ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СВАРНЫХ ШВОВ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКЕ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ТЕХНОЛОГИЯ

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

См

Особенности формирования сварных швов при лазерной

сварке углеродистых сталей*

A.M. ОРИШИЧ, профессор, доктор ф.-м. наук, ИТПМ СО РАН,

Е.Д. ГОЛОВИН, студент, НГТУ В. Г. БУРОВ, профессор, канд. техн. наук, НГТУ, В.А. БАТАЕВ, профессор, доктор техн. наук, НГТУ, Ю В. АФОНИН, ст. науч. сотр., канд. техн. наук, ИТПМ СО РАН, А.Ю. ОГНЕВ, студент, НГТУ, г. Новосибирск

Механические свойства сварных конструкций определяются структурой швов и прилегающих к ним зон термического влияния [1-2]. Эти участки сварных соединений обычно имеют сложное неоднородное строение, что объясняется существенным различием температуры и условий охлаждения в разных зонах соединения. Структура сварных швов изучена достаточно подробно для ряда технологических процессов сварки. Особые условия сварки реализуются при лазерном нагреве заготовок. Представленная работа посвящена изучению структуры швов, полученных путем лазерной свар<и углеродистых сталей.

В качестве объектов исследования использовали пластины из стали 20 толщиной 4-10 мм. Сварку осуществляли на непрерывном С02-лазере производства ИТПМ СО РАН. Мощность излучения составляла 3 КВт, скорость перемещения заготовок относительно лазерного луча - от 0,1 до 0,6 м'мин. Основными методами исследования являлись оптическая металлография и испытания на микротвер-дость. Структурные исследования выполнены на микроскопе М11-2Е, при увеличениях х5Э...х1000. Микротвердость оценивали на приборе типа ПМТ-3. Нагрузка на индентор составляла 0,98 Н.

Несмотря на простой химический состав стали 20, при ее сварке возникает сложная структура сварного шва и примыкающей к нему зоны термического влияния. Эта структура характеризуется большим количеством дефектов, ослабляющих шов. Особенностью зон термического

7JT Т

Основной металл

влияния, характерных для лазерной обработки, является их малая ширина по сравнению с электродуговой сваркой.

Общая схема структурных изменений металла после лазерной сварки изображена на рис. 1. Четко выявляются пять областей металла с явно различающейся структурой. В сварном шве кристаллизация происходила непосредственно из жидкого состояния, а в зоне термического влияния практически реализуется вторичная кристаллизация, то есть перекристаллизация металла в твердом состоянии.

Основной металл, не претерпевший в процессе сварки структурных изменений, имеет типичную феррито-перлит-ную структуру. Средний размер ферритного зерна составляет 30 мкм; перлитной колонии 10 мкм. Данная структура обеспечивает характерную для низкоуглеродистых сталей высокую пластичность, позволяющую избежать хрупкого разрушения конструкции.

Первые структурные изменения наблюдаются в зоне неполной перекристаллизации (рис. 1), в которой в результате нагрева повышается растворимость углерода в феррите, вследствие чего углерод диффундирует из перлитных колоний в окружающий их феррит. Обедняясь углеродом, перлитные колонии растворяются. При охлаждении материала на месте бывших колоний перлита образуются новые мелкие колонии и ферритные зерна. На рис. 2, а и рис. 2, б видно, что степень перекристаллизации растет при приближении к сварному шву, то есть с ростом температуры.

: • ■ тТ,'■ ■ - -5-

Рис. 1. Общая схема структурных изменений в сварном соединении

Статья подготовлена по результатам исследований по проекту 2005-РИ-16.0/024/023 в рамках программы 1.6 ФЦНТП

№ 4 (29) 2005 1 3

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

ТЕХНОЛОГИЯ

н -

* . М %

' 4 & Г *

н 20 мкм 1 I-1

б

Рис. 2. Зона неполной перекристаллизации

Размеры новых ферритных зерен и колоний перлита в зоне неполного отжи_а составляют - 5 мкм и - 4 мкм соответственно. При этом в материале сохраняется большая часть исходных ферритных зерен.

