CC BY
24
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УНШЕРСИТЕТУ 2002 р. Вип.№12
УДК 621.791.048
Серенко А.Н.1, Шаферовский В.А.2, Патрикеев А.И.3, Савченко А.И.4
ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ СВАРКА ТОЛСТОЛИСТОВОЙ СРЕДНЕЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ С ПРОГРАММИРОВАНИЕМ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА
Разработан и исследован процесс электродуговой механизированной сварки под флюсом с программированием режима высокопрочной среднелегированной стали толщиной до 50мм. Проведены комплексные механические и металлографические исследования и испытания сварных образцов, позволившие выбрать оптимальный способ программирования параметров режима сварки.
В настоящее время при сварке толстостенных корпусных конструкций из среднелегиро-ванных высокопрочных сталей (типа 24Ш) используют, как правило, механизированную многопроходную сварку под флюсом, в защитных газах и, в некоторых случаях, ручную электродуговую сварку с применением специальных электродов.
Упомянутым способам присущи недостатки, связанные с необходимостью выполнения объёмной разделки кромок, что приводит к большому расходу сварочных материалов и электроэнергии, а также к необходимости выполнения послесварочной термообработки.
Попытки повысить эффективность процесса сварки путем уменьшения числа проходов приводят к увеличению дефектов в сварном шве, типа усадочных трещин, шлаковых и газовых включений, а также к снижению механических свойств шва и околошовной зоны.
Перспективным направлением развития технологии сварки толстолистового металла является способ электродуговой сварки под флюсом с программированием параметров режиш (ППР) [1] который обеспечивает высокую производительность процесса при минимальных энергетических затратах Для его реализации используются серийно выпускаемое сварочное оборудование, дополненное программирующим блоком, включаемым в систему управления.
В отличии от обычной дуговой сварки способ с ППР включает ряд дополнительных действий, обеспечивающих циклическое изменение величины сварочного тока по заданному закону при одновременном циклическом перемещении дуги в плоскости свариваемых кромок, синхронным с изменением тока. Для жесткой синхронизации отдельных операций авторами разработан и использован программный блок, коммутируемый со сварочной головкой промышленного изготовления. Такая схема обладает универсальностью и достаточной гибкостью, что позволяет осуществить различные схемы программирования для осуществления однопроходной сварки конструкций с толщиной соединяемых элементов 40...80 мм.
При разработке технологии однопроходной сварки конструкций из среднелегированной высокопрочной стали требовалось обеспечить как высокое качество металла сварного шва, так и более равномерное формирование лицевой поверхности шва с обеспечением плавного ао перехода к основному металлу. Это стало возможным посредством внесения ряда изменений в ранее разработанные схемы программирования [2-6], в частности, были дополнительно ведены поперечные колебания электрода.
Регулирование тока в различные периоды времени цикла предлагаемого процесса сварки совместно с всявратнс-посгупательными перемещениями сварочной головки и соответствующими поперечными колебаниями электрода относительно стыка с определенной частотой и амплитудой в заданные периоды времени создают условия активного воздействия на геометрические размеры усиления шва и качество формирования его поверхности.
1 Ш ТУ, канд. техн. наук, проф.
2 Ш ТУ, канд. техн. наук, доцент.
3 1111 У, канд. техн. наук, ст. науч. сотр.
4ВНИИ стали, канд. техн. наук, ст. науя. сотр.
Характер перемещения дуги в продольном сечении свариваемых листов, толщиной 45 мм представлен на рис. 1. Колебания электрода с частотой f и амплитудой А осуществляются на участке циклограммы от точки 6 до точки 7.
Перемещение сварочной головки по направлению сварки на шаг, равный 20-40 диаметрам электрода осуществляли при минимальных сварочном токе и скорости сварки (т. 6-7, рис. 1). Формирование корневых участков шва происходило при максимальном токе и минимальной скорости сварки (т. 2-3), а центральных (по толщине свариваемого металла) при средних значениях сварочного тока, перемещая головку назад со скоростью в 1,2-2,0 раза превышающую минимальную (т. 4-5).
Для проведения исследований были из-
готовлены образцы из стали 24Ш толщиной 40 и 45 мм размером 140 х 500 мм. Подготовка кромок под сварку осуществлялась газовой резкой с последующей зачисткой кромок. Подготовленные под сварку пластины собирались при помощи выводных планок с зазором нижних кромок 7+1 мм и углом их раскрытия 12 град.(6 град, на сторону). Сварка производилась на флюсомедной подкладке с применением подкладочного флюса АН-22М.
Для сварки применяли сварочную проволоку Св-08Х20Н9Г7Т диаметром 5 мм и флюс АН-22М, обладающий хорошими технологическими свойствами и обеспечивающий стабильный процесс сварки с I'll IP.
Из сваренных пластин были вырезаны образцы для металлографических исследований и проведения механических испытаний на ударную вязкость а также на растяжение сварного шва и соединения в целом. Подготовка образцов и испытания проводились согласно ГОСТ 6996-66 и ОСТа B3-4302-80.
Параметры режима сварки с применением колебаний электрода [3] (для толщины металла 40-45 мм при диаметре электрода, равного 5 мм) были следующими: величина сварочного тока: 1^=550-600 A, 1СТ 1000-1100 А; - 1500-1600 А, напряжение на дуге: Utnill= 44 В; Ucp= 46 В; Umu = 48 В. Значения временных составляющих цикла сварки: длительность сварки на максимальном токе, x^S с; длительность сварки на среднем токе, тг-4 с; длительность сварки на минимальном токе, т3 = 8 с; длительность перехода на различные значения сварочного тока, Дт = 0,4 с.
Скорость перемещения сварочного аппарата: вперед (ть т3), V„=27 м/ч, назад, (т^), V„ = 54 м/ч; средняя скорость сварки за один проход - Vn. ^ = 11 м/ч; амплитуда колебаний электрода - А = 35 мм; частот колебаний электрода - f — 0,8 1/с; шаг перемещения сварочного аппарата: вперед по направлению сварки, Li = 120 мм; назад - Ьг - 60мм.
На рис.2, приведен макрошлиф соединения из стали 24Ш толщиной 45 мм, выполненного сваркой с ППР (а) и внешний вид лицевой поверхности сварного шва (б).
Микроструктуры верхней, средней и корневой части сварного соединения, а так же зоны сплавления приведены соответственно на рис.3, 4 и 5.
Анализ микроструктуры зоны сплавления показал, что линия сплавления практически не имеет, четкой границы между металлом шва и основным металлом, что указывает на значительное развитие диффузионных процессов в ней. Микротвердость структуры переходного слоя от 4000 до 5250 Н/мм2. Ширина ЗТВ по высоте переменная и в средней части образца (рис.2.) равна 14 мм, что сопоставимо с размерами ЗТВ при многопроходной сварке.
В ЗТВ можно условно выделить три участка. Так, участок полной перекристаллизации имеет ширину до 2,5 мм. Макроструктура этого участка представляет собой крупноигольчатый мартенсит и судя по микротвердости (4600-4700 Н/мм2) - прошедший отпуск.
0 I 2 | ► | | 1-в» 6 '5 щ 41 -<>7(1) 1 18(2) J
* 3,
Lj=L,/2 L,
Рис.1-Характер перемещения дуги в продольном сечении свариваемых образцов толщиной 45 мм
Рис.2 - Макрошлиф соединения (а) и внешний вид лицевой поверхности шва (б) из стали 24Ш толщиной 45 мм, выполненного сваркой с 111 IF. 1 - верхняя часть шва, 2 - средняя часть шва, 3 - нижняя часть шва
Участок частичной перекристаллизации имеет ширину до 2 мм. Структура представляет собой сорбит, ориентированный по исходному мартенситу. Микротвердость этого участка составляет 3400 - 3900 Н/мм2.
Участок разупрочнения имеет ширину до 3 мм. Структура мелкодисперсная, сорбитно-го типа с твердостью 3000-3100 Н/мм2.
НяМ9=3100 Ц м*=370О
а б
Рис.3 - Микроструктуры верхнего участка металла шва, расположенного на расстоянии 0,38 мм от линии сплавления (а) и среднего его участка, расположенного на расстоянии 0,08 мм от линии сплавления (б), выполненного сваркой с П11Р (х 400)
Структура основного металла представляет собой сорбит, ориентированный по исходному многоигольчатому мартенситу с микротвердостью порядка 3300-3800 Н/мм2. Микроструктура металла шва во всех исследуемых сечениях двухфазная (состоит из темных и светлых участков), которая имеет дендритное строение (рис.3, 4) различной степени развития в зависимости от расстояния от зоны сплавления.
НпОуДО—3500
Н,,0,49=3450
Н^-3800 H,rt49=4200
Н„о^=4800
Н110^-3600
а
Рис.4 - Микроструктура металла шва в корневой части сварного соединения на расстоянии 0,02 мм (а) и 0,08 мм от линии сплавления (б) (х 400)
Рис.5 - Микроструктура зоны сплавления соединения, выполненного сваркой с ППР (х 400)
Распределение твердости по Виккерсу перпендикулярно линии сплавления по центру сварного соединения приведено на рис.6.
У*
мм 4500
4000 3500
30 0 7Д) 14,0 L, мм
Рис.6 - Распределение твердости в средней части сварного соединения (рис. 2,а) вдоль линии, перпендикулярной линии сплавления
Темные участки имеют игольчатое строение с микротвердостью от 3400 до 4400 Н/мм2. Характер структуры и величина микротвердости дают основание предположить, что темная фаза представляет собой отпущенный мартенсит.
Светлые участки имеют микротвердость от 2500 до 3600 Н/мм2 и представляют собой, по-видимому, аустенит. Здесь можно выделить два типа светлотравящихся участков с микротвердостью 2500-300 Н/мм2 и 3400-3600 Н/мм2.
В таблице 1 приведено содержание элементов в темнотравящихся и светлотравящихся фазах металла сварного шва, определенное на микроанализаторе фирмы Хитачи.
Таблица 1 - Содержание элементов в различных фазах металла шва
Наименование участков (фаз) Содержание химических элементов, %
Ni Сг Мп Si Ti
Светлотравящийся (аустенит) 50,65 12,93 30,16 0,41 0,10
Темнотравящийся (сорбит) 50,04 11.1 20,43 0,32 0,07
Соотношение объемов аустенита (А) и мартенсита (М), вычисленное на количественном анализаторе "Эпиквант" в шве выполненным сваркой с ППР, составляет A/M = 50/50 %, что указывает на достаточную пластичность металла шва.
Механические испытания и подготовку образцов осуществляли по ГОСТ 6996-66.
В таблице 2 приведены механические свойства металла шва, полученного при сварке с ППР и многопроходной под флюсом. Как видно из таблицы металл шва, выполненного сваркой с ППР, имеет достаточно высокие прочностные и пластические характеристики.
Таблица 2 - Механические свойства металла шва сварного соединения
I Способ сварки Ств, M Па от, МПа Т, % б, % ,
а Многопроходная 706±57 506+94 5,3±1,1 2,3±0,7
fi Сварка с ППР 960±150 410±143 10,7±4,7 14,6±4,5
Определение свойств сварных соединений (с подваркой корня шва) при импульсном (взрывном) нагружении производили по ОСТВЗ-15, 011-85 посредством испытания образцов из стали 24Ш размером 45x400x600 мм. Внешний вид образца после испытания показан на рис.7.
HJAC-Î
¿Т.*
Ш-6Ш
ШДС-1
Рис.7 - Внешний вид образца (с подваркой корня шва) после испытания взрывным нагружени-ем со стороны основного шва (а) и подварочного (б)
Анализ результатов испытаний показал, что при скоростях взрывного нагружения от 385 до 440 м/с сварное соединение имеет высокую стойкость и живучесть. В ряде образцов образовалась несквозная трещина длиной до 100 мм (точка 1).
Некоторые образцы имели трещины в металле шва по обе стороны от места приложения импульса нагрузки (рис.7,6, точка 2) длиной до 50 мм.
На основании выполненных исследований можно сделать заключение, что разработанная технология механизированной сварки с ППР высокопрочной среднелегированной стали типа 24Ш обеспечивает получение высоких прочностных характеристик сварных соединений и может быть рекомендована для использования в производственных условиях.
Выводы
1. Разработана технология механизированной сварки с ППР толстолистовой высокопрочной среднелегированной стали типа 24Ш.
2. Полученные высокие прочностные свойства сварных соединений позволяют рекомендовать разработанный технологический процесс сварки для использования в производственных условиях.
Перечень ссылок
1. Серепко А.Н., Шаферовский В.А., Патрикеев A.M. Сварка толстолистовой стали с программированием процесса! Учебное пособие-Мариуполь: Изд-во Ш ТУ, 2000,- 296 с.
2. Программное управление процессом сварки толстолистовых конструкций / АН. Серенко, В.А. Шаферовский, А.И. Патрикеев и др. II Комплексная автоматизация промышленности (часть Ш): Тр. Ш-ей Международной польско-советской НТК. - Вроцлав, 11-14 октября 1988 г. - Вроцлав: Вроцлавская политехника, 1988,- С. 167-171.
3. Шаферовский В.А., Серенко А.П. Повышение качества формирования шва при сварке под флюсом с программированием параметров режима // В сб. трудов Международной НТК "Прогрессивная техника и технология машиностроения, приборостроения и сварочного производства", т. IV (25-28 мая - 1998 г.). Киев: НТУУ "КПП", 1998,- С. 99-103.
4. A.c. 1059772 СССР МКИ В23К 9/00 Способ электродуговой сварки / AM. Патрикеев, А.Н. Серенко, В.А. Шаферовский, В.В. Пугач.- 1982.
5. A.c. 1173629 СССР МКл3 В23К 9//00 Способ электродуговой сварки/АЛ. Патрикеев, АН. Серенко, В.А. Шаферовский и др.- 1985.
6. A.c. 1424247 СССР МКл3 В23К 9//08 Способ электродуговой сварки толстолистового металла IA.П. Серенко, АД.-Размышляев, В.А. Шаферовский и др.- 1988.
Серенко Александр Никитич. Канд. техн. наук, проф. кафедры «Оборудование и технология сварочного производства», окончил Алтайский политехи, инст. в 1959 г. Основные направления научных исследований - принципы оценки работоспособности сварных соединений и конструкций; изучение процессов при сварке с программированием режима.
Шаферовский Виктор Александрович. Канд. техн. наук, доцент кафедры «Оборудование и технология сварочного производства», окончил 111 ТУ в 1977 году. Основные направления научных исследований - совершенствование технологии сварки толстолистового металла с программированием параметров режима; сварка под флюсом специальных сталей и сплавов.
Патрикеев Александр Иванович. Канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник кафедры «Оборудование и технология сварочного производства», окончил 111 ТУ в 1973 году. Основные направления научных исследований — совершенствование технологии сварки толстолистового металла с программированием параметров режима.
Савченко Анатолий Иванович. Канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник ВНИИ стали (г. Москва), окончил 111 ТУ в 1971 году. Основные направления научных исследований - металлографические исследования и прочностные испытания различных материалов; сварка под флюсом специальных сталей и сплавов.
Статья поступила 09.01.2002.
