Full Text

В настоящее время в мировой практике прокатного производства существует устойчивая тенденция совмещения технологических агрегатов в единую линию в цехах холодной прокатки и нанесения покрытий [1]. На одном из ведущих предприятий металлургической отрасли России ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» в листопрокатном цехе № 11 в 2012 г. была запущена вторая очередь, включающая агрегат непрерывного отжига, совмещенный с агрегатом непрерывного горячего цинкования (АНО/АГЦ), новый агрегат непрерывного горячего цинкования холоднокатаных полос (АНГЦ-3) и линию инспекции (АИ). Особенностью технологий, осваиваемых в этом комплексе холодной прокатки, явилось применение в головных частях всех линий укрупнения рулонов методом лазерной сварки на сварочных машинах лазерного типа CSLH19 фирмы Miebach [2-4]. Лазерное излучение обеспечивает высокую концентрацию энергии, значительно превосходящую концентрацию других источников энергии, используемых для сварки [5-10]. Такой вид технологической операции впервые применен на отечественном прокатном производстве [11]. Огромное влияние на устойчивость технологического процесса в этом случае будет оказывать качество сварного соединения. Если сваренную полосу с некачественным сварным соединением отправить в линию агрегата, может произойти обрыв в зоне сварного шва и полная остановка линии до тех пор, пока полоса не будет извлечена [12]. В связи с этим необходима такая технология лазерной сварки, которая обеспечивала бы в достаточно широком диапазоне режимов гарантированно стабильное качество сварного соединения [13, 14]. На качество сварных швов при лазерной сварке большое влияние оказывает термическая обработка, а именно - предварительный и окончательный нагревы. Операция предварительного нагрева заключается в повышении температуры основного металла непосредственно перед лазерной сваркой. Окончательный нагрев сварного соединения полосы проводится сразу после завершения процесса лазерной сварки. При этом особенностью индукционных нагревателей машин лазерного типа фирмы Miebach является возможность повышения температуры свариваемого металла только в зоне проведения сварочного процесса по мере передвижения сварочной тележки. Предварительный нагрев сварных соединений проводится для уменьшения скорости теплоотвода при лазерной сварке в область основного металла, что позволяет повысить пластические свойства сварного соединения. Окончательный нагрев проводится с целью снизить скорость охлаждения сварного соединения, для уменьшения остаточных напряжений в зоне термического влияния (ЗТВ), которые также являются одной из основных причин обрывов сваренных полос в линиях агрегатов. Целью данной работы явилось исследование кристаллических зон и распределения микротвердости в сварных соединениях, полученных при различных мощностях предварительного и окончательного нагрева при лазерной сварке полос из низкоуглеродистой марки стали 10пс в условиях агрегатов второй очереди ЛПЦ-11 в ОАО ММК. Работа выполнялась в условиях НИИ наносталей МГТУ им. Г.И. Носова на образцах сварных соединений полос из стали марки 10пс толщиной от 0,4 до 0,99 мм, прошедших обработку на стыкосварочных машинах лазерного типа CSLH19 фирмы Miebach. Комплекс металлографических исследований был проведен с использованием светового микроскопа Meiji Techno при увеличении от 50 до 1000 крат с помощью программного обеспечения и алгоритмов обработки металлографических изображений «Thixomet PRO. Стандартные методы оценки структуры стали и сплавов». При этом использовались возможности этого программного продукта строить панорамные изображения, которые позволяют увидеть всю площадь сварного соединения в целом [15]. Испытания микротвердости осуществляли на твердомере Buehler Micromet методом вдавливания алмазной пирамиды с углом между противоположными гранями 136° в соответствии с ГОСТ 9450-76. Микротвердость измерялась в поперечном сечении нетравленых шлифов в направлении от оси сварного шва к основному металлу в трех зонах по толщине листа: на периферии вблизи каждой из поверхности листа со стороны широкой части шва (ряд 1) и со стороны узкой части шва (ряд 3), а также по центральной линии сечения (ряд 2), как показано на рис. 1. Замеры твердости выполнялись до тех пор, пока значения измеренных величин не достигали значений твердости свариваемого металла. Рис. 1. Схема расположения точек измерения микротвердости Типичную микроструктуру сварного шва и ЗТВ после осуществления лазерной сварки полосы из стали 10пс иллюстрирует рис. 2. Были выявлены следующие структурные зоны: зона кристаллизации сварного шва, зона перегрева, зона нормализации, зона рекристаллизации и зона основного металла (рис. 3). Рис. 2. Типичная микроструктура сварного шва и ЗТВ после осуществления лазерной сварки полосы из стали 10пс а б в г д Рис. 3. Микроструктура кристаллических зон по средней линии сварного соединения, полученного лазерной сваркой полосы из стали 10пс: а - зона кристаллизации сварного