CC BY
36
10. Гурьянов Г.Н. Выбор метода условной минимизации функционала при реализации вариационного принципа теории ОМД. Образование. Наука. Производство: Сб. науч. тр. Магнитогорск: МГТУ. 2002. С. 131-137.
УДК 621.77
Э.М. Голубчик, Н.В. Копцева,
Ю.Ю. Ефимова, O.A. Никитенко, А.И. Мешкова
ФГБОУВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И.Носова»
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ МЕТАЛЛОПРОКАТА В УСЛОВИЯХ НОВОГО КОМПЛЕКСА ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ ОАО «ММК»2
Летом 2011 года в ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» была введена в эксплуатацию первая очередь, включающая совмещенную линию «непрерывно-травильный агрегат - стан тандем», а в июле 2012 года введена в строй действующих вторая очередь нового комплекса холодной прокатки (ЛПЦ-11). В состав второй очереди вошли: линия непрерывного отжига, совмещенная с агрегатом непрерывного горячего цинкования (АНО/АГЦ), линия непрерывного горячего цинкования (АНГЦ), а также агрегат инспекции полосы (АИ). Контракт на поставку комплекса стана «2000» холодной прокатки с проектной мощностью до 2 млн т продукции в год был заключен с немецким машиностроительным концерном SMS-DEMAG. Основное назначение комплекса - производство высококачественного холоднокатаного и оцинкованного проката по самым передовым и современным технологиям. Строительство и пуск нового комплекса были вызваны увеличением спроса на особо качественный холоднокатаный рулонный прокат, предназначенный для изготовления кузовных элементов легковых автомобилей, а также производителей бытовой техники и строительной отрасли.
2
Работа проведена в рамках реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, выполняемого с участием российского высшего учебного заведения (договор 13.G25.31.0061), программы стратегического развития университета на 2012 — 2016 гг. (конкурсная поддержка Минобразования РФ программ стратегического развития ГОУ ВПО), а также гранта в форме субсидии на поддержку научных исследований (соглашение № 14.В37.21.0068).
Одной из особенностей осваиваемых в ЛПЦ-11 ОАО «ММК» технологий явилось применение в головных частях всех линий процесса укрупнения рулонов методом лазерной сварки на стыкосварочных машинах лазерного типа одного из ведущих мировых производителей данного вида оборудования-фирмы Miebach. Данный вид технологической операции впервые применен в практике отечественного прокатного производства [1].
Отсутствие опыта лазерной сварки рулонного металлопроката в технологических потоках инициировало необходимость проведения комплексного исследования условий формирования качественного сварного шва с целью адаптации предложенных немецкими специалистами режимов сварки под размерно-марочный сортамент производимой в ЛПЦ-11 продукции.
Наиболее «проблемным» с технологической точки зрения явилось освоение лазерной сварки в условиях линии АНО/АГЦ, что связано со следующими обстоятельствами. Во-первых, отсутствие качественного сварного соединения может привести к порыву полосы в печи при ее транспортировке по многочисленным натяжным станциям. Это, в свою очередь, вызывает необходимость достаточно длительной остановки технологического процесса, так как приходится охлаждать печь для извлечения полосы с последующим разогревом до требуемых температур. При этом длительность остановок может достигать 1...2 суток. Во-вторых, при непрерывности движения полосы по агрегату на значительных скоростях (более 180...200 м/мин) при формировании бесконечной полосы практически отсутствует запас времени на дополнительную сварку в случае неудовлетворительного качества сварного шва. В связи с этим необходима такая технология лазерной сварки, которая обеспечивала бы в достаточно широком диапазоне режимов гарантированно стабильное качество сварного шва.
Сварочные машины линий второй очереди ЛПЦ-11 имеют практические одинаковые характеристики и отличаются только отдельными конструктивными особенностями, такими, как величина перемещения столов, что приводит к возможному разному значению зазора стыкуемых концов полос. Основными варьируемыми параметрами сварки в установленных сварочных машинах являются:
- скорость сварочной тележки, плавно регулируемая;
- мощность лазера (мах 3,5 кВт);
- фокусное расстояние рабочей головки лазера к поверхности полосы (фокуса лазера);
- скорость сварки;
- предварительный нагрев зоны шва;
- окончательный нагрев зоны шва;
- зазор между столами (передним, задним).
Для контроля качества сварного шва применяется метод выдавливания сферической лунки по Эриксену. При этом результаты должны оцениваться по следующим условиям: порыв перпендикулярно шву - шов годен; порыв по шву - шов не годен. Других оценок качества шва не предусмотрено.
