CC BY
35
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2006р. Вип.№16
УДК 621.791.75
Носовский Б.Н.1, Гулаков C.B.2, Носовский М.Б.3, Псарёва Н.С.4
СТРУКТУРНАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬ В ЗОНЕ ТЕРМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ ПРИ СВАРКЕ (НАПЛАВКЕ)
Рассмотрены процессы возникновения структурной неоднородности по границам зерен в зоне термического влияния, увеличивающие склонность к горячим трещинам. Предложен метод и оборудование, позволяющие оценить склонность к горячим трещинам при наплавке ленточным электродом.
Процесс формирования соединения при сварке плавлением характеризуется мощным локальным термическим воздействием на ограниченные объемы металла, что приводит к появлению напряжений, деформаций изделия, способствует образованию неоднородности свойств металла шва и околошовной зоны, ухудшающих в конечном итоге служебные характеристики сварного соединения [1].
Целью данной работы является изучение механизма возникновения структурной неоднородности и ее влияния на свойства сварных соединений.
В процессе сварки (наплавки) зона термического влияния (ЗТВ) подвергается воздействию широкого интервала (диапазона) температур, оказывающих существенное влияние на структуру и свойства ее отдельных участков.
Рассмотрим участок ЗТВ, граничащий с линией сплавления в интервале температур ликвидуса (Тл) и солидуса (Тс).
Наплавленный металл представляет собой многокомпонентные поликристаллические системы с существенной анизотропией свойств в макро- и микрообъемах.
В процессе затвердевания наплавленного слоя возникают дефекты кристаллического строения, количество которых зависит от химического состава ванны и параметров режима.
При наплавке последующих слоев предыдущие подвергаются воздействию высоких температур с большими градиентами. Это способствует интенсивному протеканию диффузионных процессов, приводящих к увеличению анизотропии наплавленного металла. Вследствие больших скоростей охлаждения участков, нагретых выше линии АСз в процессе фазовых превращений в твердом состоянии возникает гамма метастабильных структур мартенситного типа, в различной степени склонных к вязкому течению под воздействием остаточных напряжений первого рода. Указанные процессы позволяют утверждать, что на прочность в процессе сварки после затвердевания будут оказывать существенное влияние технологические параметры наплавки (погонная энергия, предварительный и сопутствующий подогрев и др.).
Рассмотрим схему обогащения ликвирующей примесью оплавленных границ зерен в околошовной зоне (рис. 1).
В зоне термического влияния границы зерна оплавлены (рис. 1 а). В пределах зерна существует градиент температур, он изображен линией А'В' (рис. 1 б).
Если рассматриваемый сплав относится к ряду непрерывных твердых растворов, то на диаграмме состояния (рис. 1 в) его состав будет соответствовать начальной концентрации легирующего элемента Со. Границы зерна А и В нагреты до температур Ti и Т2, находятся в интервале двухфазного состояния (между Тл и Тс). В предельном случае концентрации легирующих элементов на оплавленных границах А и В достигнут значений Сщи Сгж соответственно.
1 ПГТУ, канд. техн. наук, доцент
2 ПГТУ, д-р техн. наук, профессор
3 ПГТУ, канд. техн. наук, ст. преподаватель
4 ПГТУ, канд. техн. наук, ст. преподаватель
В соседних приграничных областях зерна, находящихся в твердом состоянии, концентрации легирующего элемента будут составлять С1 Твн С2тв- В центрах зерен концентрация легирующего элемента будет соответствовать расчетной кривой Ср. В первом приближении будем
считать ее близкой к С-о (если не учитывать диффузию в жидкий металл сварочной ванны).
Очевидно, что по мере увеличения температуры выше линии солидуса толщина жидких прослоек по границам зерен будет увеличиваться. Кроме того, процессы диффузии в жидком состоянии протекают значительно быстрее, чем в твердом. Поэтому с повышением температуры в интервале двухфазного состояния по мере увеличения толщины жидких прослоек избыточная концентрация легирующего элемента в них будет сначала резко возрастать, а затем убывать до конечного значения, равного среднему содержанию примеси в жидком расплаве при температуре ликвидуса.
Из представленной схемы видно, что максимальная неоднородность оплавленных границ будет на некотором расстоянии от линии сплавления.
В дальнейшем при охлаждении околошовной зоны сварного соединения будет происходить процесс кристаллизации оплавленных границ зерен и диффузионного перераспределения легирующих элементов в условиях уменьшения градиента температур и меньших скоростях охлаждения в сравнении со скоростями нагрева. При увеличении толщины жидкой прослойки по границам зерен происходит выравнивание состава по всем}' объему и снижение концентрации легирующего элемента С га и С2ж- Поэтому распределение концентрации по границам (В и А) и телу зерна Ср (рис. 1 г) может служить качественной кривой распределения избыточных концентраций легирующего элемента в жидкой фазе в момент, с оот в стст в у ю щ и й начал}' охлаждения.
