовані методи дослідження короткочасної міцності та пластичності (σв, σ₀ꓹ₂, δ, Ψ), ударної вязкості (KCU, KCV). За цими даними будували графіки залежності рівня властивостей в різних зонах зварного з'єднання від способу та режиму зварювання, а також від температури випробування. Проводили порівняльний аналіз запропонованого методу зі штатною технологією заврювання дефектів. Використовували декілька методів вимірювання твердості (по Віккерсу HV, мікротвердість Нµ), особливу увагу надавали високотемпературній області ЗТВ. Під час розгляду процесів структуроутворення на різних масштабних рівнях були застосовані методи різноманітної прецизійної здатності (оптична і електронна мікроскопія, рентгеноструктурний аналіз). За допомогою методу електротензометрії проводили вимірювання залишкових зварювальних напружень (поздовжніх σx та поперечних σy щодо осі шва) в поверхневих шарах зварного з’єднання з ціллю побудови епюр. Особливу увагу надавали напругам розтягування, які спричиняють основний негативний вплив на зниження рівня тріщиностійкості. Оцінювання опору зон зварних з'єднань крихкому руйнуванню при статичному вигині проводили за величиною критичного коефіцієнту інтенсивності напружень К₁с у верхівці тріщини. У третьому розділі представлені результати досліджень якості зварного з'єднання зі сталі 15Х1М1Ф, виконаного СПГ без подальшої термообробки по макроконтролю. Наведено результати виміру твердості HV з двох сторін шва на трьох рівнях по висоті в основному металі, ЗТВ та в металі шва. На підставі поміченої особливості зміни твердості в ЗТВ для отримання більш точного розподілу твердості, проведли вимірювання мікротвердості Нµ на різних відстанях від межі сплавлення. Досліджено мікроструктуру в місцях виміру твердості, що дозволило підвищити точність її класифікації. Проведено випробування короткочасних механічних властивостей. У вигляді графіків наведена залежність рівня σв, σ₀ꓹ₂, δ, Ψ, KCU, KCV від зони вирізки зразку (основний метал, ЗТВ, метал шва) та від температури випробування. Для порівняння виконали дослідження та аналіз вищезгаданих характеристик для зварних зєднань, отриманих при зварюванні за штатною технологією. За даними досліджень цього розділу одержано наступні результати: - на зразках після зварювання СПГ без відпуску дефектів макроструктури не виявлено; - характер зміни твердості HV на усіх рівнях по висоті швів як з термообробкою після зварювання, так і без, однаковий. У зразках, що не піддавалися після зварювання термічній обробці, твердість основного металу знаходиться на тому ж рівні; в ЗТВ відбувається нерівномірне її підвищення: в середині ЗТВ значення твердості можуть бути вищі, ніж поблизу межі сплавлення, що пов'язано з процесами, обумовленими автотермообробкою при термоциклу ванні. Метал зварного шва має більш високу твердість в порівнянні з іншими ділянками з'єднань. Значне підвищення твердості з двох сторін межі сплавлення можна пояснити наявністю підзагартування; - у зразках, що пройшли після зварювання термічну обробку у вигляді високого відпуску в порівнянні з основним металом твердість в ЗТВ і металі шва поблизу межі сплавлення залишається більш високою; - виміри мікротвердості в ЗТВ зварного з'єднання підтверджують достовірність вимірів твердості HV, що вказують на більш високу твердість в середині ЗТВ, чим поблизу межі сплавлення; - зварювання СПГ не знижує опір крихкому руйнуванню в зоні термічного впливу і шві в порівнянні з основним металом в початковому стані, а після високого відпуску, проведеного після зварювання, ударна в'язкість ЗТВ навіть вище, ніж основного металу; - при зварюванні СПГ, завдяки підвищенню частоти термоциклування, автопідігрівання діє ефективніше, що і сприяє уповільненню швидкості охолодження. Це призводить до утворення сприятливої структури верхнього зернистого бейніту. Четвертий розділ присвячено дослідженню здатності металу шва і зони термічного впливу чинити опір крихкому руйнуванню після зварювання СПГ, виконаних за штатною технологією та без додаткової термообробки, шляхом визначення критичної температури крихкості та тріщиностійкості при кімнатній та мінусових температурах. Побудовано графіки зміни ударної в’язкості металу різних ділянок зварних з’єднань зі сталі 15Х1М1Ф, виконаних за різними технологічними варіантами. Доведено, що майже при усіх температурах випробування ударна в'язкість KCV у високотемпературній області ЗТВ значно вище у зразків, які після зварювання не піддавалися термічній обробці. Представлені результати вказують на те, що після зварювання СПГ в зоні термічного впливу поблизу межі сплавлення утворюється структура з більш високим опором крихкому руйнуванню в порівнянні із структурою основного металу і металу шва. При цьому перехідна критична температура крихкості цієї ділянки ЗТВ зміщується до низьких температур. Характерним для обох способів зварювання є ідентичне значення критичної