CC BY
11Научный вестник НГТУ. -2012. -№ 4(49) МЕТАЛЛООБРАБОТКА И ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ
УДК 621.791
Форма межслойных границ в соединениях, полученных сваркой взрывом тонколистовых металлических пластин*
И.А. БАТАЕВ, A.A. БАТАЕВ, М.А. ЕСИКОВ, P.A. ДОСТОВАЛОВ, Н.С. БЕЛОУСОВА
Исследованы особенности волнообразования при сварке взрывом тонколистовых заготовок из сталей 20, 60Г и электротехнической стали 2312. Анализ полученных результатов свидетельствует о благоприятном влиянии межслойных границ на показатели надежности многослойных композитов, сформированных сваркой взрывом. На профиль и размеры сварных швов волнообразной формы влияние оказывает множество факторов, в том числе тип соединяемых материалов, толщина заготовок, схема сварки, последовательность укладки слоев разнородных материалов. При одновременной сварке взрывом множества пластин конфигурация сварных швов изменяется. Экспериментально показано, что параметры волн, образующихся при сварке металлических материалов взрывом, зависят от кристаллографической ориентации зерен, участвующих в их построении.
Ключевые слова: сварка взрывом, волнообразование, многослойный композит, межслойная граница. ВВЕДЕНИЕ
Известно, что механические свойства слоистых металлических материалов могут существенно отличаться от свойств массивных монолитных материалов такого же химического состава 11 —4-1. Обусловлено это особенностями пластической деформации и разрушения материалов, имеющими место в зонах соединения слоев. Управляя толщиной слоев, их количеством, составом исходных материалов, их структурой и свойствами, прочностью соединения и другими параметрами, можно в значительных пределах изменять комплекс механических свойств многослойных материалов. Из множества технологических процессов, позволяющих получать материалы слоистого типа, особо следует выделить сварку взрывом [5-9]. Ее характерными особенностями являются относительная простота, отсутствие необходимости использования сложного технологического оборудования, возможность сварки крупногабаритных заготовок. Важнейшим достоинством сварки взрывом является высокое качество соединения различных металлических материалов, в том числе и разнородных. В ряде работ было показано, что трещина, подходя к границе соединения сваренных взрывом пластин, может быть эффективно заторможена [1, 4]. Объясняется этот эффект тем, что при сварке взрывом формируются околошовные зоны, характеризующиеся особым структурным состоянием. Экспериментально показано, что характер распространения трещин в многослойных композитах, сваренных взрывом, в значительной степени определяется также формой межслойных границ. Эта особенность строения сварных швов обсуждалась во многих работах 11^4-, 10, 11]. В то же время при сварке взрывом проявляется множество других аспектов, которые в литературе не анализировались, либо которым уделялось мало внимания. Цель данной работы заключалась в анализе возможностей управления формой границ соединения полученных сваркой стальных пластин.
* Полнена 12 сентября 2012 г.
Работа выполнена в соответствии с федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы»
1. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве объектов исследования использовали многослойные пакеты, полученные сваркой взрывом пластин из сталей 20, 60Г, электротехнической стали 2312 толщиной 1,0 мм, 1,0 мм и 0,5 мм соответственно. Для получения тринадцатислойных пакетов «сталь 20 - сталь 20» была использована двухэтапная схема сварки. Сначала по несимметричной угловой схеме между собой соединяли пять стальных пластин. Расчетные значения скоростей точек контакта пластин 1, 2, 3 и 4 границах сварки составляли 3,16; 3,16; 3,16 и 2,22 км/с соответственно. К полученной таким образом пятислойной заготовке по угловой симметричной схеме с обеих сторон приваривали еще по четыре стальные пластины. Значения скоростей точек контакта для трех сварных швов были равными 3,05; 2,30; и 1,68 км/с.
Композиты типа «сталь 20 - сталь 60Г» были сварены за два этапа. На первом этапе с использованием симметричной угловой схемы были получены пятислойные пакеты, состоящие из трех пластин марганцовистой стали и двух пластин стали 20. На втором этапе к пятислой-ному пакету с двух сторон были приварены еще по две стальные пластины. Пластины из кремнистой электротехнической стали 2312 и низкоуглеродистой стали 20 были сварены по угловой несимметричной схеме. При получении всех материалов функцию взрывчатого вещества выполнял аммонит 6ЖВ.
Структуру полученных материалов изучали с использованием метода оптической металлографии на поперечных шлифах, полученных по стандартной технологии, основанной на использовании операций шлифования, полирования и химического травления. Для проведения металлографических исследований использовали микроскопы AxioObserver Alm и AxioObserver Zlm. Операцию химического травления металлографических шлифов выполняли с использованием пятипроцентного раствора азотной кислоты в этиловом спирте.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
При получении всех трех типов слоистых материалов получали сварные соединения со швами волнообразной формы. Схематически строение таких швов представлено на рис. 1. В пакетах типа «сталь 20 - сталь 20» и «сталь 20 - сталь 60Г» были измерены параметры сформированных волн. Значения этих параметров приведены в табл. 1 и 2.