Таким образом, к началу охлаждения на границе раздела твердой и жидкой фаз распределение легирующих элементов будет различным и существенно зависит от максимальной температуры нагрева.
В процессе затвердевания и последующего охлаждения возможно некоторое снижение неоднородности, однако, учитывая большие скорости нагрева и охлаждения при сварке (наплавке), процессы выравнивания концентраций не достигают равновесия, что и обуславливает возникновение значительной неоднородности сварных соединений и неравновесности струк-
Схема обогащения ликвирующей примесью оплавленных границ зерен в околошовной зоне
тур. Это приводит к процессам разупрочнения сварных соединений в процессе сварки, затвердевания металла сварного соединения и при его эксплуатации.
Рассмотрим влияние структурной неоднородности на склонность наплавленного металла к горячим трещинам.
В процессе наплавки вследствие большого градиента температур возникают усилия, превышающие предел текучести, и определенные части наплавленного валика испытывают значительные пластические деформации. Если деформации превышают предел пластичности, то образуются горячие (кристаллизационные) трещины [2].
Рассмотрим механизм образования горячих трещин. Прочность о и пластичность 5 наплавленного металла существенно зависят от температуры (рис. 2). Прочность тела зерна (сзер. на) незначительно изменяется при температурах, близких к температуре плавления. Причем прочность межзеренных границ (ст|ра||) выше прочности тела зерна, поэтому деформация равномерно распределяется по всему объему и показатель пластичности (5) оказывается высоким. С ростом температуры интенсивнее протекают релаксационные процессы, что увеличивает деформационную способность материала.
При достижении температуры солидуса границы зерен начинают оплавляться, их прочность (агран) резко уменьшается и становится меньше прочности зерна (азерна). Пластическая деформация локализуется по границе зерна, а показатель пластичности (5) резко уменьшается.
Эту точку называют нижней границей температурного интервала хрупкости - НГ ТИХ.
По мере роста количества жидкой фазы увеличивается толщина жидкой прослойки по границам зерен и кристаллиты получают возможность взаимно перемещаться без заклинивания, что увеличивает пластичность. Эту точку называют верхней границей температурного интервала хрупкости - ВГ ТИХ. Интервал температур, обусловливающий низкую пластичность, называют температурным интервалом хрупкости - ТИХ.
ТИХ определяется составом наплавленного металла, а также условиями охлаждения сварного соединения.
Вследствие больших скоростей охлаждения при наплавке затвердевание металла шва протекает в неравновесных условиях, что увеличивает ТИХ и, соответственно, склонность к горячим трещинам.
Рассмотрим процесс затвердевания сплава, состоящего из компонентов А и В и имеющего концентрацию С0 легирующего элемента (рис. 3).
наплавленного металла
При достижении температуры ликвидуса (точка 1) начинают кристаллизоваться порции металла с меньшей концентрацией легирующего элемента С] (см. рис. 3), а его концентрация в расплаве увеличивается. Это приводит к снижению температуры солидуса (ее называют температурой солидуса неравновесного - ТСн) и увеличению температурного интервала хрупкости ТИХнр. Количество жидкой (Жф) и твердой (Тф) фаз определяется правилом рычага. По мере роста кристаллитов образуется общий твердый каркас металла, в промежутках которого нахо-
жу1
Рис. 2 - Влияние температуры на прочность и пластичность
А С0 В
Рис. 3 - Влияние неравновесности солидуса на увеличение склонности к горячим трещинам
Наплавляемый валик
дится жидкая фаза. Начиная с этого момента кристаллиты теряют возможность поворота, заклинивают и начинается процесс накопления деформации усадки в.
Если деформация усадки окажется меньше пластичности сплава 5, то разрушения не будет (рис. 3, точка 2). Если в превысит 5, то возникают трещины (рис. 3, точка 3). Как видно из рис. 3, неравновесность процессов кристаллизации металла сварочной ванны снижает НГ ТИХ и допустимую деформацию усадки - в.
Учесть теоретически все факторы, влияющие на склонность к горячим трещинам, сложно, поэтому разработаны специальные методы, а также испытательные машины, позволяющие принудительно с различными скоростями деформировать свариваемые образцы. Чем большую скорость деформации выдерживает кристаллизующийся металл шва, тем меньше вероятность образования горячих трещин.
При наплавке ленточным электродом использование стандартных машин конструктивно затруднено. Для оценки стойкости наплавленного металла к образованию горячих трещин в ОНИЛ наплавки разработана [3] испытательная машина, позволяющая производить испытания металла, наплавляемого ленточным электродом. В конструкции машины использована схема чистого изгиба (рис.4).
Для обеспечения равномерного изгиба пластины по ширине разработан редуктор с четырьмя силовыми винтами на выходе, которые, синхронно перемещая две траверсы, деформируют пластину. Скорость деформации регулируется изменением оборотов коллекторного электромотора постоянного тока.
