CC BY
15
жаромiцностi за температури до 600 оС, а також у високш корозiйнiй тривкост у бiльшостi агресивних середовищ. Тому зварш конструкцii зi сплавiв титану набули широкого застосування у рiзних галузях технiки. Сплав ОТ4 належить до псевдо а-сплав1в з невеликою юлькктю В-фази. Вiн мае досить високу мщ-нiсть не тшьки за низько1, але короткочасно i за температури до 750 оС [1]. Негативно впливае на властивост зварних з'еднань низька теплопровщшсть спла-вiв титану, що спричиняе iстотний перегрiв металу колошовноi зони з утворен-ням досить крупнозернистоi мiкроструктури та виникнення значних залишко-вих напружень, що сприяе сповшьненому руйнуванню пiд час експлуатацп конструкцш. Вiдомо, що водень, який знаходиться у сплавах титану в атомарному сташ, може ктотно знижувати величину критичних напружень, що викли-кають таке руйнування зварних з'еднань [2]. Шквдливий вплив водню на влас-тивостi титану i його сплав1в посилюеться його перерозподiлом у колошовнш зонi пiд час зварювання, що спричиняе зростання його локальних концентрацiй та внутрiшнiх напружень у певних дiлянках з'еднання. Через це проблема досль дження розподiлу водню у зварних з'еднаннях титанових сплавiв е актуальною.
Матерiали i методи. У робот дослiджено вплив рiзних способ1в зварювання сплаву ОТ4 на газонасичення зварних з'еднань воднем, 1х мiкроструктуру та стiйкiсть до крихкого руйнування. Для порiвняння вибрано таю способи ар-гонодугового зварювання вольфрамовим електродом: у неперервному режим у контрольованiй атмосферi; у неперервному режиш iз мiсцевим струменевим за-хистом; 1мпульсно-дугове iз мiсцевим струменевим захистом; iз електромагнiт-ним коливанням дуги за струменевого захисту аргоном; електронно-променеве аргонодугове зварювання здшснено на установив УКСМ-2, а також на установ-цi, змонтованш на базi головки АБС. Як джерело живлення використано вип-рямляч ВСВУ-315. Зварювання iз електромагнiтними коливаннями дуги реаль зовано шляхом накладання на дугу зовнiшнього поперечного магштного поля, що створювалось спецiальною приставкою, змонтованою на зварювальнiй го-ловщ. Електронно-променеве зварювання здiйснено на установщ ЭЛУ-11.
Для зварювання використано аргон марки "А", волопсть якого контро-лювали вологомiром "Байкал-3". Усi дослщження виконано на листовому тов-щиною 2 мм титановому сплавi ОТ4, iз вмiстом 3,7 % А1 i 1,6 % Мп. Перед зва-рюванням поверхню зразкiв зачищали шабером, а попм знежирювали бензином i спиртом. Пiд час зварювання вiдбувалось наскрiзне проплавлення листових зразюв на режимах, що забезпечували добре формування швiв за швидкостi зварювання 21 м/год.: /зв=155... 165 А: ид=10... 11В. За 1мпульсно-дугового зварювання сшвввдношення часу паузи до часу 1мпульсу змiнювалось вiд 1 до 3. Вмкт водню у зварних з'еднаннях визначено методом ввдновлювального плавления у потощ газу-нос1я на спецiальнiй установцi РН-2. Зварювання iз елек-тромагнiтними коливаннями дуги здшснено за частоти реверсування зов-нiшнього поперечного магнiтного поля 3 Гц. Мехашчш властивостi зварних з'еднань як шд час короткочасних, так i статичних випробовуваннях оцiнювали згинанням зразкiв iз втомною трiщиною. З метою шдвищення жорсткостi нап-
1 Зварювання зразк1в здшснювалося за учат канд. техн. наук Ю. А. Шалшова та шж. А. Д. Левинько!.
руженого стану випробовування на загин проведено i за низько! температури (196 оС) у спецiальному пристро! на установцi ИМАШ при навантаженш зразюв триточковим згинанням зi швидкктю 1 мм/хв. Як порiвняльний показник за тривалих випробовувань використано максимальне напруження (о"мах) у мЫ-мальному перерiзi, яке зразки витримували протягом 100 год.
