CC BY
28ВЕСТН. САМАР. ГОС. ТЕХН. УН-ТА. СЕР. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2016. № 4 (52)
УДК 621.791.05 + 669
ИССЛЕДОВАНИЕ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА ХН45МВТЮБР-ИД ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКЕ
С.Л. Исаев
Самарский государственный технический университет Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244
Определены оптимальные параметры электронно-лучевой сварки (ЭЛС) жаропрочного сплава марки ХН45МВТЮБР-ИД толщиной 4,5 мм, выполненной без технологической подкладки, исследовано влияние режимов ЭЛС на образование дефектов. Склонность сплава ХН45МВТЮБР-ИД к образованию дефектов исследовали на образце-имитаторе, поделенном на семь равных участков при скоростях сварки 7 и 11 мм/с. Для оценки качества сварки каждый из участков подвергался рентгенографическому контролю, разрезке и металлографическому исследованию сварных швов, определению микротвердости и наличия дефектов. Полученные значения параметров сварки для стыкового соединения обеспечивают требуемое качество и размеры сварного шва.
Ключевые слова: электронно-лучевая сварка, жаропрочный сплав, скорость сварки, микротвердость, оптимальный режим сварки.
Введение
За последние годы в авиационной технике заметно расширилось применение жаропрочных сплавов в тяжело нагруженных крупногабаритных силовых узлах и агрегатах, работающих главным образом в условиях малоцикловых нагрузок при высоком уровне напряжений. Наибольший интерес при этом представляют стали и сплавы с пределом прочности 1000.. .1200 МПа.
Одним из основных и наиболее эффективных методов соединения деталей в конструкциях ответственного назначения является сварка. Сварные соединения характеризуются определенным комплексом механических и эксплуатационных свойств, которые могут существенно отличаться от свойств основного металла. Надежность и долговечность сварных конструкций, как правило, определяются качеством и структурой металла шва и зоны термического влияния и конструктивным оформлением места соединения.
Для получения неразъемных соединений жаропрочного сплава ХН45МВТЮБР-ИД перспективно применение ЭЛС, которая обеспечивает минимальную ширину шва и высокое качество сварного соединения. Однако процесс ЭЛС имеет ряд трудностей и нерешенных проблем в получении бездефектных сварных соединений, к числу которых можно отнести возможность образования в металле сварных соединений трещин, пор, прожогов, вызывающих снижение надежности и эксплуатационных характеристик изделия.
Особенностями процесса ЭЛС являются надежная вакуумная защита расплавленного и разогретого металла от газов воздуха, возможность сварки за один
Сергей Леонидович Исаев, аспирант кафедры «Металловедение, порошковая металлургия, наноматериалы».
проход деталей больших толщин, малые размеры шва и зоны термического влияния. Все эти особенности предопределяют целесообразность применения ЭЛС [1, 2].
Целью данной работы является изучение и повышение стабильности формирования сварных соединений сплава ХН45МВТЮБР-ИД толщиной 4,5 мм за счет изменения различных энергетических и технологических параметров (тока луча, тока фокусировки, скорости сварки) и выбора оптимального режима электронно-лучевой сварки для данного сплава без технологического подкладного кольца [3].
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
- изучался механизм проплавления сплава электронным пучком;
- выполнялись экспериментальные исследования влияния параметров режима сварки на качество и стабильность формирования сварных соединений при электронно-лучевой сварке;
- исследовалась структура и свойства сварных соединений.
Материалы и методы исследования
Отработку режима сварки производили на образце -имитаторе натурного узла (рис. 1). Образец-имитатор был разбит на 7 равных участков.
т
Рис. 1. Эскиз образца-имитатора: 1 - нижняя часть; 2 - верхняя часть
Материал свариваемого образца-имитатора - сплав ХН45МВТЮБР-ИД, поставляемый по ТУ 14-1-3905-85. Основные структурные составляющие данного сплава - твердый раствор + интерметаллидные соединения типа (N1, Ме)3 ^^ Me) - у'-фаза + карбиды типа Ме23С6, карбид титана - Т1С, нитрид титана - TiN [4, 5]. Химический состав сплава должен соответствовать ГОСТ 5632-72 (табл. 1).
Таблица 1
Химический состав сплава ХН45МВТЮБР-ИД, % масс.
Хром Никель Молибден Алюминий Титан Ниобий Углерод
14,0-16,0 43,0-47,0 4,0-5,0 0,9-1,4 1,9-2,4 2,5-3,5 <0,1
Электронно-лучевая сварка выполнялась на установке ЭЛУ-11 (рис. 2), укомплектованной универсальным сварочным манипулятором и электроннолучевой аппаратурой ЭЛТА-60.15 мощностью 15 кВт, в которую входят электронная пушка с катодом косвенного подогрева и инверторный высоковольтный
источник питания. Контроль фокусировки электронного пучка производили на поверхности образца по наибольшей яркости пучка при токе луча 1 мА (1о). Рабочее расстояние от пушки до образца составило 300 мм [6].
