Full Text

В сварном шве при кристаллизации происходят сложные металлургические процессы. После завершения процесса кристаллизации при последующем охлаждении в металле шва и зоне термического влияния происходят структурно-фазовые превращения. Вид и характер превращений зависят в первую очередь от свариваемого материала (химического состава, наличия полиморфных и структурных превращений) и его исходного состояния, а также от термического цикла процесса. Строение зоны термического влияния определяется по температурным интервалам, в пределах которых происходит нагрев основного металла при сварке. Границами температурных интервалов являются критические точки структурно-фазовых превращений в соответствии с диаграммой состояния для этого материала. Для широкого класса сталей (низко- и среднелегированных с низким и средним содержанием углерода) наиболее «опасным» считается участок основного металла, прилегающий к сварному шву и нагреваемый выше температуры конца фазового перехода a®g (температуры Ас3), так как на этом участке в процессе охлаждения возможно образование структур закалочного типа. Наложение фазовых напряжений на сварочные может значительно «ослабить» металл и привести к его разрушению и появлению холодных трещин. Вид сформировавшейся микроструктуры на этом участке зависит от скорости охлаждения, так как скорость охлаждения определяет кинетику трансформации аустенита. В теории металловедения и термической обработки материалов большое внимание уделяется прогнозированию кинетики распада аустенита при охлаждении и разработке физических и регрессионных моделей процесса или его основных характеристик. Пранализировав современные методы исследования кинетики превращения аустенита при охлаждении и прогнозирования микроструктуры [1-10], можно выделить следующие основные направления для выбора методики прогнозирования структуры сварных соединений применительно к электронно-лучевой сварке. Качественный (экспресс) анализ образующихся структурных составляющих в металле сварного шва и зоны термического влияния можно проводить путем нанесения кривых охлаждения, соответствующих термическому циклу заданного участка, на изотермическую или термокинетическую диаграмму распада аустенита. При этом диаграмма может быть как экспериментальной, так и расчетной. Для прогнозирования количественного состава образующихся структурных составляющих при электронно-лучевой сварке необходимо построение структурных диаграмм распада аустенита, учитывающих особенности высокоскоростного нагрева и охлаждения. Основой для построения структурных диаграмм могут стать как физические модели построения изотермических и термокинетических диаграмм, так и регрессионные уравнения, при условии их адаптации к термическому циклу электронно-лучевой сварки. Для прогнозирования микроструктуры металла шва и зоны термического влияния необходимо следующее: - знать изменение температуры во времени (термический цикл) для заданного участка сварного соединения; - определиться с основными критериями, соответствующими термическому циклу, с помощью которых будет оцениваться вероятность и процентное соотношение образования структурных составляющих. Основным критерием при определении микроструктуры в сварных соединениях является скорость охлаждения. В частности, для низко- и среднелегированных сталей ориентируются по скорости охлаждения в интервале значений температуры наименьшей устойчивости аустенита 600-500 °С (w6/5) [11, 12]. Также широко используется в качестве критерия время охлаждения в интервале значений температуры 800-500 (t8/5) и 800-200 °С (t8/2) [13-15]. Скорость w6/5 и температуру t8/5 охлаждения можно рассчитать из термического цикла. Однако скорости нагрева и охлаждения в процессе сварки изменяются во времени, поэтому точнее будет использовать мгновенные скорости процесса. Используя термический цикл сварки, также можно оценить и мгновенную скорость охлаждения [16-19]. Поскольку электронно-лучевая сварка отличается от других видов сварки более высокими скоростями нагрева и охлаждения, а также применяется для сварки средне- и высоколегированных сталей, имеющих более низкий температурный интервал наименьшей устойчивости аустенита, возникает необходимость выбора других критериев для определения процентного соотношения структурных составляющих. Таким критерием может стать мгновенная скорость охлаждения. В работе проведен анализ термических циклов при электронно-лучевой сварке для различных участков сварного соединения по ширине и глубине, для того чтобы определиться с выбором основного критерия, который будет использоваться в методах прогнозирования образующихся структурных составляющих. Температурно-временной цикл для заданной точки сварного соединения, полученного электронно-лучевой