Сварка высокопрочных коррозионностойких сталей Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.791

В.И. Лукин1, В.Г. Ковалъчук, Е.В. Голев1, Е.А. Ходакова1

СВАРКА ВЫСОКОПРОЧНЫХ КОРРОЗИОННОСТОЙКИХ СТАЛЕЙ

Выбраны режимы электронно-лучевой, автоматической и ручной аргоно-дуговой сварки новых коррозионностойких сталей, имеющих различные методы упрочнения, присадочные материалы, исследованы технологические, механические свойства и структуры сварных соединений.

Стали ВНС-72 и ВНС-13-Шлегированы совместно углеродом и азотом и имеют преимущество перед углеродсодержащими сталями по комплексу механических и коррозионных свойств. Сварные узлы из стали ВНС-72 применяются после полной термической обработки соединений. Сварка деталей из стали ВНС-13-Ш осуществляется как до проведения упрочняющей термообработки, так и в термически упрочненном состоянии. Сварка стали ВНС-63-Ш проводится в отожженном состоянии, сварные изделия помимо термической обработки подвергаются цементации.

Ключевые слова: аргоно-дуговая сварка, сварные соединения, термическая обработка, стойкость к образованию горячих трещин, прочность, ударная вязкость, коррозионная стойкость.

The modes of electron beam, automatic and manual argon-arc welding of new corrosion-resistant steels hardened by various processes and filler materials were chosen; processing characteristics, mechanical properties and structures of welded joints were investigated.

VNS-12 and VNS-13-Sh steels alloyed with carbon and nitrogen are superior to carbon-bearing alloys in the complex of mechanical and corrosion properties. Welded joints from VNS-12 steel are applied after full heat treatment of joints. Welding of parts from VNS-13-Sh steel is carried out both prior to strengthening heat treatment and in heat-treated state. Welding of VNS-63-Sh steel is carried out in the annealed state; besides heat treatment, welded products are subjected to cementation.

Keywords: argon-arc welding, welded joints, heat treatment, resistance to hot cracking, strength, fracture toughness, corrosion resistance.

Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «Ail-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: [email protected]

Введение

Высокопрочные стали применяют в конструкциях авиакосмической техники, где важно уменьшение массы. Основные требования, предъявляемые к сталям такого типа, сводятся к следующим: необходимая прочность, достаточная пластичность, хорошая ударная вязкость, повышенная длительная прочность, хорошая свариваемость, а для коррозионностойкой стали - высокая коррозионная стойкость [1-4].

Обладая высокой прочностью, удовлетворительной пластичностью и вязкостью, высокопрочная коррозионностойкая сталь ВНС-63-Ш является перспективным материалом для сварных конструкций, работающих в общеклиматических условиях. Однако сварка плавлением может оказывать значительное влияние на ее структуру и свойства.

Коррозионностойкие стали ВНС-72 и ВНС-13-Ш, легированные совместно углеродом и азотом, имеют преимущество перед углеродсодержащими сталями по комплексу механических и коррозионностойких свойств, поэтому являются перспективным материалом для высоконагруженных сварных конструкций.

Материалы и методы

Образцы для исследований изготавливали из прессованных прутков сечениями 150x150 мм (стали ВНС-72, ВНС-73-Ш) и 050 мм (сталь ВНС-63-Ш). Часть прутков ковали на сутунки, прокатывали на листы толщиной 16 и 3 мм. Лист толщиной 3 мм резали на заготовки для исследования стойкости к образованию горячих трещин и на «лапшу» для сварки. На заготовках толщиной 16 мм механически обрабатывали кромки под сварку (U-образная разделка), сваривали с использованием источника питания сварочной дуги Precision TIG 375 ручной аргоно-дуговой сваркой с присадочными материалами для исследования механических свойств, коррозионной стойкости и структуры. В качестве присадочных материалов для сварки стали ВНС-63-Ш использовали «лапшу» из основного материала [5-9], для стали ВНС-72 выбраны промышленные сварочные проволоки марок Св-06Х13Н6М4К8Б (ЭК43), Св-08Х14Н7КВМ и Св-09Х14Н8М2 (ЭП509), а также «лапша» из стали марки 15Х15Н4ГАМ (ВНС-72). Ручная аргоно-дуговая сварка стали ВНС-73-Ш осуществлялась с присадочным материалом марки 08Х14Н7КВМ. Электронно-лучевая сварка стали ВНС-73-Ш проводилась на установке ЭЛУ-20М, оснащенной системой программного управления основными параметрами сварки и энергетическим блоком SEO Tech 60/30 с мощностью 30 кВт при ускоряющем напряжении 60 кВ.

Испытания на стойкость к образованию горячих трещин проводили по методике ЛТП1-6, при которой деформация образцов в процессе сварки производится растяжением металла шва. В качестве критерия используется максимальная (критическая) скорость деформации VKp, при которой в образце не образуется трещина [10-16].

Результаты и обсуждение

Исследованы свариваемость стали ВНС-63-Ш применительно к изготовлению элементов легких опор, свойства сварных соединений при температурах -55, +20 и +300°С, проведены испытания на многоцикловую усталость (МнЦУ) сварных образцов после полной термообработки при температурах 20 и 300°С и термообработ-ки+цементации при температуре 300°С на базе 210 циклов.

По результатам испытания на МнЦУ на базе 2 107 циклов определены средние значения пределов выносливости сварных образцов при различных температурах

а Г =500 МПа, а 3°° =400 МПа (сварка+термообработка), а 3°° =440 МПа (свар-ка+термообработка+цементация).