В следующей зоне, располагающейся ближе к сварному шву, происходит полная перекристаллизация структуры (рис. 1), вызванная нагревом стали выше температуры А^. В этой зоне происходит образование новой однородной феррито-перлитной структуры, отличающейся от основного металла меньшими размерами структурных составляющих, а значит более высокими механическими свойствами. Средний размер ферритных зерен в зоне полной перекристаллизации составляет 7 мкм, перлитных колоний 5 мкм.

Непосредственно к сварному шву примыкает зона крупнокристаллической структуры (рис. 1). Ее грубое строение обуслсвлено перегревом материала до температур, близких к температуре плавления основного металла. Ярким признаком перегрева является наличие кристаллов вид-манштеттова игольчатого феррита длиной до 60 мкм. Особенностью структуры такого типа является низкий уровень пластических свойств. Перлитные образования в данной зоне преимущественно имеют вытянутую форму.

Последней из представленных на схеме зон является зона сварного шва (рис. 1). Она обладает крупнокристаллической, четко ориентированной феррито-цементитной структурой с ферритом видманштеттова типа. Длина крис-таллоЕ достигает 80 мкм. Это косвенно характеризует размер бывшего аустенитного зерна, из которого возникли кристаллы феррита.

Проведенный структурный анализ свидетельствует о том, что к зоне термического влияния нельзя относиться как к однородной прослойке, обладающей исключительно негативными свойствами (низкой ударной вязкостью, пластичностью и трещиностойкостью). В зоне термического влияния присутствуют также л области с благоприятной структурой - зоны неполного и полного отжига, обладающие лучшими показателями по сравнению с исходной структурой.

С позиции обеспечения высокого комплекса механических свойств желательным является расширение зоны с измельчённой феррито-перлитной структурой и устранение структуры видманштеттова феррита. Полностью устранить образование видманштеттова феррита в процессе сварки не удаётся. Одним из возможных решений повышения качества сварного шва является дополнительная термическая обработка. При использовании лазерной технологии эта обработка может осуществляться путём повторного лазерного воздействия с режимами, обеспечивающими аустени-тизацию стали и относительно медленное охлаждение для получения структуры феррито-перлитного типа.

Литература

1. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н. Лазерная сварка ме-тэллое. - М.: Высшая школа. - 1988. - 208 с.

2. Коваленко В. С. Лазерная технология: учебник для вузов по специальности «Машины и технология высокоэффективных процессов обработки». - Киев: «Вища школа». 1989.- 279 с.

Горячее прессование сплавов ТК-ИТ1

П.В. БУРКОВ, доцент, канд. техн. наук, 777У; г. Томск

Важное направление развития производства в порошковой металлургии связано с разработкой гетерогенных по структуре многофазных материалов с особыми физико-механическими свойствами [1] Такие материалы изготав-ливают смешением порошков различных по своей природе, способу получения и составу, с последующем спеканием. В ряде случаев полученные таким методом спеченные или пропитанные заготовки подвергают обработке давлением с целью придания им более высоких физико-механических свойств. На подобной технологии основано современное производство твердых сплавов дгя режущего инструмента типа карбид вольфрама-кобальт, их заменителей, в которых используется карбид титана со связкой

из сплавов никеля и титана [2-4]. Спекание твердых сплавов при температурах достаточно высоких для получения плотнсго материала, приводит к огрублению структуры, росту зерна и возникновению химической неоднородности, что ведет к снижению их механических свойств. Основной целью горячего прессования является устранение пористости. Принципиально это всегда достигается за счет комбинированного воздействия на материал давления и температуры. Длительность процесса горячего прессования составляет Ю2...104с.

Для уплотнения структуры проведены опыты по горячему прессованию смесей, обеспечивающих получение связующей фазы в виде интерметаллида никелид титана.

14

№ 4 (25) 2005