ОБРАЗОВАНИЕ ХРУПКОЙ ФАЗЫ В СВАРНЫХ ШВАХ АУСТЕНИТНОЙ ХРОМОНИКЕЛЕВОЙ СТАЛИ В ПРОЦЕССЕ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ^Vl

УДК 67.017

ОБРАЗОВАНИЕ ХРУПКОЙ ФАЗЫ В СВАРНЫХ ШВАХ АУСТЕНИТНОЙ ХРОМОНИКЕЛЕВОЙ СТАЛИ В ПРОЦЕССЕ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ

I*

В.Г. БУРОВ, канд. техн. наук, профессор, А.И. ПОПЕЛЮХ, канд. техн. наук, доцент, Е.Д. ГОЛОВИН, аспирант, А.Ю. ОГНЕВ, аспирант, Е.О. БОРОДИНА, аспирант, Д.Д. ГОЛОВИН, студент, (НГТУ, г Новосибирск)

Статья получена 10 мая 2011 года

Буров В.Г. - 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет, e-mail: [email protected]

Использование технологий сварки плавлением для создания неразъемных соединений часто приводит к снижению исходных характеристик металла. Переплавленный металл сварного шва, как правило, содержит большое количество дефектов. В работе рассматриваются причины охрупчивания сварных швов аустенитной хромоникелевой стали 12Х18Н10Т в результате лазерной сварки.

Ключевые слова: лазерная сварка, хромоникелевая сталь, хрупкие фазы.

ВВЕДЕНИЕ

Высоколегированные хромоникелевые стали нашли широкое применение как конструкционный материал для изготовления энергетических установок, оборудования химической, нефтезаводской, нефтехимической и радиохимической промышленности, реактивных и ракетных двигателей благодаря высоким антикоррозионным свойствам и прочностным характеристикам [1]. Эти стали обладают хорошей свариваемостью и широко используются для изготовления конструкций методом сварки [1, 2]. Применяемая в работе технология лазерной сварки имеет ряд отличительных особенностей в сравнении с традиционными способами сварки плавлением [3, 4]. Тем не менее при использовании в качестве источника нагрева лазерного луча основные закономерности сварки плавлением со-

храняются [3]. Так, переплав часто приводит к снижению характеристик вязкости исходного металла, вследствие чего исследование причин охрупчива-ния металла сварного шва остается актуальной научной задачей.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В экспериментах по лазерной сварке использовались пластины (размерами 180 х 35 х 3 мм) аустенитной хромоникелевой стали 12Х18Н10Т. Пластины сваривали встык вдоль длинной стороны, свариваемые торцы пластин обрабатывались фрезерованием с шероховатостью не выше Яа 6,3 мкм с целью обеспечения плотного прилегания свариваемых образцов друг к другу. В табл. 1 приведен химический состав стали.

Т а б л и ц а 1

Химический состав стали 12Х18Н10Т

Марка стали Содержание легирующих и примесных элементов, % по массе, остальное - железо

С Mn Si Cr Ni Ti S P

12Х18Н10Т 0,11 0,58 0,53 14,10 8,70 0,38 0,021 0,012

* Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

МАТЕРИАЛОВЕ,

Сварка осуществлялась на автоматизированном лазерном технологическом комплексе «Сибирь-2» в лаборатории лазерных технологий Института теоретической и прикладной механики СО РАН. Соединяемые поверхности обезжиривались перед проведением сварки. Пластины помещались на рабочий стол лазерного комплекса, оснащенный приспособлением для прижатия образцов друг к другу. В процессе сварки реализовывалась как схема перемещения стола относительно неподвижного лазерного луча, так и схема перемещения лазерного луча относительно неподвижного стола. Скорость относительного перемещения регулировалась при отработке режимов сварки и оставалась постоянной на протяжении сварного шва. Лазерный луч был направлен на свариваемые поверхности под углом, исключающим попадание отраженного от металлических образцов излучения на выпускную линзу с целью устранения преждевременного разрушения лазерной оптики. В зону вершины и корня шва при сварке подавался гелий для защиты металла от окисления.

Из сваренных пластин изготавливались образцы для механических испытаний на статическое растяжение и ударный изгиб. Структура сварных швов исследовалась на поперечных шлифах. После проведения испытаний на ударный изгиб изучалась морфология поверхностей разрушения образцов с использованием метода растровой электронной микроскопии.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ

Качество сварного соединения определяется обеспечиваемыми им механическими характеристиками. В результате проведенных испытаний на статическое растяжение было выявлено, что соединения стали 12Х18Н10Т, полученные при помощи сварки С02-лазером, имеют прочность на уровне исходного материала (рис. 1). Тем не менее испытания на удар-

Рис. 2. Отдельная частица хрупкой фазы, имеющая кубическую форму, на поверхности излома сварного шва стали 12Х18Н10Т

ный изгиб образцов с надрезом выявили, что работа, затрачиваемая на разрушение сварных образцов, в 2...3 раза ниже (~12,8 Дж/см - для сварного шва против ~ 32 Дж/см2 - для основного металла), чем работа разрушения образцов из исходного материала. Для того чтобы выявить причины охрупчивания материала в результате переплава при лазерной сварке, были проведены исследования поверхностей излома образцов, разрушенных в результате испытаний на ударный изгиб.

