Усталостная прочность сварных соединений сталей 30ХГСА–40ХМФА, полученных ротационной сваркой трением

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Ротационная сварка трением (РСТ) используется при производстве бурильных труб для геологоразведки на твердые полезные ископаемые. Потребность в создании облегченных колонн бурильных труб для высокоскоростного алмазного бурения сверхглубоких скважин диктует необходимость более пристального внимания к изучению зоны сварного шва и назначению технологических параметров РСТ. В работе приведены результаты экспериментальных исследований сварного соединения бурильной трубы типоразмера H по ISO 10097 из сталей 30ХГСА (тело трубы) и 40ХМФА (замковая часть) в условиях воздействия циклических нагрузок. Оценивалось влияние силы, прикладываемой к заготовкам в процессе трения соприкасающихся поверхностей (силы при нагреве), и послесварочного отпуска при температуре 550 °С на циклическую долговечность сварных соединений в условиях знакопеременного растяжения-сжатия при напряжении амплитуды цикла ±420 МПа. Установлено, что с увеличением силы при нагреве в зоне термомеханического влияния происходят изменения микроструктуры, способствующие повышению усталостной прочности сварных соединений. Выявлено негативное влияние послесварочного отпуска на усталостную прочность сварных соединений, выражающееся в снижении количества циклов до разрушения на 15–40 % в зависимости от величины силы при нагреве. Определен оптимальный режим РСТ указанного сочетания сталей, обеспечивающий наибольшее количество циклов до разрушения: сила при нагреве (при трении) Fн=120 кН, сила проковки Fпp=160 кН, частота вращения при нагреве n=800 об/мин и осадка при нагреве l=8 мм. Проведена серия усталостных испытаний при различных значениях напряжения амплитуды цикла сварного соединения, полученного на оптимальном режиме, и основного металла стали 30ХГСА; построены кривые ограниченной выносливости. Показано, что различия в кривых ограниченной выносливости материала тела трубы (сталь 30ХГСА) и сварного соединения незначительны. Полученные результаты дополнены данными измерений микротвердости и фрактограммами разрушенных образцов, раскрывающими механизм распространения трещин в условиях воздействия циклических нагрузок.

Об авторах

Елена Юрьевна Приймак

АО «Завод бурового оборудования», Оренбург;
Оренбургский государственный университет, Оренбург

Автор, ответственный за переписку.
Email: elena-pijjmak@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-4571-2410

кандидат технических наук, заведующий лабораторией металловедения и термической обработки, доцент кафедры материаловедения и технологии материалов