Таблица 1
Параметры волн в композите из 13 слоев стали 20
№ шва Х,мкм А/У
1 476 194 0,41
2 357 129 0,36
3 207 60 0,29
4 914 351 0,38
Продолжение табл. 1
№ шва Х,мкм А/ У
5 606 181 0,30
6 294 95 0,32
7 348 126 0,36
8 403 150 0,37
9 1229 420 0,34
10 282 88 0,31
11 278 101 0,36
12 552 199 0,36
Таблица 2
Параметры волн в композите из 9 чередующихся слоев стали 20 и стали 60Г
№ шва Х,мкм А /У
1 544 264 0,49
2 1489 453 0,30
3 510 233 0,46
4 534 281 0,53
5 2750 1155 0,42
6 629 299 0,48
7 2017 701 0,35
8 517 239 0,46
В тринадцатислойном композите «сталь 20 - сталь 20» формируются волны, близкие по форме к синусоиде (рис. 2). Длина волн X находится в диапазоне 207...1229 мкм, а размах колебаний А составляет 60...420 мкм. Отношение максимального значения длины волны к минимальному равно 5,9, отношение Атах/Ап^а = 7. Обеспечить одинаковую конфигурацию всех сварных швов, получаемых при одновременной сварке взрывом множества пластин, не представляется возможным. Различие параметров сварных швов обусловлено изменением углов соударения и масс пластин, присоединенных в результате неупругих ударов. Наряду с волнами относительно правильной формы встречаются участки с искаженной формой волн. В наибольшей степени это явление характерно для швов, формируемых на втором этапе сварке на границах пятислойного пакета.
При сварке девятислойного пакета «сталь 20 -сталь 60Г» разница в абсолютных значениях длины волн проявляется еще в большей степени (510...2750мкм). Аналогичный вывод можно сделать и о размахе колебаний волн (233... 1155 мкм). Таким образом, в анализируемых материалах, полученных при сварке разнородных сталей, КтАпш = 5,4, Ат.„!Ат\„ = 5. Изменение условий динамического взаимодействия заготовок заметно отражается на форме сварных соединений (рис. 3). Даже
на одной и той же стальной пластине могут быть сформированы швы, параметры которых отличаются в несколько раз.
Рис. 3. Волнообразная форма сварных швов в тринадцатислойном композите «сталь 20 - сталь 60Г»
Особенностью, характерной для сварки взрывом электротехнической стали и стали 20, является формирование сварных швов с незакономерно расположенными волнами. В пределах одного и того же сварного шва встречаются комплексы одинаковых по форме волн, количественные параметры которых существенно различаются. Принципиальная особенность кремнистой стали заключается в том, что размер зерна в ней на два порядка больше, чем в стали 20. Длина волн 500 мкм), образующихся при сварке этих материалов, существенно больше размеров ферритных зерен в стали 20 (с/, = 22 мкм) и гораздо меньше размеров зерен, имеющихся в электротехнической стали (с/, = 2.. .5 мм). Указанные соотношения не позволяют обнаружить влияние структуры на геометрические параметры волн в стали 20. В электротехнической стали это влияние удалось показать благодаря тому, что длина образующихся волн намного меньше размеров зерен.
На металлографических шлифах наблюдаются участки, существенно различающиеся по форме гребней, амплитуде и длине волн (рис. 4). Металлографически зафиксированы зоны с явно несимметричными волнами, удлиненные гребни которых наклоняются почти параллельно плоскости сопряжения пластин. Различия по длине волн, образующихся в смежных зернах, достигают 20.. .25 %, по амплитуде - 30.. .40 %. В пределах одного шва зафиксированы участки, на которых имеются явно выраженные волны и расположенные рядом участки гладкой поверхности. Во многих случаях смена параметров волн имеет место вблизи выхода границ зерен на поверхность.
На основании проведенных исследований можно сделать вывод о том, что параметры волн, образующихся при сварке металлических материалов взрывом, зависят от кристаллографической ориентации зерен, участвующих в их построении. В тех случаях, когда длина волны существенно превосходит размер зерна свариваемого материала, влияние кристаллографической
а б
Рис. 4. Форма волн, образующихся при сварке взрывом пластин из электротехнической стали и стали 20
ориентации зерен на форму волн нивелируется. Одно из объяснений влияния кристаллографической ориентации связано с тем, что процесс пластического течения при сварке взрывом реализуется по механизму двойникования. При наличии ограниченного количества систем двой-никования влияние кристаллографической ориентации на форму волн, образующихся в крупнозернистой стали, становится явным.