Для разработки, оценки и адаптации первичных режимов сварки на сварочных машинах лазерного типа, установленных в головных частях агрегатов второй очереди ЛПЦ-11, был проведен комплекс исследований по влиянию режимов сварки на формирование сварочной зоны. Для этого в условиях АНО/АНГЦ были получены опытные режимы сварки для кода материала 2 и 3 (сталь марок 08пс, 08Ю и Юпс), как наиболее востребованных по планируемой загрузке агрегата в пусковой период. Был проведен комплекс металлографических исследований, в частности, были исследованы микроструктура и распределение микротвердости в сварных соединениях холоднокатаной стали (на примере марки Юпс), выполненных лазерной сваркой в линии АНО/АНГЦ. Технологические режимы лазерной сварки опытных образцов представлены в табл. 1.
Для металлографического исследования сварного шва и околошовной зоны были вырезаны образцы, которые охватывали зону сварного шва, околошовную зону и основной металл по одну сторону от шва.
Приготовление шлифов проводилось с использованием запрессовки образцов в смолу на линии пробоподготовки фирмы ВиеЫег. Испытания микротвердости осуществляли на твердомере ВиеЫег Мюготе! Микротвердость измерялась на поперечном сечении нетравленых шлифов в трех точках по толщине листа (рис. 1): вблизи каждой из поверхности: со стороны широкой части шва (ряд 1), со стороны узкой части шва (ряд 3) и по центральной линии сечения в направлении от оси сварного шва к основному металлу (ряд 2). Замеры выполнялись до тех пор, пока не достигали твердости основного металла, которая измерялась на расстоянии примерно 50 мм от оси сварного шва. Затем были построены графики распределения микротвердости по мере удаления от оси сварного шва к основному металлу.
Рис. 1. Схема расположения точек измерения микротвердости
Технологические режимы лазерной сварки опытных образцов (АНО/АНГЦ сталь марки Юпс)
Таблица 1
№ Тол- Скорость % от макс Мощность Фокус (дистанция), мм Положение рольганга Наг рев (т/о), % от макс Испытание на Максимальная твер-дость Зона разупрочнения
образ ца щина проката, мм лазера % от макс С рабочей сторо ны С приводной стороны Пред-вари- тель-ный Окон-чате-ль-ный выдавливание по Эриксену шва/ твердость основного металла, МПа Длина, мм Минимальная твердость*, МПа /отн знач, %
4 0,4 42 76 7,6 0,05 0,05 0 13 не выдерж 2328/2269 4 1677/26
8 0,4 42 100 5 0,03 0,03 3 7 не выдерж 2404/2287 2 188917
10 0,4 50 65 6 0,05 0,05 0 17 выдерж 2317/2188 1 1731/21
15 0,45 60 70 6 0,03 0,03 0 15 не выдерж 2553/2126 0,5 2170/20
22 0,45 50 65 6 0,04 0,04 0 21 выдерж. 2399/2167 3 1727/20
Примечание: * - минимальное значение микротвердости в шве и околошовной зоне; относительное значение (степень) разупрочнения определялось как частное от деления разности между твердостью основного металла и минимальной твердостью на значение твердости основного металла.
Максимальная твердость шва (на оси шва), минимальная твердость в околошовной зоне, твердость основного металла и относительное значение (степень) разупрочнения, т.е. уменьшение твердости по сравнению с твердостью основного металла (которое определялось как частное от деления разности между твердостью основного металла и минимальной твердостью на значение твердости основного металла) также приведены в табл. 1.
Металлографический анализ осуществлялся с использованием светового микроскопа Meiji Techno при увеличениях от 50 до 1000 крат. На шлифах измеряли размеры поперечного сечения сварного шва и околошовной зоны, где под воздействием теплового влияния сварочной ванны отчетливо наблюдалось изменение структуры шва (рис. 2). Замеры также выполняли вблизи каждой из поверхности (со стороны широкой части шва и со стороны узкой части шва) и по центральной линии сечения в направлении от оси сварного шва к основному металлу, т.е. в тех сечениях, где определялась микротвердость. Исследование микроструктуры и свойств проводилось в наиболее характерных образцах, отражающих влияние режимов сварки на внешний вид шва (табл. 1).
Рис. 2. Измерение размеров шва (а) и расположение структурных зон в сварном соединении (б)
На примере образца № 4 (рис. 3) представлены фотографии микроструктуры шва и околошовной зоны при лазерной сварке. В микроструктуре отчетливо наблюдаются следующие структурные зоны: зона кристаллизации сварного шва (см. рис. 3, а), зона перегрева (см. рис. 3, б*), зона нормализации (см. рис. 3, б**), зона рекристаллизации (см. рис. 3, г), зона синеломкости (см. рис. 3, д) и зона основного металла (см. рис. 3, <?). Аналогичные структурные зоны наблюдались и в остальных образцах. Протяженность каждой зоны, определенная по результатам исследования микроструктуры, приведена в табл. 2.