Рис. 2. Принципиальная схема установки для электронно-лучевой сварки: 1 - электронно-лучевая пушка; 2 - камера установки; 3 - смотровое окно; 4 - образец-имитатор;
5 - манипулятор
Установка предназначена для сварки электронным лучом в вакууме кольцевых швов на изделиях, расположенных в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а также сварки изделий с продольными швами. Она позволяет производить сварку цилиндрических изделий под углом наклона планшайбы относительно горизонтальной оси вверх на 90о. Установка позволяет сваривать углеродистые стали толщиной до 45 мм, титан и его сплавы до 55 мм, алюминий и его сплавы толщиной до 60 мм при скоростях сварки 0,5-40 мм/с. Образец-имитатор для устранения остаточной намагниченности подвергали дополнительному размагничиванию, и он поступал на сварку с уровнем намагниченности не более 300 мкТл. Контроль производили микротеслометром МФ-24ФМ.
Рентгенографический контроль сварного шва производили на установке «Экстравольт 225/Р3000» с рентгеновской трубкой ТНХ225. Рентгеновский аппарат предназначен для промышленной дефектоскопии и представляет собой стационарный аппарат для проведения анализа промышленных изделий методом рентгеновской дефектоскопии в промышленных и научных лабораториях, а также в цеховых условиях.
Для металлографического анализа микроструктуры образцов использовался оптический микроскоп Axio Vert A1 с анализатором микроструктуры поверхностных твердых тел Thixomet при различных увеличениях, а также электронный микроскоп JE0L-6390A. Исследованием производили с 600-кратным увеличением.
Микротвердость измерялась на микротвердомере ПМТ-3, нагрузка на инден-тор составляла 50 г. Измерения микротвердости проводились в поперечном сечении, начиная от верхнего края образца и до нижнего края.
Результаты исследования и их обсуждение
При исследовании замерялись геометрические параметры шва, полученного при различных значениях тока луча, тока фокусирующей линзы и скорости сварки. Результаты измерения геометрических параметров относительно каждого режима сварки приведены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты ЭЛС
№ образца Скорость сварки, мм/с Ток луча, мА Ток фокусировки, мА Ускоряющее напряжение, кВ Ширина верхней области сварного шва, мм Глубина сварного шва, мм Выявленные дефекты
1 28 765 4,95 2,5 Непровар
2 28 776 5,9 3,6 Непровар
3 7 28 780 60 5,95 4,3 Непровар, поры
4 30 783 4,8 4,5 Отсутствуют
5 34 776 5,85 4,5 Проплав
6 11 32 780 6,3 4,5 Проплав
7 32 783 5,55 4,5 Проплав
Из табл. 2 видно, что на образце № 1 из-за недостаточного тока луча и тока фокусировки образовались непровар и нехарактерная форма шва.
На образце № 2 ток фокусировки по сравнению с образцом № 1 увеличили на 11 мА, вследствие этого глубина проплавления увеличилась, но опять же образовался непровар, ширина шва увеличилась на 1 мм.
На образце № 3 по сравнению с образцами № 1 и № 2 получили более характерную для ЭЛС форму шва, а также большую глубину проплавления по сравнению с предыдущими образцами, но все равно с данными параметрами проварить на всю глубину не удалось, ширина шва осталась такой же.
На образце № 4 ток фокусировки по сравнению с предыдущими образцами был 783 мА, а ток луча - 30 мА. Этого оказалось достаточно для того, чтобы проварить образец на всю глубину и уменьшить ширину шва.
На образцах № 5, № 6 и № 7 по сравнению с предыдущими образцами шов имеет более правильную форму, кромки проварились на всю глубину, но на всех образцах имеется проплав, что обусловлено завышенным током луча [7].
Исследование физико-механической однородности сварного соединения на образцах в целом оценивали методом измерения микротвердости основных его составляющих: основного металла, сварного шва в трех уровнях (на поверхности, в середине и в корне шва) и околошовной зоны (ОШЗ). Результаты замера приведены в табл. 3.
Из табл. 3 следует, что характер распределения значений микротвердости по зонам сварного соединения качественно идентичен. Микротвердость ОШЗ имеет минимальные значения ввиду образования переходной зоны от сварного шва к основному металлу. Это обусловлено переходом карбидов и интерметал-лидов из твердого раствора на границах зерен в результате изменения структуры от действия температуры [8].
Таблица 3
Результаты замера микротвердости
№ образца Материал основы, кгс/мм2 ОШЗ, кгс/мм Сварной шов, кгс/мм2
На поверхности В середине В корне шва
1 337 276 286 311 310
2 353 302 262 299 317
3 364 278 288 314 322
4 349 306 291 307 306
5 304 281 314 306 300
6 366 289 311 290 302
7 334 299 296 295 316
Из полученных результатов следует, что бездефектное соединение получается при скорости сварки 7 мм/с на образце № 4. Оптимальные геометрические параметры сварного шва сплава ХН45МВТЮБР-ИД представлены в табл. 4.