Россия

Елена Александровна Кузьмина

АО «Завод бурового оборудования», Оренбург

Email: kuzmina0902@yandex.ru

начальник технического отдела 

Россия

Сергей Викторович Гладковский

Институт машиноведения имени Э.С. Горкунова УрО РАН, Екатеринбург

Email: gsv@imach.uran.ru
ORCID iD: 0000-0002-3542-6242

доктор технических наук, главный научный сотрудник

Россия

Дмитрий Иванович Вичужанин

Институт машиноведения имени Э.С. Горкунова УрО РАН, Екатеринбург

Email: mmm@imach.uran.ru
ORCID iD: 0000-0002-6508-6859

кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Россия

Валерия Евгеньевна Веселова

Институт машиноведения имени Э.С. Горкунова УрО РАН, Екатеринбург

Email: veselova@imach.uran.ru
ORCID iD: 0000-0002-4955-6435

младший научный сотрудник

Россия

Список литературы

  1. Emre H.E., Kaçar R. Effect of Post Weld Heat Treatment Process on Microstructure and Mechanical Properties of Friction Welded Dissimilar Drill Pipe // Materials Research. 2015. Vol. 18. № 3. P. 503–508. doi: 10.1590/1516-1439.308114.
  2. Banerjee A., Ntovas M., Da Silva L., Rahimi S., Wynne B. Inter-relationship between microstructure evolution and mechanical properties in inertia friction welded 8630 low-alloy steel // Archives of Civil and Mechanical Engineering. 2021. Vol. 21. Article number 149. doi: 10.1007/s43452-021-00300-9.
  3. Khadeer Sk.A., Babu P.R., Kumar B.R., Kumar A.S. Evaluation of friction welded dissimilar pipe joints between AISI 4140 and ASTM A 106 Grade B steels used in deep exploration drilling // Journal of Manufacturing Processes. 2020. Vol. 56. P. 197–205. doi: 10.1016/j.jmapro.2020.04.078.
  4. Kumar A.S., Khadeer Sk.A., Rajinikanth V., Pahari S., Kumar B.R. Evaluation of bond interface characteristics of rotary friction welded carbon steel to low alloy steel pipe joints // Materials Science & Engineering A. 2021. Vol. 824. Article number 141844. doi: 10.1016/j.msea.2021.141844.
  5. Li P., Wang S., Xia Y., Hao X., Lei Z., Dong H. Inhomogeneous microstructure and mechanical properties of rotary friction welded AA2024 joints // Journal of Materials Research and Technology. 2020. Vol. 9. № 3. P. 5749–5760. doi: 10.1016/j.jmrt.2020.03.100.
  6. Nagaraj M., Ravisankar B. Effect of Severe Plastic Deformation on Microstructure and Mechanical Behaviour of Friction-Welded Structural Steel IS2062 // Transactions of the Indian Institute of Metals. 2019. Vol. 72. P. 751–756. doi: 10.1007/s12666-018-1527-1.
  7. Jeffrey W.S., Thomas G.H., McColskey J.D., Victor F.P., Ramirez A.J. Characterization of mechanical properties, fatigue-crack propagation, and residual stresses in a microalloyed pipeline-steel friction-stir weld // Materials and Design. 2015. Vol. 88. P. 632–642. doi: 10.1016/j.matdes.2015.09.049.
  8. Abdulstaar M.A., Al-Fadhalah K.J. Wagner L. Microstructural variation through weld thickness and mechanical properties of peened friction stir welded 6061 aluminum alloy joints // Materials Characterization. 2017. Vol. 126. P. 64–73. doi: 10.1016/j.matchar.2017.02.011.
  9. Mc Pherson N.A., Galloway A.M., Cater S.R., Hambling S.J. Friction stir welding of thin DH36 steel plate // Science and Technology of Welding & Joining. 2013. Vol. 18. P. 441–450. doi: 10.1179/1362171813Y.0000000122.
  10. Baillie P., Campbell S., Galloway A., Cater S.R., Mcpherson N.A. A Comparison of Double Sided Friction Stir Welding in Air and Underwater for 6mm S275 Steel Plate // International Journal of Chemical, Nuclear, Metallurgical and Materials Engineering. 2014. Vol. 8. P. 651–655. doi: 10.13140/2.1.2306.2400.
  11. Ericsson M., Sandstrom R. Influence of welding speed on the fatigue of friction stir welds, and comparison with MIG and TIG // International Journal of Fatigue. 2003. Vol. 25. № 12. P. 1379–1387. doi: 10.1016/S0142-1123(03)00059-8.
  12. Yamamoto Y., Ochi H., Sawai T., Ogawa K., Tsujino R., Yasutomi M. Tensile Strength and Fatigue Strength of Friction-Welded SUS304 Stainless Steel Joints-Evaluation of Joint Strength by Deformation Heat Input in Upset Stage and Upset Burn-Off Length // Journal of the Society of Materials Science Japan. 2004. Vol. 53. № 5. P. 512–517. doi: 10.2472/jsms.53.512.
