Полный текст

Технологические операции, применяемые в процессе изготовления сварных конструкций, могут существенно снижать начальную термодинамическую устойчивость свариваемого металла в связи с дополнительной гетерогенностью, обусловленной появлением различного рода неоднородностей. Основными видами неоднородности сварного соединения являются: структурно-химическая макро- и микронеоднородности металла, связанные с наличием литого металла шва, зоны термического влияния и основного металла (макронеоднородность), с наличием зерен, границ зерен, фаз, включений и т.д. в пределах каждой зоны сварного соединения (микронеоднородность); неоднородность упругопластического напряженного состояния, вызванная неравномерным распределением остаточных напряжений и деформаций в сварном соединении; геометрическая неоднородность, связанная с наличием дефектов сварного шва, конструктивных концентраторов, зависящих от типа сварного шва [1-5]. Наиболее характерной особенностью соединений, выполненных сваркой плавлением, является наличие зон с различными механическими свойствами и микроструктурой. Сварное стыковое соединение в поперечном сечении имеет несколько участков, которые могут существенно различаться между собой по механическим свойствам и микростуктуре (рис. 1). Это сварной шов, околошовная зона (зона термического влияния - ЗТВ), материал, которой у ряда сталей претерпевает структурные превращения и может иметь повышенные твердость и прочность. Далее расположена зона, нагревшаяся до более низких температур (основной металл). Сварной шов ЗТВ ЗТВ Корень шва Основной металл Основной металл Рис. 1. Сварное стыковое соединение стали Х65 в поперечном сечении В той или иной мере для сварных соединений характерно различие механических свойств и микроструктуры металла на разных участках, соизмеримых с размерами соединения. Такое различие называется механической и структурной микронеоднородностью [6]. Металл шва имеет литую структуру, но свойства зависят от химического состава металла, скорости охлаждения, характера кристаллизации и других факторов. К шву примыкает ряд зон, свойства и протяженность которых зависят от исходного структурного состояния, теплового режима сварки, длительности пребывания металла при высоких температурах и скорости его охлаждения. Сварные конструкции выполняют из различных сплавов, влияние термического эффекта сварки этих сплавов вызывает появление (в зависимости от исходного состояния) закалочных структур [6, 7], т.е. твердых прослоек, или же зон с пониженной твердостью, т.е. мягких прослоек. Поскольку работоспособность сварных соединений зависит от протяженности твердых и мягких прослоек, т.е. от характера распределения твердости и микрострукты в сварном соединении, изучение их в сварных швах конструкций ответственного назначения, таких как трубопроводы, является достаточно актуальным. В работе изучены механическая и структурная микронеоднородность сварных соединений из стали Х65 (см. рис. 1). Сталь Х65 является микролегированной сталью, широко используемой при строительстве магистральных трубопроводов. Сталь Х65 (класс прочности К56-К60) считается микролегированной, потому как химический состав стали Х65 для производства труб с толщиной стенки 13,7-30 мм кроме основных элементов: C (0,05-0,13 %), Mn (1,28-1,78 %), Si (0,13-0,39 %) - содержит микролегирующие добавки: Nb (0,015-0,072 %), V (0,02-0,09 %) и Mo (0,19-0,35 %). В процессе легирования стали данными элементами ее отличительной особенностью становится такое свойство, как сохранение пластичности при низкой температуре [8, 9]. Образцы сварных соединений [10] для исследований получены при сварке труб размерами 1220 × 15,7 мм комбинированной технологией РД + МПС (корень: ручная дуговая (РД) сварка, сварочные материалы ЛБ52У диаметром 3,2 мм; заполнение и облицовка: механизированная сварка самозащитной порошковой проволокой, сварочные материалы Innershield NR-208S диаметром 2,0 мм). В табл. 1 приведены режимы РД-сварки корневого и подварочного слоев шва. Таблица 1 Режимы ручной дуговой сварки электродами с покрытием (ЛБ52У) на подъем Слои шва Диаметр электрода, мм Сварочный ток (А) в положении при сварке нижнее вертикальное потолочное Корневой 3,0-3,25 90-120 90-110 80-110 Подварочный 3,0-3,25 90-120 90-110 80-110 Сварка самозащитной порошковой проволокой выполняется на спуск постоянным током прямой полярности. Режимы механизированной сварки самозащитной порошковой проволокой Innershield приведены в табл. 2. Сварка заполняющих слоев сварных соединений труб, начиная с третьего, выполнена по методу «слой за два прохода». Облицовочный слой шва выполнен по методу «слой за три прохода». Таблица 2 Режимы механизированной сварки самозащитной порошковой проволокой марки Innershield диаметром 2,0 мм Слои шва Скорость подачи проволоки, см/мин (дюйм/мин) Напряжение, В Заполняющие 200 (90) 18,5-19,5 Корректирующий 200 (80) 17,5-18,5 Облицовочный 200 (80) 17,5-18,5 Структурная микронеоднородность оценивалась по результатам металлографических исследований. Микроструктурный анализ проводили на металлографическом микроскопе ILM LED с цифровой камерой Leica DFC295 при увеличениях от ×100 до ×400 в режиме светлопольного освещения. Статистическую обработку результатов осуществляли с помощью программно-аппаратного комплекса «ВидеоТест-Металл 1.0», позволяющего анализировать основные структурные составляющие в стали (феррит, перлит и др.), автоматически определять содержание фаз по площади (в процентах) и сравнивать с эталонными шкалами. Микроструктура стали Х65 преимущественно ферритно-перлитная (рис. 2, а) с соотношением фазовых составляющих 40 : 60 % (балл 5). Структура полосчатая, образованная контролируемой прокаткой листов для производства сварных труб. В корневом шве при РД-сварке микроструктура ферритно-бейнитная (рис. 2, б) с соотношением феррита и бейнита 62 : 38 %. Сталь Х65 микролегирована ниобием, а ниобий в твердом растворе снижает температуру γ→α-превращения, что способствует образованию бейнита и снижению пластичности стали. Когда превращение происходит при температурах в интервале примерно от 200 до 370 °С, бейнит имеет игольчатую структуру с мельчайшими карбидными частицами, расположенными в объеме ферритных пластин (см. рис. 2, б), и называется нижним бейнитом. Сварка корня шва ведется на подъем, т.е. жидкий металл под действием собственного веса вытекает из-под дуги в заднюю часть ванны, вследствие чего глубина провара уменьшается, а силу сварочного тока устанавливают 90 А (согласно табл. 1), это приводит к уменьшению погонной энергии до значений <39 кДж/см и увеличению скорости охлаждения сварного соединения, а значит, образованию закалочных микроструктур в металле шва. Бейнитное превращение, называемое также промежуточным, происходит тогда, когда самодиффузия железа и диффузия легирующих элементов практически отсутствуют, а диффузия углерода еще достаточно существенна. Рис. 2. Микроструктура микролегированной трубной стали Х65: а - основной металл; б - корень шва при РД-сварке а 50 мкм б 50 мкм Бейнитное превращение сочетает элементы перлитного и мартенситного превращений. Ему предшествует диффузионное перераспределение углерода в аустените, в результате чего образуются участки, обедненные и обогащенные углеродом [4, 11, 12]. При образовании бейнита из-за меньшей подвижности углерода ферритная фаза в большей степени пересыщена углеродом, поэтому карбиды выделяются главным образом внутри ферритной фазы сразу после ее образования, подобно отпуску мартенсита. По этой причине иногда бейнит по структуре и свойствам считают аналогичным отпущенному мартенситу. В заполняющих слоях сварного шва при сварке самозащитной порошковой проволокой (МПС) наблюдается следующее: в ферритной основе обнаружены иглы мартенсита, шов имеет ферритно-бейнитную (участками мартенситную) структуру (рис. 3) с соотношением феррита - бейнита + мартенсита 70…74 : 30…36 %. Образование этой фазы, возможно, связано с дендритной ликвацией легирующих элементов (марганца и кремния) при скоростном охлаждении при сварке и снижением погонной энергии до значений <43 кДж/см при скорости подачи сварочной проволоки 200 см/мин и напряжении »18 В. В облицовочном слое сварного шва характер структурообразования меняется и наблюдается наличие ферритно-перлитной структуры с соотношением » 70 : 30 %. Рис. 3. Микроструктура заполняющих слоев стали Х65 при сварке технологией МПС 50мкм Необходимо отметить, что соотношение структурных составляющих по сечению вдоль шва меняется незначительно. Однако четко прослеживается изменение фазового состава. Зона термического влияния образована зернами феррита и перлита, карбидами, расположенными преимущественно по границе зерен (рис. 4). 