Результаты исследований на склонность к горячим трещинам представлены на рис. 5. В качестве критерия склонности к горячим трещинам принята критическая скорость деформации выше которой возникают трещины. Из рис. 5 видно, что известные наплавочные материалы имеют различную склонность к горячим трещинам.
„ 14
Ленточный электрод
Р
777,
Рис. 4 - Схема нагружения испытательной машины
03
Я
к &
и Л н
к «
&
12
10
М -е К 3
а в
к <
о
И
о С
О*
о—
о©«
ООО
оо
оо СО
О)
><:
ООО о о о
и 2 е
1Г>
О*
оо* ООО
ООО — О о
о о
о —
ь
с чо
О — и
сч о
г-X о — к о сч ><:
ООО О
о
0
Рч
я
и
1
(Ч
X о
ООО
о о
оо о
о 2 е
и
г-X о
О)
о«о
оо
и 2 е
и
с-
о*
ООО
о о
о
у
е
I—
оо X
Тип наплавленного металла • - трещины есть о - трещин нет Рис. 5 - Технологическая прочность сплавов в процессе кристаллизации при наплавке
Однако, испытания на склонность к горячим трещинам не позволяют определить распределение свойств в зоне термического влияния, так как разрушение всегда происходит по участку с минимальными свойствами.
Распределение прочности в зоне термического влияния исследовали на отдельных образцах, подвергнутых нагрев}' по имитированным термическим циклам, соответствующим отдельным точкам зоны термического влияния. Образцы размером 3x6x40 мм из стали Х18Н10Т на-
гревали до различных максимальных температур в интервале 1200-1400 °С. Затем образцы испытывали на растяжение со скоростью перемещения захвата машины 0,0025 мм/мин при температуре 700 °С. Результаты испытаний представлены на рис. 6. Как видно из рисунка, провал прочности совпадает с линией солидуса (1300 °С) этой стали. Выше этой температуры прочность увеличивается. Это подтверждает механизм возникновения неоднородности зоны термического влияния, представленный на рис. 1.
Р,%
30
20
10
0
700' '1100 1200 1300 Т, °С Рис. 6 - Зависимость прочности от максимальной температуры термического цикла
В перспективе предложенные методика и оборудование позволят проводить качественные исследования стойкости наплавочных материалов против горячих трещин на стадии их разработки и контролировать в процессе производства.
Выводы
1. Проанализировав влияние градиента температур, возникающего при наплавке, и химического состава наплавленного металла определяющих структурную неоднородность, возникающую в зоне термического влияния и снижающую стойкость против образования горячих трещин, рекомендуется для их исключения при наплавке ограничить содержание лик-вирующих примесей, снизить скорость деформации металла околошовной зоны ниже критической за счет оптимального предварительного и сопутствующего подогрева.
2. Показано, что анализ влияния градиента температур и жесткости наплавляемого изделия, физических свойств наплавляемого сплава определяющих величину и время действия сварочных напряжений и деформаций, исчерпывающих пластичность, необходимо осуществлять путем изменения контролируемой скорости деформации.
Перечень ссылок
1. Игнатьева B.C. К вопросу определения деформаций, развивающихся в процессе остывания металла в температурном интервале хрупкости / B.C. Игнатьева, Ю.В. Субботин II Сварочное производство.- 1962,- №4. - С. 12 - 15.
2. Прохоровов H.H. Горячие трещины при сварке / Н.Н.Прохоровов. - М.: МАШГ'ИЗ. -
1952. - 220 с.
3. Об оценке основных свойств металла для наплавки прокатных валков / Н. И. Носовский, Л.КЛещинскиг% С.В.Гулаков, А.И.Олдаковский II Теоретические и технологические основы наплавки. Свойства и испытания наплавленного металла / Под ред. И.И.Фрумина. -Киев: ИЭС им. Е.О.Патона. - 1979. - С. 85 - 98.
Статья поступила 09.03.2006
\ CT > л»
\ /
/чР
Структурная неоднородность в зоне термического влияния при сварке (наплавке) Рассмотрены процессы возникновения структурной неоднородности по границам зерен в зоне термического влияния, увеличивающие склонность к горячим трещинам. Предложен метод и оборудование, позволяющие оценить склонность к горячим трещинам при наплавке ленточным электродом.
Структурна неоднорщнють в зош терупчного впливу при зварюванш (наплавленш) Розглянуп процеси виникнення структурно! неоднорщносп по межах зерен в зош Tcpvii-чного впливу, що збшыпують схильшсть до гарячих трщин. Запропонований метод i устатку-вання, що дозволяе оцшити схильшсть до гарячих трщин при наплавленш стр1чковим елект-родом.
Structural heterogeneity in the thermal affected zone at welding (overlaying) The processes of origin of structural heterogeneity on the boundaries of grains in the thermal affected zone, multiplying propensity to the hot cracks, are considered. A method and equipment allowing to estimate propensity to the hot cracks at overlaying by a stripe electrode is offered.
