Khả Năng Chịu Lạnh Về Nứt Vùng Hàn Trong Các Mối Hàn Dọc Vật Liệu Thép Chịu Lực Cao Với Các Kỹ Thuật Hàn Khác Nhau

Strength of Materials - Tập 51 - Trang 843-851 - 2020
V. D. Poznyakov1, L. I. Markashova1, V. D. Shelyagin1, S. L. Zhdanov1, A. V. Bernats’kyi1, O. M. Berdnikova1, V. M. Sydorets’1
1Paton Electric Welding Institute, National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine

Tóm tắt

Kết quả điều tra được trình bày nhằm cải thiện sức bền cấu trúc (khả năng chống nứt lạnh) của các mối hàn trong vật liệu thép có sức chịu tải vượt quá 600 MPa. Tác động của các điều kiện hàn hồ quang, hàn laser và hàn hybrid laser-hồ quang tới cấu trúc kim loại hàn và độ bão hòa hydro khuếch tán của kim loại nền được nghiên cứu thực nghiệm. Độ bão hòa hydro khuếch tán của kim loại nền (hàn hồ quang và hàn hybrid) và kim loại nấu chảy (hàn laser) đã được kiểm tra qua sắc ký. Trong hàn hồ quang có bảo vệ khí, hàm lượng hydro khuếch tán trong kim loại nền nấu chảy chỉ giới hạn ở nồng độ không vượt quá 0.4 ml/100 g do tốc độ hàn tăng từ 18 đến 50 m/h. Trong hàn laser và hàn hybrid laser-hồ quang của các vật liệu thép chịu lực cao với giới hạn kéo vượt quá 600 MPa, hàm lượng hydro khuếch tán trong kim loại nấu chảy lần lượt là 0.07 và 0.2–0.3 ml/100 g, bất kể tốc độ hàn. Khả năng chống nứt lạnh được đánh giá theo quy trình được chấp nhận rộng rãi bằng các mẫu hàn có mối nối đặc biệt. Các nghiên cứu quang học và kính hiển vi truyền qua đã giúp làm rõ tác động của các điều kiện hàn hồ quang, laser và hàn hybrid laser-hồ quang lên cấu trúc kim loại hàn và thu thập thông tin chi tiết về phân bố mật độ đế tứ. Mối quan hệ giữa mức độ ứng suất nội tại địa phương và các yếu tố cấu trúc của phân bố mật độ đế tứ trong kim loại hàn đã được xác định. Trong hàn hồ quang và hàn laser, các ứng suất nội tại địa phương được giảm xuống các giá trị không vượt quá 0.22 độ bền lý thuyết của kim loại nếu tốc độ hàn đạt 50 m/h. Trong hàn hybrid laser-hồ quang ở mức 72–110 m/h, các ứng suất nội tại địa phương tối đa cũng nhỏ hơn 0.22 độ bền lý thuyết của kim loại. Sự gia tăng khả năng chống nứt lạnh trong các mối hàn dọc của thép chịu lực cao 14KhGN2MD và N-A-XTRA-70 được xác định đạt được là do nồng độ thấp của hydro khuếch tán trong kim loại nấu chảy và sự hình thành cấu trúc hạt mịn của baumele với phân bố mật độ đế tứ đồng đều.

Từ khóa

#thép chịu lực cao #khả năng chống nứt lạnh #hàn hồ quang #hàn laser #hàn hybrid #mật độ đế tứ #hydro khuếch tán