Результати дослщження. На вмкт водню у рiзних зонах зварного з'ед-нання умови зварювання мають помiтний вплив. Як видно з даних, наведених у табл., його вмкт у швi при вах способах менший, шж у ЗТВ й основному мета-лi. Цей факт можна пояснити, по-перше, частковою дегазацieю водню iз зварю-вально! ванни, а по-друге, його дифузшним перемiщенням у колошовну зону. Тiльки у разi недостатшх витрат аргону (3 л/хв) його вмкт у швi бiльший, шж в основному металi. Вважаеться, що ступiнь вiдкачування у камерi iз контрольо-ваною атмосферою не впливае на вмiст водню у шв1 1з наведених результата також видно, що зварювання iз електромагнiтним коливанням дуги, а також ш-пульсно-дугове забезпечують кращi умови для дегазацл водню iз ванни порш-няно з аргонодуговим зварюванням стацiонарною дугою.
Табл. Вплив способу зварювання на мехашчш властивостi металу
Спосiб зварювання та характеристика режиму Водень, % мас. Кут загину, град. ^мах, МПа
Шов ЗТВ 20°С -196°С
Аргонодугове зварювання, стацiонарна дуга, мiсце-вий (струменевий захист), витрати Аг - 9 л/хв 0,0025 0,0037 49 36 12,0
Аргонодугове зварювання, стацюнарна дуга, мiсце-вий (струменевий захист), витрати Аг - 3 л/хв 0,0048 0,0060 43 14 10,7
Зварювання у контрольованш атмосфер^ Рза. чишк=50 Па, волопсть -56 °С 0,0019 0,0023 54 30 13,8
Зварювання в контрольованiй атмосферi, Рзалишк=-100 Па, волопсть -40 °С 0,0019 0,0025 53 28 13,5
Зварювання з електромагштним коливанням дуги 0,0019 0,0028 51 32 12,5
[мпульсно-дугове зварювання, час паузи 0,36 с час ¡мпульсу 0,12 с 0,0018 0.0027 52 28 13,0
Електронно-променеве зварювання 0,0020 0,0027 55 38 13,5
Основний метал 0,0028 54 32 14
Результати випробовування на загин свщчать про нектотний вплив спо-собiв зварювання на пластичнкть металу швiв. Тiльки за недостатнього захисту аргоном кут загину менший, шж в iнших випадках зварювання, що може спри-чинятись бiльшим вмiстом у ньому водню. Найвищi показники трщиностшкос-тi зразюв iз попередньо наведеною трiщиною у зош сплавлення вiдповiдають способам зварювання у контрольовашй атмосферi та електронно-променевому.
Наявнiсть полиморфного перетворення у титаш зумовлюе певнi змiни фазового i структурного станiв пiд час зварювання. Структура основного металу надзвичайно дрiбнозерниста i являе собою а-фазу з невеликою кiлькiстю (менше 5 %) В-фази. За природою це твердi розчини А1 i Мп у гексагональнiй щiльно упакованiй та об'емноцентровашй rратцi вiдповiдно. Твердiсть на по-верхнi листiв становить у середньому 280 НУ. Вщомо, що структуроутворення у зонi термiчного впливу (ЗТВ) визначаеться термiчним циклом зварювання, насамперед максимальною температурою нагршання та швидкктю охолоджен-
ня в шгервай фазового В-а перетворення. У вшх дослiджувaних зразках звар-них з'еднань у ЗТВ можна видшити три характерних дiлянки: рекристaлiзaцii, фазово'1 перекристаизацп та колошовну (рис. 1). Дшянка рекристаизацп знахо-диться у низькотемпературнш чaстинi ЗТВ i безпосередньо контактуе з основ-ним металом. Протяжнiсть цде! дшянки невелика i не перевищуе 0,1 мм.
Для всiх дослiджувaних способiв i режимiв зварювання характер мшрос-труктури у двох основних дiлянкaх ЗТВ - фазово'1 перекристaлiзaцii та коло-шовно'1, принципово однакова - сумiш а i а-фаз. Фаза а мае аналопчну як i а-гексагональну кристaлiчну будову, але з бшьшим вмiстом Мп. Вона мае харак-терну голчасту структуру мартенситного типу.