50 мкм 50 мкм Рис. 4. Микроструктура зоны термического влияния Структурная микронеоднородность образуется в результате того, что в зерне аустенита, как первичной структуре, возникает громадное количество мелких кристаллитов мартенсита, разделенных поверхностью раздела. Каждый кристаллит мартенсита состоит из блоков, размер которых значительно меньше, чем в исходном аустените. Границы блоков мартенсита, имеющие линейные размеры порядка 200-300 мкм, образуют микронеоднородность. Механическую микронеоднородность оценивали по твердости [13, 14]. На рис. 5 показано изменение твердости по сечению шва (замер твердости проводился вдоль шва по направлению корень шва - заполнение и облицовка). В корне шва твердость в среднем составляет 188 HV, а в заполняющих слоях повышается (среднее значение 199 HV) благодаря наличию ферритно-бейнитной (участками мартенситной) структуры, которая увеличивает хрупкость и твердость металла шва, потому как твердость материала напрямую зависит от его структуры. 1 11 21 31 41 51 220 210 200 190 180 170 160 150 Расстояние между экспериментальными точками, 10-2 мм Рис. 5. Твердость сварных швов стали Х65, технология сварки РД + МПС Заполняющие и облицовочный слои шва Корень шва Толщина мартенситных пластин составляет 0,001-0,1 мм. На таком отрезке может уместиться от 30 до 5000 блоков кристалла мартенсита. Поверхности раздела мартенсита и особенно границы блоков представляют собой труднопреодолимые препятствия для движения дислокаций. Всё это и определяет высокую твердость стали, имеющей мартенситную структуру. Хрупкость мартенсита, вероятно, связана с образованием атмосфер из атомов углерода [4]. Определен характер изменения твердости в поперечном направлении сварного соединения основной металл - зона термического влияния - сварной шов - зона термического влияния - основной металл (рис. 6). При сварке данной технологией уровень твердости металла шва и зоны термического влияния составляет 182-208 HV, это на 5-15 единиц выше уровня твердости основного металла стали Х65, что обеспечивает надежность и равнопрочность сварного шва с основным металлом [15]. Расстояние между экспериментальными точками, 10-2 мм Основной металл Основной металл ЗТВ ЗТВ Сварной шов 220 210 200 190 180 170 160 150 1 11 21 31 41 51 61 71 81 91 101 Рис. 6. Характер изменения твердости в поперечном направлении сварного соединения Механическая микронеоднородность приводит к неравномерному распределению в сварном соединении таких механических свойств металла, как предел прочности, предел текучести, относительное удлинение, твердость и др. Твердость материала зависит от его кристаллической структуры и связана с многими механическими и физическими характеристиками. Таким образом, установлено, что причиной повышения твердости, а значит, снижения вязкости и пластичности металла шва служит формирование бейнитно-мартенситной структуры. Заключение Для сварных соединений характерно различие механических свойств и микроструктуры металла на разных участках, соизмеримых с размерами соединения, называемое механической и структурной микронеоднородностью. Выявлена закономерность структурной и механической микронеоднородности в сварных швах. К шву примыкает ряд зон, свойства и протяженность которых зависят от исходного структурного состояния, теплового режима сварки, длительности пребывания металла при высоких температурах и скорости его охлаждения. Установлено, что для сварных соединений из стали Х65 происходит изменение структурно-фазового состава швов и твердости. Твердость, как механическое свойство, в данном случае играет значительную роль по характеристикам, влияющим на работоспособность сварного соединения конструкции, в том числе ответственного назначения. Сварной шов должен обеспечивать равнопрочность с основным металлом. Сварной шов стали Х65 в заполняющих слоях имеет ферритно-бейнитную (участками мартенситную) структуру, которая отличается от других частей сварного шва; твердость в этой зоне повышается. Однако в целом уровень твердости металла шва и зоны термического влияния на 5-15 единиц выше уровня твердости основного металла стали Х65, что обеспечивает надежность и равнопрочность сварного шва с основным металлом.

Об авторах

Е. М Федосеева

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Email: Elena.fedoseeva.79@mail.ru

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 22

PDF (Russian) - 6

Ссылки

• Ссылки не определены.