CC BY
40
УДК 621.791.725
ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА СВАРКИ ЗАКАЛИВАЮЩЕЙСЯ СТАЛИ 30ХГСА Фарахутдинов Руслан Альбертович, студент Мосюков Дей Борисович, студент Гетман Павел Владимирович, студент
Научный руководитель: Курынцев Сергей Вячеславович, к.э.н., доцент Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ, г. Казань
Разработаны способы повышения производительности технологического процесса сварки закаливающейся стали марки 30ХГСА. Использован технологический прием при сварке встык, позволяющий понизить твердость и повысить пластичность сварного соединения без применения термической обработки.
Ключевые слова: Сварка, лазерная сварка, закаливающиеся стали, технологический процесс, 30ХГСА.
При изготовлении сварных узлов и конструкций не сварочные операции составляют до 70% общей трудоемкости работ [1]: выполняются вспомогательные приемы по установке и кантовке изделий под сварку, зачистке кромок и швов, установке сварочного аппарата, его перемещению или изделия и др. Повышения производительности добиваются комплексной механизацией сварочного производства, оптимизацией технологического процесса и другими способами [1]. Трудоемкость сварки составляет примерно 30% общей трудоемкости изготовления сварной конструкции.
Целью работы является повышение производительности процесса сварки стали 30ХГСА. В данной работе исследуется сварка закаливающейся стали марки 30ХГСА. К закаливающимся при сварке сталям относят: легированные, средне- и высокоуглеродистые стали [2]. При сварке таких материалов основными трудностями являются образование закалочных структур, склонность к холодным и горячим трещинам.
Поскольку сталь 30ХГСА склонна к образованию закалочных структур и холодных трещин, сварку рекомендуют выполнять с предварительным подогревом (300-350°С) и последующей термической обработкой [3]. Технология сварки данной стали затруднена тем, что требуется тщательный контроль температуры и параметров сварочного процесса, также связана с дополнительными энергетическими и трудовыми затратами.
На данный момент при сварке стали 30ХГСА широко распространена сварка в среде защитных газов неплавящимся электродом с проволокой марки 09Г2С и др. Однако существующие способы не всегда обеспечивают требуемое качество сварных соединений, так значения механических характеристик имеют большой разброс.
Все большую популярность при сварке металлических материалов набирает лазерная сварка, позволяющая получить сварные соединения, удовлетворяющие требованиям, предъявляемым к ответственным конструкциям. Сварные соединения, полученные лазерной сваркой, обладают высоким качеством, при этом сам процесс сварки технологичен и эффективен. Так, применив лазерную сварку, технологический процесс сварки будет ускорен в 7-10 раз по сравнению с традиционными методами сварки [3]. Главный недостаток лазерного оборудования - это высокая стоимость.
Применение лазерной сварки позволит получить с высокой скоростью качественное сварное соединение за один проход. Также стоит отметить, что при лазерной сварке нет необходимости применения операции разделки кромок, что также положительно отразится на производительности процесса.
Сварка волоконным лазером стали марки 30ХГСА, сопровождается образованием закалочных структур с высокой твердостью и низкой пластичностью, ввиду высокой скорости нагрева лазерным лучом и последующего быстрого охлаждения [4]. В связи с этим было решено применить технологический прием - сварка встык производилась с проставкой между соединяемыми частями, которая обладает высокими значениями пластичности. Так, предположительно, применив в качестве проставки сталь 10 толщиной 0,65 мм, возможно, увеличится пластичность и уменьшится твердость сварного соединения, а также сможем проверить необходимость применения послесварочной термической обработки. Схема сварки с проставкой представлена на рисунке 1.
Рис.1. Схема сварки стали 30ХГСА толщиной 10 мм без разделки кромок в один проход: а) встык без зазора, б) с проставкой.
Параметры режима сварки следующие: мощность лазерного источника Р=9,5 кВт, скорость сварки Усв=0,02 м/с, длина волны лазерного излучения 1,07 мкм; диаметр пятна нагрева 200 мкм.
На рисунке 2 представлена макроструктура полученных сварных соединений при сварке рассмотренными методами. Видно, что макроструктура всех образцов сплошная, внутренних дефектов не обнаружено, к наружным дефектам можно отнести подрезы на лицевой части и провисы (выпуклость) в корне шва, которые ярко выражены при сварке без проставки.
Лазерный луч
Перечисленные дефекты могут быть устранены оптимальным подбором параметров режима сварки. Также можно отметить, что зона термического влияния во всех случаях небольшая, что и является одной из отличительных черт лазерной сварки.
а) без проставки б) с проставкой
Рис. 2. Макроструктура сварных соединений.
Измерение микротвердости производилось в сварном шве, зоне термического влияния и околошовной зоне сварного соединения (рис. 3).
Рис. 3. Микротвердость сварного соединения при сварке встык без про-
ставки и с проставкой.
Выводы:
- сварка волоконным лазером позволяет повысить производительность технологического процесса сварки: сварные соединения из закаливающейся стали 30ХГСА толщиной 10 мм были получены с большой скоростью без образования холодных и горячих трещин, а также без применения термообработки, операции разделки кромок, что существенно сокращает время технологических операций;
- при сварке с промежуточной проставкой наблюдается значительное уменьшение микротвердости на всех участках сварного соединения, что
подтверждает предположение об увеличении пластичности при сварке с проставкой, имеющей относительно высокое значение пластичности;
- применение промежуточной проставки из стали 10 позволяет не применять термообработку, однако большая величина микротвердости шва и ЗТВ относительно основного металла указывает на наличие значительных сварочных напряжений [5], поэтому, рекомендуется проводить термообработку для снятия этих напряжений.
Список литературы
1. Куркин, С. А. Технология, механизация и автоматизация производства сварных конструкций: Атлас: учеб. пособие для студентов машиностроительных специальностей вузов / С. А. Куркин, В. М. Ховов, А. М. Рыбачук. — М.: Машиностроение, 1989. -328с.
2. Арзамасов, В.Б. Материаловедение и Технология конструкционных материалов. Учебник для студентов высших учебных заведений /Арзамасов В.Б., Волчков А.Н., Головин В. А., Кузнецов В. А.. Смирнова Э.Е., Черепахин А. А., Шпунькин Н.Ф. - М., Издательский центр «Академия», 2007, 446 с.
3. Макарова, Э.Л. Сварка и свариваемые материалы: В 3-ч т. Т. 1. Свариваемость материалов. Справ.изд. под ред. Э.Л. Макарова - М.: Металлургия, 1991, 528 с.
4. Kuryntsev S. V., Gilmutdinov A. Kh. Heat treatment of welded joints of steel 0.3С-1 Cr-1Si produced by high-power fiber lasers Optics & Laser Technology 74 (2015) 125 - 131
5. Пересторонин, А.В. Анализ методов определения остаточных напряжений в сварных конструкциях // Всероссийская научно-техническая конференция студентов Студенческая научная весна 2012: Машиностроительные технологии, 2012 г. C. 1-6.
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ БИОКОМПОЗИТОВ
С ПОМОЩЬЮ КОМБИНИРОВАННОЙ ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ
ОБРАБОТКИ
Цыганов Алексей Игоревич, студент Цыганов Игорь Анатольевич, к.т.н., доцент, заведующий кафедрой физического металловедения Липецкий государственный технический университет,Россия Гелински Михаель, профессор Технический университет, г.Дрезден, Германия
В данной работе представлены результаты по разработке метода создания биокомпозитов на основе титана с помощью комбинированной ионно-плазменной обработки для улучшения биосовместимости материалов, используемых в качестве искусственных имплантатов в человеческом организме. Исследованы структура, фазовый состав и биоминерализация полученных покрытий. Показано, что добавление азота и кальция в поверхностные слои на основе титана улучшает их биосовместимость.
а-Титан и промышленные (а+в)-сплавы на его основе (ВТ6 - Т16А14У, Т16А17МЬ и др.) широко используются для изготовления искусственных тазобедренных и коленных суставов и стремительно вытесняют такие тра-