в) г)
Рис. 1. МЫроструктура зварного з'еднання титанового сплаву ОТ4 (*100):
а) основний метал та дыянкарекристалгзацп; б) колошовна зона; в), г) зварний шов
Величина зерен цих фаз пом^но зростае з наближенням до зони сплав-лення, а кшьюсть а-фази при цьому дещо збшьшуеться. Розмiр ЗТВ, а також стутнь укрупнення мшроструктури в нiй визначаються режимом зварювання, зокрема величиною погонно'1 енергп. Так, тд час iмпульсно-дугового зварювання зi збтьшенням спiввiдношення тривалостей паузи до iмпульсу вiд 1 до 3 розмiри ЗТВ зменшуються приблизно вдвiчi. Треба зазначити, що цей метод зварювання забезпечуе отримання найменших розмiрiв ЗТВ порiвняно з iнши-ми методами. Так, за швидкосп зварювання 21 м/год вона мае протяжшсть, за-лежно вщ жорсткостi iмпульсiв, 1.. .2 мм, тодi як пiд час безперервного аргоно-дугового W-електродом - 3.. .5 мм. Величина зерен у колошовнш зош також найменша за iмпульсно-дугового зварювання у рaзi тдвищено! жорсткостi iм-пульсiв.
Режим зварювання впливае певним чином i на будову мартенситно! а-фази. Збшьшення швидкостi охолодження, яке наявне за зменшення погонно!* енергií, сприяе подрiбненню голчасто!* будови. Мiкротвердiсть структурних складових елементiв, що визначалась за навантаження 50 г на приладi ПМТ-3, становила у середньому 220 та 240 кгс/мм2 а i а-фаз вiдповiдно.
Мiкроструктура зварних швiв за вах дослiджуваних методiв i режимiв зварювання, як i у випадку ЗТВ, е сумшшю а i а-фаз. Проте величина зерен первинно! структури та кiлькiсне стввщношення фаз, а також ступiнь диспер-сностi мартенситно!* а-фази певною мiрою залежать як вiд методу, так i вiд режиму зварювання. Вплив цих факторiв на структуру проявляеться через швид-кiсть охолодження у процес первинно! кристаизацп та за температури перет-ворення В-фази у низькотемпературш а i а-фази, а також через силовий вплив на зварювальну ванну. Водночас характер первинно! структури впливае i на наступи перетворення пiд час охолодження у твердому стат. Зокрема, стутнь дисперсносп голчасто! а-фази шдвишуеться у разi зменшення величини зерен високотемпературно! В-фази. Зниження величини погонно! енергп, за iнших рь вних умов, сприяе подрiбненню лито! структури зварних швiв та пiдвищенню ступеня дисперсностi низькотемпературних а i а-фаз. Спостерiгаеться при цьо-му i деяке збшьшення вмiсту а-фази. Аналоичний вплив погонно! енергп* вщ-значено у робоп [4] пiд час зварювання сплаву ОТ4-1.
Певним чином впливае i частота зовшшнього поперечного магштного поля. За Г! збшьшення вщ 2,0 до 14,8 Гц вщбуваеться подрiбнення як первинно!, так i кiнцево! мiкроструктури зварних швiв. Позитивний вплив зовнiшнього ма-гштного поля за частот реверсування 4.. .20 Гц на розмiр зерен а-фази. зокрема !! мартенситних голок, вiдзначаеться також у робоп [3]. Дослiдження впливу способу газового захисту пiд час зварювання на структуру зварних з'еднань не виявило певних закономiрностей. Тшьки за явно недостатнього вмiсту аргону на поверхш швiв утворюеться шар, насичений газами, у якому виникли трщи-ни, як гарячi кристаизацшш, так i холоднi.
Аналiз результапв засвiдчив, що характер мiкроструктури зварних з'еднань, отриманих рiзними методами зварювання, принципово аналопчний - це сумш а i а-фаз. Враховуючи величину зерен цих фаз, як у зварних швах, так i в зо-т термiчного впливу, а також формуван-ня поверхнi швiв i розмiр крупнозернисто! колошовно! зони, можна стверджува-ти, що за однаковою погонною енергiею, бiльш дрiбнозерниста структура зварних з'еднань мае мюце при iмпульсно-дугово-му зварюваннi. Дослiджено розподш вод-ню у зварних з'еднаннях титанового сплаву ОТ4 за допомогою методу локально! контактно! терс (ЛКТЕРС).
■та о
36
£
и 32
о.
ей
1 |? ,
л г '
[
)
у
0,1
0,2
0,3
0,4 0,5 мм
Рис. 2. Розподт ЛКТЕРС за товщиною наводненого зразка
Спочатку проводили дослвдження з метою визначення чутливост вияв-лення водню цим методом. З щею метою листовi зразки зi сплаву ОТ4 товщи-ною 2 мм наводнювали шляхом !х витримування у 10 %-му розчиш соляно! ки-слоти за 85 оС впродовж 50 год. Шсля цього за товщиною пластини на м^ош-лiфах здiйснювали замiрювання величини ЛКТЕРС (рис. 2).
Характер и розподшу дае змогу стверджувати, що наводнення зразкiв вiдбулось на глибину до 0,3 мм. Товщина пдридного шару при цьому становить приблизно 0,15 мм, що пiдтверджено металографiчним та рентгеноструктурним аналiзами, а також зашром мiкротвердостi. Мiж гiдридним шаром i основним не наводненим металом знаходиться шар твердого розчину водню у а-фазi з по-ступовим зменшенням його концентрацi! при наближенш до основного металу. Отже, метод ЛКТЕРС дае змогу дослщжувати наявшсть i характер розподiлу водню у зварних з'еднаннях титану та його сплавiв. Замiри терс здiйснювали на мiкрошлiфах, виготовлених iз зразюв, вирiзаних поперек зварних з'еднань. Ви-явлено три дшянки !! зниження. Перша дшянка протяжнiстю приблизно 0,3 мм знаходиться поблизу зони сплавлення. Друга дшянка зниження ТЕРС знаходиться у ЗТВ на вiддалi близько 1 мм ввд основного металу. Протяжнкть !! також, як i першо!, приблизно 0,3 мм. Третя дiлянка протяжнiстю 0,35 мм розмь щена в основному металi на вiддалi приблизно 4,5 мм ввд зони сплавлення.
Дискус1я. Утворення першо! дiлянки сегрегацi! водню можна пояснити термо- та мiжфазною дифузiею у зонi сплавлення, спрямовано! зi зварювально! ванни у тверду колошовну зону. Друга дiлянка з шдвищеним вмiстом водню знаходиться у зош термiчного впливу, що нагрiвалась до температур 900. 10000 С. И виникнення зумовлюеться одночасною дiею двох протилежно спрямованих рухш водню - термодифузшного у напрямку зниження температу-ри i мiжфазного - iз й-фази у високотемпературну В-фазу. Третя дшянка iз шд-вищеним вмiстом водню, що знаходиться в основному металi i вiдповiдае його нагрiванню до 300.4000С, з одного боку, зумовлена термодифузiею водню у й-фазi у напрямку зниження температури, а з iншого, рiзким падiнням його роз-чинностi у шй за температури нижчо! за 300 0С.
Способи та режими зварювання впливають на основнi параметри ло-кальних дiлянок зниження ТЕРС - !х мiсцезнаходження, протяжнiсть, величину !! максимального зниження. З шдвищенням жорсткостi режимiв протяжнiсть дi-лянок та величина максимального зниження ТЕРС дещо зменшуються. На тре-тю дшянку режим зварювання впливае найменше. Протяжнiсть ц знаходиться у межах 0,15.0,30 мм На мкце знаходження ще! дiлянки, визначене за ввддаллю вiд зони сплавлення у напрямку основного металу, ктотно впливае режим зварювання. Зi зменшенням погонно! енерги ця вiддаль помiтно скорочуеться. Роз-мiри друго! дiлянки, що знаходиться у ЗТВ, дещо бшьша, шж третьо!. Протяж-нiсть першо!, найбшьш високотемпературно!, дiлянки визначаеться режимом зварювання та знаходиться у межах 0,1. 0,4 мм.
Отже, дослщження розподшу величини ТЕРС за перерiзом зварних з'еднань дало змогу виявити, що за вах способiв i режимiв зварювання сплаву ОТ4 утворюються локальш дiлянки, збагаченi воднем, що можуть негативно впливати на властивосп зварних з'еднань.
Висновки. Проведет дослщження показали, що способи i режим зварю-вання певним чином впливають на мiкроструктуру, BMiCT водню та властивостi зварних з'еднань сплаву ОТ4. За принципово аналогiчного характеру мжрос-труктури зварних з'еднань, - це сумш a i й-фази, бiльш дрiбнозерниста структура зварних з'еднань наявна шд час iмпульсно-дугового зварювання. Досль дження розподiлу величини ТЕРС за перерiзом зварних з'еднань дало змогу ви-явити, що за вах способiв i режишв зварювання утворюються локальнi дшян-ки, збагачеш воднем. З пiдвищенням жорсткост режимiв протяжнiсть цих дшя-нок та величина максимального зниження ТЕРС, а цим самим i вмкт водню в них, дещо зменшуються. Зварювання iз електромагнiтним коливанням дуги, а також iмпульсно-дугове забезпечують кращi умови для дегазацii водню iз ван-ни, порiвняно iз аргонодуговим зварюванням стацiонарною дугою. Найвищi по-казники статично! трiщиностiйкостi зразкiв iз попередньо наведеною трiщиною вщповщають способам зварювання у контрольованш атмосферi та електронно-променевому.
Лiтература
1. Колачев Б.А. Механические свойства титана и его сплавов / Б.А. Колачев, В.А. Ливанов, А.А. Буханов. - М. : Изд-во "Металлургия", 1974. - 476 с.
2. Моисеев В.Н. Сварные соединения титановых сплавов / В.Н. Моисеев, Ф.Р. Куликов, Ю.Г. Кирилов, В. Л. Шолохова, Ю.В. Васькин. - М. : Изд-во "Металлургия", 1979. - 248 с.
3. Бшоус В.Ю. Управлшня формуванням шва при зварюванш сплав1в титану у вузький зазор вольфрамовим електродом з магштокерованою дугою : автореф. дис. на здобуття наук. сту-пеня канд. техн. наук / В.Ю. Бшоус; 1ЕЗ iм. Е.О. Патона. - К., 2008. - 20 с.
4. ЗайчукН.П. Структурний стан корпусу вентилятораз1 сплаву ОТ4-1 / Н.П. Зайчук, П.П. Савчук, Н.Ю. 1мбирович, Д.Ю. Шух // Науков1 нотатки : М1жвузшський зб. - Луцьк, 2013. - Вип. 40. - С. 96-101.
Надшшла до редакцп 16.05.2016р.
Палаш В.М, ДзюбыкА.Р., Палаш Р.В., Назар И.Б. Оценка способов сварки титанового сплава ОТ4
Исследовано влияние различных способов аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом: в непрерывном режиме в контролируемой атмосфере; в непрерывном режиме с местной потоковой защитой; импульсно-дуговая с местной поточной защитой; с электромагнитными колебаниями дуги при поточной защите аргоном; а также электронно-лучевая сварка на насыщение сварных соединений сплава ОТ4 водородом, их микроструктуру и стойкость к хрупкому разрушению. Методом замера локальной ТэДС в сварных соединениях выявлены три участка, насыщенные водородом, что негативно влияет на их трещиноустойчивость.
Ключевые слова: титановый сплав, водород, способа сварки, сварной шов, зона термического влияния, микроструктура сплава.
Palash V.M., Dzyubyk A.R., Palash R. V., Nazar I.B. Evaluation of Welding Titanium Alloy OT4
The effect of different types of TIG welding on gas saturation of hydrogen in welding joints of alloy OT4 have been studied in this project. Their microstructure and resistance to brittle fracture in the following: continuous mode in a controlled atmosphere; continuous operation with the local jet protection; pulsed arc with the local jet protection; electromagnetic waves in the arc jet argon protection; and electron beam welding. Three areas, enriched with hydrogen in welded joints, have been discovered by the method of measuring local TERP. Areas rich in hydrogen are proved to negatively affect joint crack-resistance.
Keywords: titanium alloy, hydrogen, welding methods, weld, heat-affected zone, alloy's microstructure.
УДК 543.57
ТЕРМ1ЧНИЙ АНАЛ13 ДЕРЕВИНИ ВЕРБИ SALIX VIMINALIS
В.1. Ялечко1, В.В. Кочубей2, Я.М. Гнатишин3, Ю.П. Павловський4
Методом комплексного термограв1метричного та диференцшного терм1чного ана-л1зу дослщжено вплив вжу швидкоростучо'1 енергетично'1 верби Salix viminalis на и теп-лотворну здатшсть. Установлено, що трир1чна верба мае бшьшу теплотворну здатшсть пор1вняно i3 однор1чною вербою. Про це сввдчить поява бшьш значних екзотерм1чних ефектш на кривих ДТА, як супроводжують процеси полуменевого горшня та згорання карбошзованого залишку зразюв. Збшьшення ступеня подр1бнення зразюв сприяе зрос-танню ефективност ix горшня. Про це свщчить штенсивнша втрата маси зразюв на вих стад1ях термол1зу та зростання екстремумш на кривих ДТА.
Ключовг слова: терм1чний анал1з, енергетична верба, бюпаливо, дериватограф, термограма.
Актуальнiсть питання. Сьогодш 6ioMaca е четвертим видом палива для вироблення енерги [1-5]. Одним i3 рiзновидiв бiомаси е швидкоростуча фггома-са, яко! ниш приблизно е 20 видш (верба, тополя, мккантус, евкалiпт, тополя, сорго, тошнамбур тощо). Особливо популярна та поширена в усьому свiтi "Вер-бова енергетика" [6]. Енергетична верба - це рослина, яку вивели вчеш шляхом селекцц. Вона невибаглива до якост rрунтiв, мае теплотворну здатшсть схожу до вуплля, поглинае у 10-15 разш бшьше двоокису вуглецю, нiж дикi породи дерев. Вербова енергетика е виробництвом замкненого циклу. Плантация верби дае не тшьки енергетичну деревину, але й корм для тваринницьких госпо-дарств, яю, водночас, забезпечують плантацп добривами, потрiбними для шд-вищено! врожайностi. Нинi найбiльшi плантацц верби е у Швецп, якi станов-лять приблизно 18-20 тис. га, у Польщi - понад 6 тис. га. В УкраШ першi плантацй' енергетично! верби з'явились у Волинськш, Львiвськiй, !вано-Франювсь-кiй та Рiвненськiй областi.
Як бюпаливо найчаспше використовують трирiчну швидкоростучу вербу. Однак пiд час заготовки деревини поряд i3 пагонами трирiчноí трапляються пагони дво- та навт однорiчноí деревини. Для шдвищення ефективностi горш-ня на виробнищга найчастiше використовують деревину високого ступеня под-рiбнення. Однак пiд час перероблення бiомаси нiколи не вдаеться досягти одна-кового ступеня ц подрiбнення.
Мета роботи - методом комплексного термiчного аналiзу дослiдити вплив вшу та ступеня подрiбнення швидкоростучо! енергетично! верби Salix viminalis на ii теплотворну здатнiсть та ефектившсть перебiгу процесiв горiння.
Об'ект та методи дослщження. Об'ектами дослвджень були зразки верби Salix viminalis однорiчноí iз розмiром частинок d < 0,08 мм (зразок 1) та d ~ 0,5 мм (зразок 2); трирiчноí верби Salix viminalis iз розмiром частинок d < 0,08 мм (зразок 3) та d ~ 0,5 мм (зразок 4). Розмiр частинок рiзного ступеня под-
1 асист. В.1. Ялечко - НЛТУ Украши, м. Львiв;
2 доц. В.В. Кочубей, канд. х1м. наук - НУ " Львiвська полггехнка";
3 доц. Я.М. Гнатишин, канд. техн. наук - НЛТУ Украши, м. Л^в;
4 доц. Ю.П. Павловський, канд. хiм. наук - НУ " Львiвська полiтехнiка"