Tài liệu tham khảo

V. D. Poznyakov, “Welding technologies for the manufacture and repair of metallic structures from high-strength steels,” Visn. NAN Ukrainy, No. 1, 64–72 (2017). S. Ragu Nathan, V. Balasubramanian, S. Malarvizhi, et al., “Effect of welding processes on mechanical and microstructural characteristics of high strength low alloy naval grade steel joints,” Defence Technol., 11, No. 3, 308–317 (2015). G. Magudeeswaran, V. Balasubramanian, and G. Madhusudhan Reddy, “Cold cracking of flux cored arc welded high strength steel weldments,” J. Mater. Sci. Technol., 25, No. 4, 516–526 (2009). N. Mukai and R. Suzuki, “Research on the effects of welding-wire-related factors affecting diffusible hydrogen content,” Q. J. Japan Weld. Soc., 35, No. 2, 102–109 (2017). Y. Mikami, N. Kawabe, N. Ishikawa, and M. Mochizuki, “Evaluation of cold cracking in high-strength steel weld metal based on local critical conditions incorporating stress and diffusible hydrogen distributions,” Q. J. Japan Weld. Soc., 34, No. 2, 67–80 (2016). G. O. Kasatkin, “Hyrogen embrittlement mechanisms in high-strength steels on welding,” Avtomat. Svarka, No. 1, 3–7 (1994). N. Ishikawa, H. Sueyoshi, H. Suzuki, and K. Akita, “Critical condition for hydrogen induced cold cracking of 980 MPa class weld metal,” Q. J. Japan Weld. Soc., 29, No. 3, 218–224 (2011). T. Kasuya, “Cold cracking susceptibility of steel welds and its prevention,” J. Japan Weld. Soc., 70, No. 6, 650–658 (2001). O. P. Ostach and V. S. Vytvyts’kyi, “Duality of the action of hydrogen on the mechanical behaviour of steels and structural optimization of their hydrogen resistance,” Mater. Sci., 47, No. 4, 421–437 (2012). D. C. Ahn, P. Sofronis, and R. H. Dodds, “On hydrogen-induced plastic flow localization during void growth and coalescence,” Int. J. Hydrogen Energ., 32, No. 16, 3734–3742 (2007). T. Kasuya, “Hydrogen in steel and cold cracking susceptibility,” J. Japan Weld. Soc., 82, No. 8, 569–593 (2013). Y. Liang, P. Sofronis, and R. H. Dodds, “Interaction of hydrogen with crack-tip plasticity: effect of constraint on void growth,” Mater. Sci. Eng., 366, No. 2, 397–411 (2004). I. K. Pokhodnya and V. I. Shvachko, “Physical nature of hydrogen-related cold cracks in the weld joints of high-strength structural steels,” Avtomat. Svarka, No. 5, 3–10 (1997). J. Ćwiek, “Hydrogen degradation of high strength weldable steels,” J. Achiev. Mater. Manufact. Eng., 20, Nos. 1–2, 223–226 (2007). P. L. Moore, D. S. Howse, and E. R. Wallach, “Microstructures and properties of laser/arc hybrid welds and autogenous laser welds in pipeline steels,” Sci. Technol. Weld. Joi., 9, No. 4, 314–322 (2004). P. Kah, A. Salminen, and J. Martikainen, “Laser-arc hybrid welding processes,” The Paton Welding J., No. 6, 32–40 (2010). M. Atabaki, J. Ma, G. Yang, and R. Kovacevic, “Hybrid laser/arc welding of advanced high strength steel in different butt joint configurations,” Mater. Design, 64, 573–587 (2014). X. Y. Gu, Z. Z. Duan, X. P. Gu, et al., “Microstructure and mechanical properties of laser-mag hybrid welded thick-section weathered steel joint,” Int. J. Adv. Manuf. Technol., 81, No. 5, 825–831 (2015). V. D. Poznyakov, V. D. Shelyagin, S. L. Zhdanov, et al., “Laser-arc welding of high-strength steels with yield strength of more than 700 MPa,” The Paton Welding J., No. 10, 19–24 (2015). V. Pozniakov, L. Markashova, O. Berdnikova, et