При анализе строения излома с помощью растрового электронного микроскопа в структуре материала было выявлено присутствие частиц хрупкой фазы, имеющих форму, близкую к кубической (рис. 2, 3). Размеры частиц составляют 1.15 мкм. На поверхностях излома встречаются как отдельные (рис. 2) частицы хрупкой фазы, так и их скопления. Скопления частиц часто располагаются на дне обнаруживаемых на поверхности излома пор (рис. 3).

Рис. 1. Предел прочности и относительное удлинение образцов из нержавеющей стали 12Х18Н10Т:

1 - исходное состояние; 2 - сварное соединение

Рис. 3. Скопление частиц хрупкой фазы на дне поры в сварном шве стали 12Х18Н10Т

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Т а б л и ц а 2

Результаты количественного микрорентгеноспектрального анализа

Элемент Весовой % Атомный %

N 35.23 65.26

Т1 59.62 32.30

Сг 1.78 0.89

Бе 3.00 1.39

N1 0.37 0.17

Итоги 100.00 100.00

ку расположенные в углублениях рельефа частицы недоступны для проведения рентгеновского микроанализа (характеристическое излучение поглощается стенками углубления). На рис. 4, б представлен один из полученных при анализе спектров. Количественные результаты анализа представлены в табл. 2.

Из результатов рентгеновского микроанализа следует, что наиболее вероятным является образование хрупких частиц нитрида титана. Присутствие в спектре других элементов, по всей видимости, вызвано тем, что часть характеристического излучения возбуждается на прилежащей к хрупкой фазе области, поскольку размеры частицы и анализируемого пятна сравнимы по величине. При исследовании сварных швов с помощью оптического микроскопа можно заметить частицы кубической формы и золотистого цвета, что также является косвенным подтверждением гипотезы о том, что частицы хрупкой фазы являются нитридом титана (рис. 5).

б

Рис. 4. Анализируемая частица хрупкой фазы (а) и спектр рентгеновского излучения частицы (б) в сварном шве стали 12Х18Н10Т

Для получения данных о химическом составе хрупкой фазы был использован метод энергодисперсионного рентгеновского микроанализа. Диаметр анализируемого пятна составлял 8...12 мкм, что позволило получить данные о химическом составе отдельных крупных частиц. Использовались участки поверхности, где частицы хрупкой фазы не располагались в углублениях рельефа, посколь-

Рис. 5. Частица хрупкой фазы в структуре сварного шва стали 12Х18Н10Т

а

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе показано, что сварка плавлением приводит к формированию дефектной переплавленной структуры сварного шва в аустенитной хромони-келевой стали 12Х18Н10Т. Предел прочности сварного соединения сохраняется на уровне исходного материала, однако ударная вязкость сварного соединения снижена в 2.3 раза по сравнению с уровнем исходного металла. Возможной причиной охрупчи-вания сварного шва является наличие в нем хрупкой фазы. Проведение энергодисперсионного рентгеновского микроанализа позволяет сделать предположение о том, что хрупкой фазой являются включения нитрида титана.

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Список литературы

1. Медовар Б.И. Сварка жаропрочных аустенитных сталей и сплавов. - М.: Машиностроение, 1966.

2. Reinhart Poprave. Lasertechnik fur die Fertigung. -Springer - Verlag Berlin Heidelberg. Printed Germany, 2005. -S. 526.

3. Баранов И. Я. Технология лазерной сварки, закалки и резки. - СПб, 1999.

4. Оришич А.М., Головин Е.Д., Буров В.Г., Батаев В.А., Афонин Ю.В., Огнев А.Ю. Особенности формирования сварных швов при лазерной сварке углеродистых сталей // Обработка металлов. - № 4 (29). - 2005. - С. 13-14.

Brittle phases formation in welding seams of austenitic chromium-nickel steel produced by laser welding

V.G. Burov, A.I. Popelukh, E.D. Golovin, A.Yu. Ognev, E.O. Borodina, D.D. Golovin

Utilization of fusion welding technologies for permanent joints producing frequently results in decreasing of basic material properties. As a rule, welded metal contains a lot of defects. In presented work embrittlement causes of welded seams in austenitic chromium-nickel steel, which were produced by laser welding, are being discussed.

Key words: laser welding, chromium-nickel steel, brittle phases.