Благоприятное влияние множества межслойных границ на характер усталостного разрушения анализируемых материалов отражено на рис. 5. На кинетической диаграмме усталостного разрушения наблюдаются провалы, обусловленные торможением трещин вблизи границ раздела волнообразной формы. Дополнительные затраты энергии необходимы на переориентацию трещин, преодоление зон с мелкозернистой рекристаллизованной структурой. Следует подчеркнуть, что изменения траектории трещины проявляются в большей степени при пересечении границ с более высокой амплитудой волн.
di/dN, м/цикл
Рис. 5. Результаты испытаний на циклическую трещшостойкость слоистого композиционного материала «сталь 20 - сталь 20»:
а - кинетическая диаграмма усталостного разрушения; о - траектория распространения трещины (нетравленый образец)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Анализ полученных результатов свидетельствует о благоприятном влиянии межслойных границ на показатели надежности многослойных композитов, сформированных сваркой взрывом. На профиль и размеры сварных швов волнообразной формы влияние оказывает множество факторов, в том числе тип соединяемых материалов, толщина заготовок, схема сварки, последовательность укладки слоев разнородных материалов. При одновременной сварке взрывом множества пластин конфигурация сварных швов изменяется. Экспериментально показано, что параметры волн, образующихся при сварке металлических материалов взрывом, зависят от кристаллографической ориентации зерен, участвующих в их построении.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[1] Bataev I.A., Bataev А.А. et al. Structure and Fatigue Crack Resistance of Multilayer Materials produced by Explosive Welding // Advanced Materials Research. - 2011. - Vol. 287-290. - P. 108-111.
[2] Балаганский И.А., Батаев НА. и др. Структура и механические свойства многослойных композиционных материалов из титана ВТ1-0 // Обработка металлов. - 2011. -№ 2. - С. 43-45.
[3] Structural and mechanical properties of metallic-intermetallic laminate composites produced by explosive welding and annealing / И. А. Батаев, А. А. Батаев и др. // Materials & Design Volume 35, March 2012, Pages 225-234.
[4] Bataev I.A., Bataev A.A et al. Peculiarities of weld seams and adjacent zones structures formed in process of explosive welding of sheet steel plates // Materials Science Forum. -2011.- Vol. 673. - P. 95-100.
[5] Захаренко И.Д. Сварка металлов взрывом / АН БССР, Витеб. отд-ние ин-та физики твердого тела и полупроводников. -Минск: Навука i тэхнша, 1990. - 205 с.
[6] Сварка взрывом / B.C. Седых, А.А. Дерибас и др. // Сварочное производство. 1- 962. - № 5. - С. 3-6.
[7] Эпштейн Г.Н. Строение металлов, деформированных взрывом. - М. : Металлургия, 1980. - 225 с.
[8] Структура и свойства сваренных взрывом композитов из разнородных сталей / Ю.П. Трыков, И.Б. Степа-нищев и др. // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2004. - № 4. - С. 31-33.
[9] Лысак В.И., Кузьмин С.В. Сварка взрывом. - М. : Машиностроение, 2005. - С. 30.
[10] Батаев И.А., Батаев А.А. и др. Локализация пластического течения в низкоуглеродистой стали, деформированной взрывом//Физическаямезомеханика, 2011. -№ 1. -Т. 14. -С. 93-99.
[11] Особенности образования и строения вихревых зон, формируемых при сварке взрывом углеродистых сталей / И.А. Батаев, А.А. Батаев и др. // Физика металлов и металловедение, 2012. - Т. 113. - № 10. - С. 998-1007.
Батаев Иван Анатольевич, кандидат технических наук, доцент кафедры металловедения в машиностроении Новосибирского государственного технического университета. Основное направление научных исследований - исследование структуры и свойств слоистых композиционных материалов с наноструктурой. Имеет более 20 публикаций. E-mail: ivanbataev@ngs.ru.
Батаев Анатолий Андреевич, доктор технических наук, профессор, проректор по учебной работе, заведующий кафедрой материаловедения в машиностроении Новосибирского государственного технического университета. Основное направление научных исследований - пластическая деформация гетерофазных материалов. Имеет более 100 публикаций. E-mail: bataev@adm.nstu.ru.
Есиков Максим Александрович, аспирант кафедры газодинамических импульсных устройств Новосибирского государственного технического университета. Основное направление научных исследований - сварка взрывом металлических материалов. E-mail: esmax@ya.ru.
Достовалов Руслан Андреевич, студент. Основное направление научных исследований - вневакуумная электроннолучевая обработка металлических материалов. E-mail: seniorus@yandex.ru.
Белоусова Наталья Сергеевна, кандидат технических наук, доцент кафедры металловедения в машиностроении Новосибирского государственного технического университета. Основное направление научных исследований - повышение конструктивной прочности сталей. Имеет более 20 публикаций. E-mail: kapriz.ru@mail.ru.
I.A. Bataev, A.A. Bataev, M.A. Esikov, R.A. Dostovalov, N.S. Belousova
Theform of the interfaces obtained by explosive -welding ofthin-plate metalic materials
The peculiarities of wave formation during explosive welding ofthin-plate workpiece made of steel 20, 60G and electrotechnical steel 2312 were investigated. Analysis of the received result shows profitable influence of interlayer boundaries on the reliability of multilayer composites formed by explosive welding. Number of factors including type of materials, workpiece thickness, scheme of welding, packing layers sequence of dissimilar materials have influence on the welding joint profile and size of wavy form. At multilayer explosive welding configuration of weld joint is changed. It was experimentally shown that the wave characteristics depends on crystallographic orientation of grains within welded plates.
Key words: explosive welding, wave formation, multilayer composite, interlayer boundary.