  13. Paventhan R., Lakshminarayanan P.R., Balasubramanian V. Fatigue behaviour of friction welded medium carbon steel and austenitic stainless steel dissimilar joints // Materials and Design. 2011. Vol. 32. № 4. P. 1888–1894. doi: 10.1016/j.matdes.2010.12.011.
  14. Sahin M. Joining with friction welding of high speed and medium carbon steel // Journal of Materials Processing Technology. 2005. Vol. 168. № 2. P. 168–202. doi: 10.1016/j.jmatprotec.2004.11.015.
  15. Атамашкин А.С., Приймак Е.Ю., Тулибаев Е.С., Степанчукова А.В. Предел выносливости и механизм разрушения фрикционных сварных соединений геологоразведочных бурильных труб // Черные металлы. 2021. № 5. С. 33–38. doi: 10.17580/chm.2021.05.06.
  16. Belkahla Y., Mazouzi A., Lebouachera S.E.I., Hassan A.J., Fides M. Hvizdoš P., Cheniti B., Miroud D. Rotary friction welded C45 to 16NiCr6 steel rods: statistical optimization coupled to mechanical and microstructure approaches // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2021. Vol. 116. P. 2285–2298. doi: 10.1007/s00170-021-07597-z.
  17. Selvamani S.T., Vigneshwar M., Nikhil M., Hariharan S.J., Palanikumar K. Enhancing the Fatigue Properties of Friction Welded AISI 1020 Grade Steel Joints using Post Weld Heat Treatment Process in Optimized Condition // Materials Today: Proceedings. 2019. Vol. 16-2. P. 1251–1258. doi: 10.1016/j.matpr.2019.05.222.
  18. Mercan S., Aydin S., Özdemir N. Effect of welding parameters on the fatigue properties of dissimilar AISI 2205–AISI 1020 joined by friction welding // International Journal of Fatigue. 2015. Vol. 81. P. 78–90. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2015.07.023.
  19. Barrionuevo G.O., Mullo J.L., Ramos-Grez J.A. Predicting the ultimate tensile strength of AISI 1045 steel and 2017-T4 aluminum alloy joints in a laser-assisted rotary friction welding process using machine learning: a comparison with response surface methodology // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2021. Vol. 116. P. 1247–1257. doi: 10.1007/s00170-021-07469-6.
  20. Лукин В.И., Овсепян С.В., Ковальчук В.Г., Саморуков М.Л. Особенности ротационной сварки трением высокожаропрочного никелевого сплава ВЖ175 // Труды ВИАМ. 2017. № 12. С. 3–12. doi: 10.18577/2307-6046-2017-0-12-1-1.
  21. Fang Y., Jiang X., Mo D., Zhu D., Luo Z. A review on dissimilar metals’ welding methods and mechanisms with interlayer // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2019. Vol. 102. P. 2845–2863. doi: 10.1007/s00170-019-03353-6.
  22. Кузьмина Е.А., Приймак Е.Ю., Кириленко А.С. Оптимизация параметров ротационной сварки трением разнородных сварных соединений среднеуглеродистых легированных сталей 30ХГСА и 40ХМФА // Металловедение и термическая обработка металлов. 2022. № 10. С. 52–59. doi: 10.30906/mitom.2022.10.52-59.
  23. Вилль В.И. Сварка металлов трением. М.: Машиностроение, 1970. 176 с.
  24. Priymak E.Yu., Lobanov M.L., Belikov S.V., Karabanalov M.S., Yakovleva I.L. Structure Formation Patterns and Crystallographic Texture in Welded Joints of Medium-Carbon Alloy Steels in the Process of Rotary Friction Welding // Physics of Metals and Metallography. 2022. Vol. 123. № 6. P. 559–566. doi: 10.1134/S0031918X22060126.
  25. Кузьмина Е.А., Приймак Е.Ю., Кириленко А.С., Сёмка Я.С. Влияние силы нагрева при ротационной сварке трением на механические свойства и механизм разрушения при растяжении разнородных сварных соединений сталей 30ХГСА и 40ХМФА // Черные металлы. 2022. № 12. С. 49–57. doi: 10.17580/chm.2022.12.07.
  26. Атамашкин А.С., Приймак Е.Ю. Влияние послесварочного отпуска на механическое поведение фрикционных сварных соединений сталей 32Г2 и 40ХН в условиях многоцикловой усталости // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2021. № 3. С. 7–18. doi: 10.18323/2073-5073-2021-3-7-18.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© ,



Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах