CC BY
34
ВИАМ/2013-Тр-08-01
УДК 621.791
АРГОНО-ДУГОВАЯ СВАРКА ВЫСОКОПРОЧНОЙ ЦЕМЕНТУЕМОЙ СТАЛИ ВНС-63
В.И. Лукин
доктор технических наук И.П. Банас
кандидат технических наук В.Г. Ковальчук Е.В. Голев
Август 2013
Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП «ВИАМ» ГНЦ) - крупнейшее российское государственное материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет разрабатывающее и производящее материалы, определяющие облик современной авиационно-космической техники. 1700 сотрудников ВИАМ трудятся в более чем тридцати научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных цехах и испытательном центре, а также в четырех филиалах института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку металлических и неметаллических материалов, покрытий, технологических процессов и оборудования, методов защиты от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов, полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по государственным программам РФ, так и по заказам ведущих предприятий авиационно-космического комплекса России и мира.
В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.
За разработку и создание материалов для авиационно-космической и других видов специальной техники 233 сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены наградами на выставках и международных салонах в Женеве и Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3 бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.
Возглавляет институт лауреат государственных премий СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов.
Статья подготовлена для опубликования в журнале «Труды ВИАМ», №8, 2013 г.
УДК 621.791
В.И. Лукин, И.П. Банас, В.Г. Ковальчук, Е.В. Голев
АРГОНО-ДУГОВАЯ СВАРКА ВЫСОКОПРОЧНОЙ ЦЕМЕНТУЕМОЙ СТАЛИ ВНС-63
Подобран режим сварки стали ВНС-63. Проведены исследования сварных образцов из стали ВНС-63. Исследованы свойства и структура сварных соединений, влияние сварки и термической обработки на механические свойства сварных соединений из стали ВНС-63.
Ключевые слова: аргоно-дуговая сварка, сварные соединения, термическая обработка, цементация, стойкость против образования горячих трещин, прочность, ударная вязкость, многоцикловая усталость.
V.I. Lukin, I.P. Banas, V.G. Koval’chuk, E.V. Golev
TIG WELDING OF HIGH-STRENGTHENED CEMENTED STEEL VNS-63
The parameters of TIG welding technology of steel VNS-63 sampleswere selected. Investigation of welded samples made from VNS-63 were conducted. Mechanical properties and structure of welded samples, the influence of welding technology and heat treatment on the mechanical properties were investigated.
Key words: TIG welding, welded samples, heat treatment, cementation, hot cracks resistance, strength, impact strength, high cycle fatigue.
В настоящее время авиационная промышленность остается одним из высокотехнологичных секторов экономики, потребляющих наукоемкую продукцию [1]. Для дальнейшего развития с целью сохранения паритета на международной арене необходимо определить перспективные и стратегически важные направления развития материалов и технологий их переработки. Технологии сварки являются жизненно важными для успешного достижения целей в рамках стратегических направлений [1]. Разработка технологий соединения современных и перспективных материалов с обеспечением высокого уровня прочности позволит существенно повысить тактикотехнические характеристики перспективных образцов новой техники [1, 2]. Поэтому
развитие технологий сварки является одним из приоритетных направлений развития материалов и технологий их переработки до 2Q3Q года [1, 2]. Несмотря на то, что в обозримом будущем высокотехнологичные методы сварки, такие как электроннолучевая, лазерная, гибридная, плазменная, трением с перемешиванием, линейная, займут приоритетные позиции для обеспечения высоких прочностных свойств соединений конструкционных материалов, являющихся, как правило, ограниченно свариваемыми в силу структурных и химических особенностей, методы аргоно-дуговой сварки еще длительное время будут широко использоваться [3, 4].
Сегодня использование этих методов при сварке сталей со специальными свойствами, в том числе с цементированным поверхностным слоем [5], дает возможность получать высокие механические свойства на уровне, близком к уровню основного материала [6]. В ВИАМ проводились работы по выбору оптимальной технологии аргоно-дуговой сварки полуфабриката из коррозионностойкой стали ВНС-63. Данные по проводимым исследованиям и полученным результатам приведены далее.
Материалы и методы исследований
Сталь ВНС-63 (15Х15НЗКЗВМ2ФБА) предназначена для высоконагруженных деталей различного назначения, подвергаемых поверхностному упрочнению посредством химико-термической обработки, работающих на воздухе в общеклиматических условиях при температурах от -55 до +500°С, а также в среде масел и топлива.
Высокопрочная коррозионностойкая сталь ВНС-63, обладающая высокой прочностью, удовлетворительной пластичностью и вязкостью, является перспективным материалом для сварных конструкций, работающих в общеклиматических условиях. Однако сварка плавлением может оказывать значительное влияние на ее структуру и свойства [l].
Одним из целесообразных и наиболее часто применяемых в промышленности способов сварки сталей толщиной до 2Q мм является аргоно-дуговая сварка неплавящимся электродом с использованием присадочного материала [В]. В качестве присадочного материала для сварки стали ВНС-63 использовался основной материал в виде прутка квадратного сечения со стороной до 3 мм.
Образцы из стали ВНС-63 для исследований изготовляли из прессованного прутка 05Q мм. Пруток резали на заготовки и ковали на сутунки толщиной 4Q мм. После ковки сутунки подвергали чистовой обработке, прокатывали на толстые листы толщиной 16 и
18 мм и лист толщиной 3 мм, затем термообрабатывали под сварку по режиму: нормализация+отпуск.
Лист толщиной 3 мм после этого подвергали травлению и рубили на гильотинных ножницах на заготовки размером 5Q*5Q мм (для исследования склонности к образованию горячих трещин) и на присадочный материал сечением 3*3 мм. Листы толщиной 16 и 1В мм резали на заготовки шириной 6Q мм, длиной 15Q мм. Далее механически обрабатывали кромки до U-образной поверхности по длинной стороне. После зачистки и обезжиривания заготовки сваривали ручной аргоно-дуговой сваркой при токе прямой полярности (с использованием источника Lincoln Electric Precision TIG 3l5) с присадочным материалом из стали ВНС-63 - для дальнейшего исследования механических свойств и микроструктуры. Сварные стыки подвергали рентгеновскому контролю, в результате которого были обнаружены типичные дефекты сварных швов допустимых размеров. Качество сварных соединений было признано удовлетворительным.
При испытании на стойкость к образованию горячих трещин использовали установку, изготовленную в МГТУ им. Н.Э. Баумана - ЛТП1-6, на которой растяжение образцов в процессе сварки производится в направлении перпендикулярном направлению сварки. Методика исследования является универсальной для испытаний различных сплавов, как с присадочным материалом, так и без него. В качестве критерия используется максимальная (критическая) скорость деформации v^, при которой в образце не образуется трещина.
Исследовались характеристики прочности при температурах +2Q, +3QQ, -550С и ударной вязкости при температурах +2Q и -55°С.
Структурные исследования сварных соединений проводили методом металлографии с помощью оптического микроскопа Olympus GX51. Для выявления структуры образцы травили электролитически в Ю%-ном растворе щавелевой кислоты.
Испытания на МнЦУ проводили на машине МВИ611М в условиях чистого изгиба с вращением при частоте 5Q Гц и коэффициенте асимметрии цикла R=-l.
Результаты исследований и их обсуждение
Исследовали механические свойства (ав, KCU) сварных соединений после упрочняющей термической обработки: нормализация+отпуск+закалка+отпуск.
Испытания сварных соединений из стали ВНС-63 на растяжение при температурах +2Q,
+300, -55°С (табл. 1) показали, что значения прочности после сварки составляют: оВ0' = 1505 МПа, оВ0!° = 1225 МПа, о'5,!" = 1595 МПа.
в.св ^ в.св ^ в.св
Испытания образцов по сварному шву на ударный изгиб при температурах +20 и -55°С показали более низкие значения ударной вязкости по сравнению с основным материалом: КСи+20 =320 кДж/м2, КСи-55 =137 кДж/м2. Разрушение хрупкое, по механизму отрыва с отсутствием участков среза (см. табл. 1).
Таблица 1
Механические свойства* сварных соединений стали ВНС-63
Температура испытаний, °С Предел прочности ов.св, МПа К Св.св^в Ударная вязкость кСи, кДж/см2
+20 1490-1520 1505 0,96 252-389 320
+300 1140-1310 1225 0,90 -
-55 1590-1600 1595 0,99 125-150 137
* В числителе - минимальные и максимальные значения, в знаменателе - средние.
Испытания на многоцикловую усталость (МнЦУ) проводились на гладких корсетных образцах, изготовленных из сварных соединений стали ВНС-63 после термообработки (нормализация+отпуск+закалка+отпуск) и цементации при температурах +20 и +300°С, на базе 2-107 циклов. Сварной шов совпадал с минимальным сечением образца ^=7,5 мм [9-13].
По результатам испытания определены средние значения пределов выносливости сварных образцов (табл. 2).
Таблица 2
Пределы многоцикловой усталости сварных образцов из стали ВНС-63
Состояние материала образцов Температура испытания, °С Среднее значение предела выносливости а-ь МПа (на базе 2-107 циклов)
Сварка+термообработка 20 500
300 400
Сварка+термообработка 300 440
+цементация
Проведенные исследования структуры сварных соединений показали, что микроструктура сварного шва без термической обработки отличается неоднородностью. В сварном шве зерно значительно мельче, чем в околошовной зоне,
где размеры зерен достигают 0,2-0,25 мм (рис. 1). Термическая обработка существенно выравнивает структуру, но границы крупных зерен в зоне термического влияния сохраняются (рис. 2).
Длительный нагрев при цементации приводит к некоторому росту зерна в сердцевине сварного шва и выявляет границы крупных зерен в зоне термического влияния (рис. 3) [14]. Цементованный слой в сварном шве мелкозернистый, с большим количеством карбидов, характерным для высокохромистых сталей. До глубины 0,6-0,7 мм распределение карбидов относительно равномерное, затем карбиды залегают преимущественно по границам зерен и около них. На глубине 1,1-1,3 мм -мелкодисперсная переходная зона (рис. 4).
В зоне термического влияния наблюдается фрагментация крупных зерен исходного размера (рис. 5). Такая структура склонна к трещинообразованию (рис. 6). В связи с этим целесообразно защищать от цементации зону сварного шва гальваническим никелем или медью толщиной от 30 до 60 мкм [15].
Исследования образцов из стали ВНС-63 толщиной 3 мм на стойкость к образованию горячих трещин проводили на установке ЛТП1-6 на выбранном режиме. Исследование показало удовлетворительный уровень критической скорости деформации в процессе сварки - укр=5,2 мм/мин.
Рисунок 1. Микроструктура сварного шва стали ВНС-63 без термической обработки
Рисунок 2. Микроструктура сварных образцов стали ВНС-63 после термической обработки
(нормализация + отпуск+закалка + отпуск)
Рисунок 3. Микроструктура сердцевины после цементации и термической обработки сварных образцов стали ВНС-63 (нормализация + отпуск+цементация+отпуск)
Рисунок 4. Микроструктура цементованного слоя сварных образцов стали ВНС-63
Рисунок 5. Микроструктура цементованного слоя сварных образцов стали ВНС-63:
а - сварной шов; б - зона термического влияния
Рисунок 6. Микроструктура цементованного слоя сварных образцов стали ВНС-63 с трещиной Выводы
1. Проведенные исследования партии сварных образцов после механических испытаний показали, что аргоно-дуговая сварка стали ВНС-63 с присадкой основного материала позволяет получить сварные соединения с прочностью 0,9-0,99 от прочности основного материала.
2. Исследования структуры сварных соединений из стали ВНС-63 показали, что микроструктура сварного шва отличается неоднородностью, в сварном шве зерно гораздо мельче, чем в околошовной зоне, термическая обработка существенно выравнивает структуру, но границы крупных зерен в зоне термического влияния сохраняются.
3. Для предотвращения трещинообразования в результате роста зерна (в процессе цементации) целесообразно защищать зону сварного шва гальваническим никелем или медью толщиной от 30 до 60 мкм.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 г. //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7-17.
2. Оспенникова О.Г. Стратегия развития жаропрочных сплавов и сталей специального назначения, защитных и теплозащитных покрытий //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 19-36.
3. Лащенко Г.И. Тенденция развития технологий сварочного производства //Сварщик. 2011. №6. С. 6-11.
4. Миддельдорф К., Хофе Фон Д. Тенденции развития технологий соединения материалов //Автоматическая сварка. 2008. №11. С. 37-48.
5. Жуков А. А., Навоев А.П. Определение модуля упругости цементованного слоя //Упрочняющие технологии и покрытия. 2012. №5. С. 37-40.
6. Лукин В.И., Вознесенская Н.М., Ковальчук В.Г., Голев Е.В., Саморуков М. Л. Сварка высокопрочной коррозионностойкой стали ВНС-72 //Сварочное производство. 2012. №10. С. 31-35.
7. Тонышева О.А., Вознесенская Н.М., Шалькевич А.Б., Петраков А.Ф. Исследование влияния высокотемпературной термомеханической обработки на структуру, технологические, механические и коррозионные свойства высокопрочной коррозионностойкой стали переходного класса с повышенным содержанием азота //Авиационные материалы и технологии. 2012. №3. С. 31-36.
8. Ерасов В.С., Нужный Г.А. Жесткий цикл нагружения при усталостных испытаниях //Авиационные материалы и технологии. 2011. №4. С. 35-40.
9. Yang Z.G., Li S.X., Li Y.D., Liu Y.B., Hui W.J., Weng Y.Q. Relationship among fatigue life, inclusion size and hydrogen concentration for high-strength steel in the VHCF regime //Mater. Sci. and Eng. A. 2010. V. 527. №3. С. 559-564.
10. Kim Hye Sung, Kim Tae Guy, Chung Tai-Joo, Kim Hyun Soo, Hong Soon-Jik. Fatigue characteristics of high strength C70S6 and SMA40 steels //Mater. Sci. and Eng. A. 2010. V. 527. №12. С. 2813-2818.
11. Dimitriu R.C., Bhadeshia H.K.D.H. Fatigue crack growth rate model for metallic alloys //Mater. And Des. 2010. V. 31. №4. С. 2134-2139.
12. Фуруя Есиюки Оценка усталости сверхпрочных сталей и увеличение их срока службы //Mater. Sci. and Technol. 2011. V. 81. №8. С. 19-24.
13. Xiong Y., Hu X.X. The effect of microstructures on fatigue crack growth in Q345 steel welded joint //Fatigue and Fract. Eng. Mater. аnd Struct. 2010. V. 35. №6. С. 500-512.
14. Демьянушко И.В., Великанова Н.П. Влияние эксплуатационных факторов на долговечность роторных деталей турбин газотурбинных двигателей //Машиностроение и инженерное образование. 2011. №4. С. 51-55.
15. Контроль качества материалов и полуфабрикатов, используемых при изготовлении изделий авиационной, космической, оборонной техники и техники двойного применения, на предприятиях поставщиках. Общие требования по ГОСТ Р 52745-2007 //Справочник. Инженерный журнал. 2010. №10. С. 40-44.