al., “Structure and crack resistance of N-A-XTRA-70 steel joints manufactured by hybrid laser-arc welding,” Mater. Sci. Forum, 927, 29–34 (2018). O. Berdnikova, V. Poznyakov, and O. Bushma, “Laser and hybrid laser-arc welding of high strength steel N-A-XTRA-70,” Mater. Sci. Forum, 870, 630–635 (2016). O. Berdnikova, V. Sydorets, and T. Alekseienko, “Structure and properties of laser-welded joints from high-strength steels,” Appl. Mech. Mater., 682, 240–245 (2014). V. D. Poznyakov, V. D. Shelyagin, S. L. Zhdanov, et al., “Comparative evaluation of properties of high-strength N-A-XTRA-70 steel welded joints produced using arc, laser and hybrid laser-arc method,” The Paton Welding J., Nos. 5–6, 114–116 (2016). X. Cao, P. Wanjara, J. Huang, et al., “Hybrid fiber laser-arc welding of thick section high strength low alloy steel,” Mater. Design, 32, No. 6, 3399–3413 (2011). V. Shelyagin, V. Khaskin, A. Bernatskyi, et al., “Multi-pass laser and hybrid laser-arc narrow-gap welding of steel butt joints,” Mater. Sci. Forum, 927, 64–71 (2018). I. K. Pokhodnya, A. P. Pal’tsevich, and I. R. Yavdoshin, “Effect of weld metal sampling methods on the assessment of mobile diffusion hydrogen contents,” Avtomat. Svarka, No. 1, 24–28 (1986). A. P. Pal’tsevich, “Chromatographic method of detecting hydrogen contents in electrode coating components,” Avtomat. Svarka, No. 6, 46–48 (1999). A. N. Stroh, “The formation of cracks as a recoil of plastic flow,” P. Roy. Soc. A-Math. Phy., 223, No. 1154, 404–415 (1954). V. E. Panin, V. A. Likhachev, and Yu. V. Grinyaev, Structural Levels of Solid Deformation [in Russian], Nauka, Novosibirsk (1985). H. Conrad, “Effect of grain size on the lower yield and flow stress of iron and steel,” Acta Met., 11, No. 1, 75–77 (1963). A. V. Stepanov, Physical Nature of Brittle Fracture. Cold Brittleness of Steel and Steel Structures [in Russian], Nauka, Novosibirsk (1971). A. H. Cottrell, “Theoretical aspects of fracture,” in: B. L. Averbach, B. K. Felbeck, G. T. Hahn, and D. A. Thomas (Eds.), Fracture: Proceedings of an International Conference on the Atomic Mechanisms of Fracture held in Swampscott, MA, April 12–16, 1959, Wiley (1959). V. S. Ivanova, L. K. Gordienko, and V. N. Geminova, Role of Dislocations in Hardening and Fracture of Metals [in Russian], Nauka, Moscow (1965). E. Orowan, “Classical and disclocation theories of brittle fracture,” in: B. L. Averbach, B. K. Felbeck, G. T. Hahn, and D. A. Thomas (Eds.), Fracture: Proceedings of an International Conference on the Atomic Mechanisms of Fracture held in Swampscott, MA, April 12–16, 1959, Wiley (1959). G. T. Hahn, B. L. Averbach, W. S. Owen, and M. Cohen, “Initiation of cleavage microcrack in polycrystalline iron and steel,” B. L. Averbach, B. K. Felbeck, G. T. Hahn, and D. A. Thomas (Eds.), Fracture: Proceedings of an International Conference on the Atomic Mechanisms of Fracture held in Swampscott, MA, April 12–16, 1959, Wiley (1959). J. P. Hirth and J. Lothe, Theory of Dislocations, McGraw-Hill, New York (1967). A. Ya. Krasovskii, Physical Strength Grounds [in Russian], Naukova Dumka, Kiev (1977). S. A. Kotrechko and Yu. Ya. Meshkov, Ultimate Strength. Crystals, Metals, Structures [in Russian], Naukova Dumka, Kiev (2008). V. I. Trefilov, F. F. Moiseev, É. P. Pechkovskii, et al., Strain Hardening and Fracture of Polycrystalline Metals [in Russian], Naukova Dumka, Kiev (1987).