температури крихкості високотемпературної області ЗТВ (Т50 = −20ºC), яка не змінюється після проведення високого відпуску. За допомогою електронного мікроскопу детально досліджено фрактографію зламів зразків після випробування ударний вигин. Експериментально доведено, що рівень твердості в зварних з'єднаннях, виконаних СПГ і за штатною технологією близькі за абсолютними показниками. Для порівняння преведено дослідження впливу підвищених режимів на структуру і механічні властивості. Результати випробувань розривних зразків показують, що підвищення режимів зварювання призводить до зниження міцносних характеристик металу ЗТВ, проте вони дещо вищі за основний метал. Найбільш високими показниками характеризується метал шва. Характеристики пластичних властивостей, незважаючи на відмінності в твердості і міцності, мало відрізняються. Також негативний вплив спостерігається на опір крихкому руйнуванню металу високотемпературної області ЗТВ. Головною причиною, найімовірніше, являється утворення бейніту неоднорідної морфології. Встановлено, що істотної різниці в напруженому стані зварних з'єднань, виконаних ОСС з підігріванням до 350 – 400ºС в порівнянні із СПГ без підігрівання не виявлено, тому таке підігрівання застосовувати при виправленні дефектів недоцільно. Спектроскопічно досліджено тонку структуру зразків після СПГ без додаткової термообробки, визначено хімічний склад карбідів. П'ятий розділ присвячено вивченню впливу зварювання способом поперечної гірки на розподіл твердості, рівень механічний властивостей та структуру зварних з'єднань зі сталі 25Л. Дослідження виконані на зразках в обсязі: з попереднім підігріванням, з високим відпуском після зварювання і без попередньої та наступної термообробки. Залежність зміни твердості від способу зварювання та від зони виміру наведено у вигляді графіків. Встановлено, що незалежно від технології зварювання відзначається підвищення твердості в ЗТВ поблизу межі сплавлення. Представлені механічні властивості основного металу, металу шва та високотемпературної області ЗТВ. Спостерігається, що разом з високими характеристиками міцності метал шва після наведених технологій обробки має високу пластичність (особливо високі значення має характеристика відносного стискування ψ). При цьому пластичність найбільш висока в зразках, які після зварювання підлягали термічній обробці . Пластичні властивості основного металу і металу високотемпературної області ЗТВ, в порівнянні з металом швів, помітно знижуються, особливо ψ (після усіх варіантів обробок така властивість зменшується більш ніж в два рази). Термічна обробка після зварювання у вигляді високого відпуску сприяє підвищенню ударної в'язкості KCV металу шва. Отже, після зварювання СПГ високотемпературна область ЗТВ, незважаючи на підвищену твердість, має однакову з основним металом здатність опору утворенню холодних тріщин. Це може бути обумовлено подрібненням зеренної будови ЗТВ в результаті теплової і деформаційної дії при зварюванні. За результатами металографічних досліджень встановлено, що при багатошаровому зварюванні СПГ мікроструктура ЗТВ і наплавленого металу шва завдяки високотемпературному нагріву при наплавленні шарів перекристалізується і стає дрібнозернистою і являє собою бейніт з рівноосними зернами фериту.

The thesis is submitted to obtain a scientific degree of Doctor of Philosophy, specialty 132 – Materials Science (13 – Мechanical engineering). – National Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute”, Kharkiv, 2022. The object of the research is the technology of welding defects of constructions made of pearlitic steel (samples of welded joints are made), using the method of transverse slide electrodes CROMOCORD Kb and OVERCORD without preliminary, concomitant heating and heat treatment after welding. The subject of the research is the connection of the structural state of weld metal in thermal influence with a set of properties, which characterize reliability of welded joints obtained during welding of casting defects in relation to chromiummolybdenum-vanadium steels. The dissertation solves the scientific and practical problem of increasing efficiency of correction technology of casting defects using advanced welding technology. In the introduction the relevance of research objectives is justified, the relation of study with scientific programs, plans, topics is shown, scientific novelty is provided and practical value of results is formulated. The first chapter provides an analytical review of steels, which are used for hull turbines, their properties, general characteristics and peculiarity of their welding and thermal processing. Modern welding technologies in manufacturing and repair of oversized constructions of pearlitic steels, their difficulties and drawbacks are considered. Factors, which influence crack formation and susceptibility to brittle fractures