Рис. 3. Микроструктура сварного шва и околошовной зоны (а-д) и основного металла (е) образца № 4
Таблица 2
Протяженность различных зон сварного соединения
№ образца Приблизительная протяженность структурных зон, мм Протяженность прочнения, мм
сталли-зации шва пе- рег ва лиза-ции тал-лиза-ции синеломкости наи-боль шего полная
4 0,44 0,19 0,14 2,53 0,78 3,30 4,08
8 0,37 0,22 0,08 0,08 0,27 0,75 1,02
10 0,32 0,06 0,08 0,07 0,35 0,52 0,87
15 0,15 0,10 0,06 0,08 0,06 разупрочнения
22 0,47 0,09 0,04 1,65 1,94 1,47 3,31
Анализ результатов металлографического исследования показал, что протяженность зоны кристаллизации сварного шва в образцах № 4, 8, 10, 22 различается незначительно и составляет от 0,32 до 0,47 мм. Исключение составляет образец № 15, протяженность зоны кристаллизации в котором составляет 0,15 мм, что, видимо, определяется наибольшей скоростью перемещения лазера.
Протяженность зоны перегрева в образцах № 10, 15, 22 составляет от 0,06 до 0,10 мм, а в образцах № 4 и 8 она больше примерно в 2 раза больше и достигает 0,19...0,22 мм, что объясняется большей мощностью лазера при выполнении сварного соединения в этих образцах.
Протяженность зоны нормализации наибольшая в образце № 4 (0,14 мм), наименьшая - в образце № 22 (0,04 мм) и имеет промежуточную величину (0,06...0,08 мм) в образцах № 8, 10 и 15. Это зависит от дополнительного термического воздействия при осуществлении сварки: оно было наименьшим при сварке образца № 4 и наибольшем - при сварке образца № 22.
Зона рекристаллизации в образцах № 4 и 22 имела наибольшую протяженность и составила 2,53 и 1,65 мм, соответственно, а в образцах № 8, 10 и 15 ее протяженность оказалась небольшой и составила 0,07...0,08 мм. Это также зависит, видимо, в основном от дополнительного термического воздействия при осуществлении сварки. Большая протяженность зоны рекристаллизации наблюдается в случае более низкой скорости и
более интенсивного окончательного термического воздействия (образцы № 4 и 22). Предварительная термическая обработка приводит к уменьшению протяженности зоны рекристаллизации даже при большой мощности лазера (образец № 8). К такому же результату приводит, очевидно, и снижение (при прочих равных условиях) интенсивности окончательного
Испытания микротвердости показали, что во всех образцах распределение микротвердости в центре и на периферии поперечного сечения (т.е. по толщине полосы) практически идентично.
Сопоставление результатов определения протяженности различных структурных зон и зон разупрочнения показало, что наибольшая протяженность зоны разупрочнения наблюдается в образцах № 4 и 22, в которых протяженность зоны рекристаллизации была также наибольшей. Это позволяет сделать заключение, что протяженность зоны разупрочнения в сварном шве и околошовной зоне определяется в первую очередь протя-
Анализ степени разупрочнения, которая определялась как частное от деления разности между твердостью основного металла и минимальной твердостью на значение твердости основного металла, показал, что в образце № 15 разупрочнение в сварном шве и околошовной области не происходило, что, очевидно, определяется наименьшей протяженностью структурных зон, отличающихся от структуры основного металла. При
.
Таким образом, проведенный комплекс исследований позволил выявить влияние основных технологических режимов лазерной сварки на формирование качества зоны сварного соединения и установить приемлемые границы процесса лазерной сварки низкоуглеродистых марок стали для безобрывной транспортировки металлопроката со сварным швом
Библиографический список
1. Освоение технологий производства проката в новом комплексе холодной прокатки / Б.А. Дубровский, П.В. Шиляев, С.А. Ласьков, A.B. Горбунов, С.А. Лукьянов, Э.М. Голубчик// Сталь. 2012. № 2. С.63-65.
2. Повышение результативности производства холоднокатаной упаковочной ленты из стали марки 30Г2 путем применения адаптационных механизмов / Э.М. Голубчик, Е.Б. Яковлева, В.Е. Телегин, В.В. Яшин, П.Н. Смирнов // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2010. №1. С.62-66.