Таблица 4
Оптимальные параметры для сварки
Ток сварки, мА Ток фокусировки, мА Параметры сварного шва
Ширина ванны, мм Глубина провара, мм
30±1 783 4,8 4,0
Микроструктура с геометрическими параметрами сварного шва на режимах табл. 4 представлена на рис. 3.
Рис. 3. Сварной шов
Данные параметры сварки обеспечивают необходимую глубину проплавле-ния для полного провара с минимальной шириной ванны и исключают образование дефектов.
На электронном микроскопе была исследована микроструктура сварного шва образца № 4, представленная на рис. 4.
По центру сварного шва видна столбчатая дендритная структура литого сплава. В микроструктуре сварного шва наблюдается повышенная травимость в околошовной зоне и увеличенное до 7-8 баллов зерно по сравнению с основным материалом, где величина зерна соответствует 9-му баллу шкалы ГОСТ 5639-82.
Рис. 4. Микроструктура образца № 4: а - в околошовной зоне; б - в сварном шве
Заключение
В работе исследованы образцы сварных швов из жаропрочного сплава ХН45МВТЮБР-ИД, полученные электронно-лучевой сваркой на установке ЭЛУ-11. Определены геометрические размеры сварных швов, исследована макро- и микроструктура зон сварки и измерена микротвердость. Результаты комплексных исследований позволяют выбрать оптимальный режим электроннолучевой сварки.
По результатам проделанной работы можно сделать следующие выводы:
1. Сварные швы сформированы с мелкодисперсной дендритной структурой.
2. Исследование сварных швов на микроскопе позволило выявить такие дефекты, как непровар и поры.
3. Замеры микротвердости показали качественно одинаковые результаты по всем зонам сварного шва.
4. Глубина сварного шва увеличивается с возрастанием тока луча, который определяется мощностью в электронном пучке.
5. Оптимальным режимом электронно-лучевой сварки является режим с параметрами: скорость сварки 7 мм/с, ток луча 30 мА, ток фокусировки 783 мА, при котором образец № 4 проварился полностью и не было выявлено дефектов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кайдалов А.А. Электронно-лучевая сварка и смежные технологии. 2- изд., перераб. и доп. -Киев: Экотехнология, 2004. - 260 с.
2. Dance B. G. I.: 'Welding the unweldable: electron beam welding of crack-sensitive alloys'. TWI Connect, 2000, 106 p.
3. Электронно-лучевая сварка со сквозным проплавлением жаропрочных сплавов на никелевой основе / Д.В. Клиновой, Б.А. Задерий, С.С. Котенко, М.В. Буньков, Ю.Д. Панфилов, С.Ф. Во-
ловец // Электронно-лучевая сварка: материалы конференции. - М., 1993. - Сб. 2. - С. 110115.
4. Гуляев А.П., Гуляев А.А. Металловедение. - М.: ИД Альянс, 2011. - 644 с.
5. Keehan E., Karlsson L., Andren H.O. Influence of C, Mn and Ni on strong steel weld metals // Part 1, Effect of nickel. Sci. Technol. Weld. Join. 2006. Vol. 11. - P. 1-8.
6. Назаренко О.К., Загорников В.И. Влияние рабочего расстояния сварочной электронной пушки на геометрию сварочного шва // Автоматическая сварка. - 2010. - № 5. - С. 32-35.
7. Беленький В.Я., Трушников Д.Н., Шварев А.В. Некоторые аспекты контроля процесса формирования сварного шва при электронно-лучевой сварке со сквозным проплавлением // Сварка и диагностика. - 2010. - № 1. - С. 41-44.
8. Rai R., Burgardt P., Milewski J.O., Lienert T.J., DebRoy T. Heat transfer and fluid flow during EBW of 21 Cr-6Ni-9Mn steel and Ti-6Al-4V alloy, J. Phys. D: Appl. Phys., vol. 42, no. 2, pp. 1-12, Jan. 2009.
Статья поступила в редакцию 3 октября 2016 г.
STUDY OF WELDED JOINTS OF HIGH-TEMPERATURE ALLOYS CR15NI45MO5W1TI2AL1NB3P MADE BY ELECTRON-BEAM WELDING
S.L. Isaev
Samara State Technical University
244, Molodogvardeyskaya str., Samara, 443100, Russian Federation
Optimal parameters of electron beam welding (EBW) of heat-resistant alloy of the Cr15Ni45Mo5W1Ti2Al1Nb3Pbrand with thickness of 4.5 mm made without lining technology were defined. The effect of the EBW mode on the formation of defects was stud-ied.Propensity of Cr15Ni45Mo5W1Ti2Al1Nb3P alloy to the defects formation was investigated on the sample-simulatordivided into seven equal portions at welding speeds of 7mm/s and 11 mm/s. To evaluate the quality of welding, each of the samples was subjected to X-ray inspection, cutting and metallographic investigation with the definition of the parameters of welds, micro hardness and the defects presence. The obtained values of the welding parameters for a butt joint provide the required quality and the size of the weld.
Keywords: electron-beam welding, heat-resistant alloy, welding speed, microhardness, optimal welding conditions.
Sergey L. Isaev, Postgraduate Student.