of heat-resistant steels are estimated. The main tasks of the dissertation are set, the directions of research are chosen. The second chapter provides experimental and computational methods, which were used in the process of study. Since the main topic was the influence of cross-slide welding without preliminary and concomitant heating of heat-resistant steels to the level of mechanical properties, but also on their resistance to brittle fracture, short-term strength and ductility methods were used (σв, σ₀ꓹ₂, δ, Ψ), impact strength (KCU, KCV). According to these data, dependence graphs of level of the properties in different areas of the welded joint on method and mode of welding, as well as on the test temperature were built. A comparative analysis of the suggested method with the standard technology of welding defects was conducted. Several measuring methods of hardness(Vickers HV, microhardness Нµ) were used, giving closer attention to the high temperature area of the zone of thermal influence. Methods of various precision capabilities (optical and electron microscopy, X-ray diffraction analysis) were used during consideration of the structure formation processes at different scale levels. Residual welding stresses (longitudinal σx and transverse σy to the weld axis) were measured using electrotensometry method in the surface layers of welded joint with the goal of building diagrams, paying special attention to tensile stresses, which make the main negative impact on decreasing the level of crack resistance. Resistance estimation of welded joint areas to brittle fracture with static bending was performed by the value of the critical stress intensity factor К₁с at the crack tip. The third chapter provides studies’ results of the quality of welded joints from 15CrMoV5-10 steel, performed with method of transverse slide without further heat treatment by macro control. The results of HV hardness measurement on two sides of the weld at three levels of height in the main metal, the zone of thermal impact and weld metals are presented. Based on the observed feature of the change in hardness in the zone of thermal influence to obtain a more complete picture of the distribution of hardness, the measurement of the microhardness of Нµ at different distances from the fusion boundary was made. The microstructure in the places of hardness measurement was studied. Tests of short-term mechanical properties are carried out. Using graphs, the dependence of the σв, σ₀ꓹ₂, δ, Ψ, KCU, KCV level on sample cutting area (main steel, zone of thermal influence or seam) and on temperature of the test. Research and analysis of the above characteristics of welded joints obtained by standard technology welding was performed for comparison. According to the data of research in this chapter, the following results were obtained: - Macrostructure defects in the samples after welding using the method of transverse slide without release were not detected; - the nature of the change in HV hardness at all levels along the height of the seams, both with and without heat treatment after welding, is the same. In samples that have not been subjected to heat treatment after welding, the hardness of the base metal is at the same level; in the zone of thermal influence there is an uneven increase: in the middle of the zone of thermal influence the hardness valuesmay be higher than near the fusion limit, which is caused by autothermal treatment processes during thermal cycling. The weld metal has a higher hardness compared to other joints. Significant increase in hardness on both sides of the fusion boundary can be explained by the presence of hardening; - in the samples, which were exposed to heat treatment in the form of high tempering in comparison with the base metal, the hardness in the zone of thermal influence and weld metal near fusion boundary remains higher; - microhardness measurements in the zone of thermal influence of welded joint confirm credibility of hardness HV measurements, which leads to higher hardness in the middle of the zone of thermal influence, compared to near the fusion boundary; - welding using the method of transverse slide does not reduce resistance to brittle fracture in the zone of thermal influence and the seam, in comparison to the base metal in the initial state, and after high tempering performed after welding, the toughness of the zone of thermal influence is even higher than the original base metal; - while using the method of transverse slide, due to the increase in the frequency of thermal cycling, auto heating acts more effectively, which leads to deceleration of cooling speed. The fourth chapter is dedicated to the research on the ability of weld metal and zone of thermal influence to resist brittle fracture after welding with method of transverse slide, performed by standard technology and without additional heat treatment, by determining the critical temperature of brittleness and crack resistance at normal and sub-zero temperatures. Graphs of change of impact toughness of metal in various areas of welded joints from 15CrMoV5-10 steel executed on various technological variants are constructed. It is proved that at almost all test temperatures the impact strength of KCV in the high temperature zone of thermal influence is much higher in the samples, that were not subjected to heat treatment after welding. The provided results indicate that after welding with method of transverse slide in the zone of thermal influence near the fusion boundary a structure with higher resistance to brittle fracture is formed in comparison with the structure of the base and weld metal. At the same time, the transitional critical temperature of fracture in this section of the zone of thermal influence shifts to low temperatures. Characteristic of both welding methods is the identical value of critical temperature of fracture of the high-temperature region of the zone of thermal influence (Т50 = −20ºC), which does not change after high tempering. With the help of an electron microscope, the fractography of fractures of the samples after the impact bending test was studied in detail. It was proven experimentally, that the level of hardness in welded joints performed with method of transverse slide and with standard technology are close in absolute value. For comparison, the research of influence of elevated modes to the structure and mechanical properties was conducted. The results of tests of bursting samples show that the elevation of welding modes leads to a decrease in the strength characteristics of the metal in the zone of thermal influence, but they are slightly higher in comparison to the base metal. The weld metal is characterized by the highest indicators. Characteristics of plastic properties differ little, despite differences in hardness and strength. Also, a negative effect is observed on the resistance to brittle fracture of the metal in the high-temperature region of the zone of thermal influence. Most likely the main reason for that is formation of bainite of inhomogeneous morphology. It is established, that a significant difference in the welded joints stress state made in reverse step method with heating up to 350 – 400ºС in comparison to the method of transverse slide without heating is not detected, therefore such heating is not appropriate for defects correction. The fine structure of samples after using the method of transverse slide without additional heat treatment was spectroscopically investigated, the chemical composition of carbides was identified. The fifth chapter is dedicated to studying the impact of welding using the method of transverse slide on hardness distribution, level of mechanical properties and structure of welded joints from steel 25L. The research was performed on samples in volume: with preliminary heating, with high tempering after welding and without preliminary and concomitant heating. The dependence of the change in hardness on the method of welding and on the measurement is presented in graphs. It is established, that regardless of the welding technology there is a hardness increase in the zone of thermal influence near the fusion boundary. The mechanical properties of the base metal, weld metal and hightemperature area of the zone of thermal influence are presented. It is observed, that in addition to high strength properties the weld metal has a high ductility(especially high is the characteristic of relative compression ψ) after all processing. The ductility is highest in the samples, which were subjected to heat treatment after welding. Plastic characteristics of the base metal and the metal in the high temperature area of the zone of thermal influence are markedly reduced, especially ψ (after all variants of treatments it decreases more than twice) in comparison to the weld metal. Heat treatment after welding in the form of high tempering helps to increase the toughness of KCV weld metal. Hence, after welding with the method of transverse slide the hightemperature area of the zone of thermal influence, regardless increased hardness, has the same ability to resistance to formation of cold cracks as the base metal. This may be due to the grinding of the grain structure of the zone of thermal influence as a result of thermal and deformation action during welding. According to the results of metallographic studies, it is established that in multilayer welding using the method of transverse slide, the microstructure of the zone of thermal influence and weld metal recrystallizes and becomes fine-grained due to high temperature heating during surfacing of layers and is bainite with coaxial ferrite grains.