сваркой, можно построить, используя одно из уравнений тепловых моделей [20]. Вид уравнения выбирается в зависимости от вида траектории перемещения электронного луча при сварке. Для построения термического цикла в уравнениях задаются координаты y и z рассматриваемой точки сварного соединения, координата x является переменной и изменяется от положительного до отрицательного значения. При положительных значениях координаты x происходит нагрев, при x = 0 температура имеет максимальное значение, а при отрицательных значениях х происходит процесс охлаждения. Проведем расчет термических циклов для различных участков сварного соединения и их анализ на примере стали 20Х3МВФ (ЭИ415-Ш). Сварка проводилась по серийной заводской технологии: кольцевой шов, соединение «в замок» при значениях толщины свариваемых элементов 11 и 15 мм. Режимы сварки: ускоряющее напряжение U = 30 кВ, скорость сварки Vсв = 10 м/ч, ток электронного луча Iл = 100 мА. При сварке применялась осцилляция электронного луча по эллиптической траектории, амплитуда по координате x - 0,5 мм, по координате y - на 10 % меньше (0,45 мм). Макроструктура в поперечном сечении полученного сварного соединения представлена на рис. 1, а. Уравнения для определения мгновенных скоростей нагрева и охлаждения выводятся из уравнений решения тепловых задач [20]: при ; Результаты проведенных расчетов представлены на рис. 1, 2. В частности, на рис. 1, б показана расчетная форма шва, на рис. 1, в, д - изменение температуры мгновенных скоростей нагрева и на рис. 1, г, е - охлаждения во времени. Для построения термических циклов и мгновенных скоростей были выбраны следующие участки сварочного соединения: металл шва - точки 1, 4; зона перегрева, температура 1350 °С - точки 2, 5; зона полной перекристаллизации, температура 1000 °С - точки 3, 6. Также при расчете учитывалась разная глубина этих участков: точки 1-3 - на глубине 1,5 мм, точки 4, 5, 6 - на глубине 6 мм. На графиках термических циклов для верхней части шва видно, что в процессе охлаждения при температуре ниже 500 °С наблюдается практически одинаковое изменение температуры во времени (см. рис. 1, в, точки 1-3). В нижней части шва начиная с температуры 800 °С кривые охлаждения для различных точек сварного соединения практически совпадают (см. рис. 1, д, точки 4-6). а б в г д е Рис. 1. Макроструктура сварного соединения (а), расчетная форма шва (б), термические циклы (в, д) и мгновенные скорости изменения температуры (г, е), сталь 20Х3МВФ: точки 1-3 при h = 1,5 мм; точки 4, 5, 6 при h = 6 мм, 1, 4 - металл шва; 2, 5 - зона перегрева; 3, 6 - зона полной перекристаллизации Максимально достигаемые значения скоростей нагрева и охлаждения в нижней части шва значительно превосходят максимальные значения, достигаемые в верхней части (см. рис. 1, г, е). Чтобы определить мгновенную скорость охлаждения в заданном интервале значений температуры, нагляднее будет представить изменение скоростей нагрева и охлаждения в зависимости не от времени, а от температуры (рис. 2). Во всех случаях в процессе нагрева мгновенная скорость достигает максимального значения при значениях температуры ниже наибольшей температуры нагрева в данной точке, затем скорость падает (см. рис. 2, а, б). При этом скорость нагрева в металле шва в нижней части увеличивается более чем в 2 раза по сравнению с верхней частью шва (точки 1 и 4). В зоне термического влияния скорости нагрева в межкритической области (Ас1-Ас3) превышают 500 °С/с, а время пребывания металла выше Ас3 составляет не более 3 с (см. рис. 1, д). При таких скоростях нагрева подавляются и диффузионные процессы, и процессы, связанные с миграцией границ. Соответственно, на данном участке существенный рост зерна наблюдаться не будет, а образовавшийся аустенит будет обладать значительной химической неоднородностью. В процессе охлаждения сначала идет резкое увеличение мгновенной скорости (см. рис. 2, в, г), достигается максимальное значение, скорость охлаждения снижается. Чем дальше от источника нагрева находится рассматриваемая точка, тем меньше интервал значений температуры, в котором происходит резкое увеличение скорости охлаждения. При охлаждении ниже равновесной температуры начала фазового превращения Ае3 существенные отличия в характере изменения скорости охлаждения не наблюдаются и скорость охлаждения принимает практически одинаковые значения. Именно при этих значениях температуры в сварном соединении должны происходить структурно-фазовые превращения. Чтобы судить, в одинаковых ли условиях происходит охлаждение разных участков сварного соединения, определим значения скорости охлаждения в интервале значений температуры наименьшей устойчивости аустенита 600-500 °С (w6/5) и время охлаждения в интервале значений температуры 800-200 °С (t8/2). Полученные данные представлены в таблице и на рис. 3. В таблице также указаны значения максимальной мгновенной скорости охлаждения данного термического цикла (max Wохл). Для металла шва взята мгновенная скорость охлаждения при температуре ниже конца кристаллизации, соответствующей твердому состоянию, - 1350 °С. а б в г Рис. 2. Рассчитанные мгновенные скорости нагрева (а, б) и охлаждения (в, г): точки 1-3 при h = 1,5 мм; точки 4-6 при h = 6 мм, 1, 4 - металл шва; 2, 5 - зона перегрева; 3, 6 - зона полной перекристаллизации Параметры процесса охлаждения для сварного соединения сталь 20Х3МВФ Параметр охлаждения Анализируемые участки сварного соединения Металл шва Зона перегрева, Тн = 1350 °С Зона полной перекристаллизации, Тн = 1000 °С h = 1,5 мм h = 6 мм h = 1,5 мм h = 6 мм h = 1,5 мм h = 6 мм t8/2, с 20,2 19,7 20 19,7 20,3 19,8 w5/6, °С/с 26 30 28,5 30,4 29 31 max Wохл, °С/с 414 1000 321 564 153 202 Металл шва Зона перегрева а б в г Рис. 3. Изменение температуры (а, б) и мгновенная скорость охлаждении (в, г) для металла шва (а, в) и зоны перегрева (б, г) Сравнительный анализ данных термических циклов (t8/2, w6/5, max Wохл), полученных расчетным путем для различных участков сварного соединения, показал следующее. Для зон сварного соединения, имеющих одну температуру и находящихся на разной глубине, время охлаждения в интервале значений температуры 800-200 °С (t8/2) отличается на десятые доли секунды, скорость охлаждения при температуре 550 °С (w5/6) изменяется в пределах до 3 °С/с (см. таблицу). В то же время максимальные значения мгновенной скорости охлаждения (max Wохл) значительно возрастают по глубине: для металла шва больше чем в 2 раза, в зоне перегрева более чем в 1,7 раз, а в зоне полной перекристаллизации в 1,5 раза. При сравнении данных t8/2, w6/5, max Wохл для металла шва, зон перегрева и полной перекристаллизации, находящихся на одной глубине сварного соединения, также наблюдаются незначительные изменения времени охлаждения в интервале значений температуры 800-200 °С и скорости охлаждения при температуре 550 °С. Максимальные значения мгновенной скорости охлаждения (max Wохл) по ширине сварного соединения уменьшаются. В соответствии с данными по времени t8/2 и скорости w6/5 процесс охлаждения сварного соединения ниже температуры фазового превращения Ае3 происходит в одинаковых условиях. Соответственно, структура в металле шва и зоне термического влияния по всей глубине сварного соединения должна быть одинаковая. Однако, как показал металлографический анализ, в металле шва по глубине сформировалась разная микроструктура (рис. 4, 5). Металлографические исследования металла шва проводились после травления реактивом Круппа (соляная кислота - 100 мл, азотная кислота - 10 мл, дистиллированная вода - 100 мл) на оптическом микроскопе МИМ-10 и сканирующем электронном микроскопе TESCAN Mira 3 LM. В нижней части сварного шва образуется практически мартенситная структура с небольшими выделениями бейнита, в верхней части шва количество бейнита больше и он выделяется в основном по границам первичных дендритных зерен. а б в г Рис. 4. Микроструктура металла шва в верхней (а, б) и нижней частях (в, г), оптическая микроскопия а б Рис. 5. Микроструктура металла шва в верхней (а) и нижней частях (б), электронная микроскопия Из представленных графиков (см. рис. 1, 2 и 3) видно, что значительное отличие в термических циклах и скоростях охлаждения наблюдается именно в высокотемпературной области, выше температуры 800 °С. При этом для различных участков сварного соединения значительные отличия наблюдаются только в значениях максимальной мгновенной скорости охлаждения max Wохл. Таким образом, проведенный анализ термических циклов для различных участков сварного соединения и возможных критериев для дальнейшего прогнозирования формирующейся структуры показал следующее. Традиционно принятые время и скорость охлаждения в интервале значений температуры ниже 800 °С не отражают особенности высокоскоростного охлаждения при электронно-лучевой сварке, отличающегося и по глубине и по ширине сварного соединения. В данном случае для полной характеристики термического цикла критерии должны отражать всю предысторию охлаждения начиная с максимально достигаемой температуры при нагреве, а не только в интервале значений температуры структурно-фазовых превращений. Такими критериями могут стать максимальная температура нагрева для данного термического цикла и максимально достигнутая в нем мгновенная скорость охлаждения.

About the authors

T. V Olshanskaya

Perm National Research Polytechnic University

E. M Fedoseeva

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 23

PDF (Russian) - 12

Refbacks

• There are currently no refbacks.