шва; б - зона перегрева; в - зона нормализации; г - зона рекристаллизации; д - зона основного металла Влияние мощности предварительного нагрева на формирование сварного соединения при реализации опытных режимов лазерной сварки продемонстрировано в табл. 1. При этом остальные параметры сварки были выбраны приблизительно одинаковыми. Распределение микротвердости по толщине сварных соединений представлено на рис. 4. Таблица 1 Влияние параметров предварительного нагрева на характеристики твердости Марка стали Толщина, мм Скорость, м/мин Мощность лазера, кВт Заглубление фокальной плоскости, мм Нагрев, кВт Микротвердость, МПа Предварительный Окончательный Макс. твердость шва Твердость основного металла 10пс 0,45 6 2,3 6 0 5,3 2598 2211 0,45 5 2,1 6 0,25 5,5 2317 2169 а б Рис. 4. Распределение микротвердости в различных зонах по толщине лазерного сварного соединения полосы из стали марки 10пс при мощности предварительного нагрева 0 (а), 0,25 кВт (б) и средние значения микротвердости (в) в Результаты исследований показали, что характер изменения микротвердости по мере удаления от оси сварного шва соответствует расположению структурных зон и их протяженности, причем распределение микротвердости по толщине листа (т.е. в рядах 1, 2 и 3) во всех случаях было практически одинаковым (рис. 4, а, б). Средние значения микротвердости стали марки 10пс при мощности предварительного нагрева 0 и 0,25 кВт сопоставлены на рис. 4, в. При меньшей мощности предварительного нагрева наблюдается более равномерное распределение микротвердости в зоне кристаллизации шва и в ЗТВ. По мере увеличения мощности предварительного нагрева происходит резкое увеличение длины зоны разупрочнения: при отсутствии предварительного нагрева длина зоны разупрочнения сварного соединения составляла 3 мм, а при увеличении мощности до 0,25 кВт она возросла до 5,5 мм. При этом происходит снижение уровня микротвердости как в зоне кристаллизации сварного соединения, так и в ЗТВ. Влияние окончательного нагрева при лазерной сварке нагартованного металлопроката в условиях агрегата АНО/АГЦ проиллюстрировано в табл. 2. Таблица 2 Влияние параметров окончательного нагрева на характеристики твердости Марка стали Толщина, мм Скорость, м/с Мощность лазера, кВт Заглубление фокальной плоскости, мм Нагрев, кВт Микротвердость, МПа Предварительный Окончательный Макс. твердость шва Твердость основного металла 10пс 0,45 6,6 2,5 6 0 0 2538 2292 0,45 6 2,1 6 0 4 2394 1729 0,45 6 2,1 6 0 4,5 2664 1757 0,45 6 2,3 6 0 5,5 2441 1393 Значения мощности предварительного нагрева стали марки 10пс были выбраны равными нулю, а мощность окончательного нагрева составила от 0 до 5,5 кВт. Характер изменения микротвердости по мере удаления от оси сварного шва (рис. 5) соответствует расположению структурных зон и их протяженности. Как показал комплекс металлографических исследований, протяженность кристаллических зон, определенная по средней линии сварных соединений, оказалась различной при различных мощностях окончательного нагрева лазера (рис. 6). а б Расстояние от оси до шва, мм в г Рис. 5. Распределение микротвердости в различных зонах по толщине лазерного сварного соединения полосы из стали 10пс при мощности окончательного нагрева 0 (а); 4 (б); 4,5 (в); 5,5 (г) При увеличении мощности окончательного нагрева наибольшее изменение претерпевает зона рекристаллизации, от которой в первую очередь зависит величина зоны разупрочнения сварного соединения. Исследования показали, что при увеличении мощности окончательного нагрева длина зоны разупрочнения изменилась от 0,56 до 3,1 мм. При этом при увеличении мощности окончательного нагрева до значений выше 4,5 кВт происходит резкое увеличение длины зоны рекристаллизации и зоны разупрочнения. Это ухудшает качество сварного соединения, о чем свидетельствует появление трещины в зоне разупрочнения при специальных испытаниях на выдавливание сферической лунки в сварном шве и околошовной зоне. Рис. 6. Влияние мощности окончательного нагрева на протяженность структурных зон сварного соединения: - кристаллизации шва; - перегрева; - нормализации; - рекристаллизации; - разупрочнения Таким образом, при увеличении мощности предварительного и окончательного нагрева происходит увеличение длины зоны разупрочнения. При этом при увеличении мощности окончательного нагрева свыше 4,5 кВт резко увеличивается длина зоны рекристаллизации и протяженность зоны разупрочнения, что приводит к ухудшению качества сварного соединения.

About the authors

A. I Lazareva

Nosov Magnitogorsk State Technical University

Email: Anna_Lazareva89@bk.ru

N. V Kopceva

Nosov Magnitogorsk State Technical University

D. A Gorlenko

Nosov Magnitogorsk State Technical University

J. J Efimova

Nosov Magnitogorsk State Technical University

O. A Nikitenko

Nosov Magnitogorsk State Technical University

E. M Golubchik

Nosov Magnitogorsk State Technical University

References

Statistics

Views

Abstract - 63

PDF (Russian) - 30

Refbacks

• There are currently no refbacks.