При проведении исследований сварных образцов из стали ВНС-63-Ш получены следующие механические свойства сварных соединений:

- ав20с;=1505 МПа (ав2°°в =0,96ав20° ), KCUB2°°B=320 Дж/см2;

- аГ =1225 МПа (а™ =0,9 а3°° );

- а;5С5; =1595 МПа (а^ =0,99аf ), KCU^ =137 Дж/смв

Сварные соединения показали удовлетворительный уровень критической скорости деформации в процессе сварки стали ВНС-63-Ш в отожженом состоянии без присадочного материала - VKp=5,2 мм/мин.

Исследования структуры сварных соединений из стали ВНС-63-Ш показали, что микроструктура сварного шва отличается неоднородностью, в сварном шве зерно гораздо мельче, чем в околошовной зоне, термическая обработка существенно выравнивает структуру, но границы крупных зерен в зоне термического влияния сохраняются. Длительный нагрев при цементации приводит к некоторому росту зерна в середине сварного шва и выявляет границы крупных зерен в зоне термического влияния. Такая структура склонна к трещинообразованию (рис. 1). В связи с этим целесообразно за-

щищать от цементации зону сварного шва гальваническим никелем или медью толщиной от 30 до 60 мкм.

500 мкм

Сердцевина сварного шва после цементации и термической обработки

х500 х100

Цементованный слой сварных образцов

Рис.1. Микроструктура сварного шва стали ВНС-63-Ш

Испытания на стойкость к образованию горячих трещин сварных соединений из стали ВНС-72 в отожженом состоянии показали высокий уровень критической скорости деформации в процессе сварки с присадками:

Присадка Укр, мм/мин

Св-06Х13Н6М4К8Б (ЭК43)...................................7,2

Св-08Х14Н7КВМ...........................................6,8

Св-09Х14Н8М2 (ЭП509)..................................... 6,2

15Х15Н4АМ (ВНС-72).......................................6,2.

Ручную аргоно-дуговую сварку стали ВНС-72 осуществляли с промышленными присадочными материалами по различным технологическим вариантам сварки с присадкой из стали ВНС-72:

- послойное охлаждение в процессе сварки, имитирующее перерывы в работе;

- заполнение сварного шва с меньшим количеством слоев (4-5 слоев) и повышенным значением сварочного тока;

- подварка зоны сварного шва после механической разделки до половины высоты шва.

Сварные образцы термически обрабатывали по режиму основного материала: закалка+обработка холодом+низкий отпуск.

Испытания на растяжение при комнатной температуре сварных образцов из стали ВНС-72, выполненных с промышленными присадками марок 07Х14Н7КВМ, 06Х13Н6М4К8Б (ЭК43) и 09Х14Н8М2 (ЭП509), показали средние значения кратковременной прочности овсв=1135-1289 МПа (0,67-0,76ав). Применение присадки из стали ВНС-72, в том числе с подваркой по шву, позволило получить более высокую прочность сварных соединений - ов.Св=1476-1508 МПа (0,87-0,89ав). При сварке присадкой ВНС-72 с послойным охлаждением прочность снижается на 15%. Местом разрушения образцов при растяжении независимо от присадочного материала являлась зона сварного шва. Разрушенные образцы имели вязкие изломы.

Испытания на ударный изгиб сварных образцов с острым надрезом при комнатной температуре с вышеуказанными присадками показали высокие значения ударной

вязкости - КСУщ°в =55-122 Дж/см2. Испытания при температуре -70°С выявили снижение значений ударной вязкости по сравнению со значениями, полученными при +20°С -КСУШ™ =39-106 Дж/см2. Низкие значения ударной вязкости имеют место при использовании присадки из основного материала - стали ВНС-72. Разрушенные образцы после испытаний на ударный изгиб как при +20°С, так и при -70°С имели вязкие изломы с широкими боковыми участками среза.

Исследования структуры сварных соединений из стали ВНС-72 показали, что структура сварных швов после сварки без упрочняющей термообработки - аустенито-мартенситная. Количество мартенситной составляющей увеличивается при повышении содержания углерода в присадочном материале (рис. 2). В зоне подварки не выявлены дефекты в виде несплавления, трещин, выделений по границам кристаллитов; структура достаточно однородная, дисперсная. После упрочняющей термообработки структура сварных швов мартенситная с некоторым количеством аустенита. В нижней части сварных швов в состоянии без термической обработки при использовании присадки из стали ВНС-72 наблюдаются выделения карбидов по границам кристаллитов вследствие нагрева нижележащих слоев при сварке последующих. После термической обработки выделения отсутствуют. Структура околошовной зоны сварных швов без термической обработки разнозернистая, без дефектов в виде пор, трещин, оплавления зерен. После упрочняющей термообработки структура околошовной зоны дисперсная, однородная.

Ручную аргоно-дуговую сварку стали ВНС-73-Ш осуществляли в термически упрочненном состоянии с присадочным материалом марки 08Х14Н7КВМ. Исследования механических свойств сварных соединений показали, что среднее значение прочности сварных соединений без отпуска - о2°в=П93 МПа (0,8ав). Разрушение образцов происходит по сварному шву. Исследования ударной вязкости по зонам сварных соединений показали, что значения показателя максимальны в зоне металла шва

70° 2

(КСУ- =68 Дж/см ), а в зоне сплавления и в зоне карбидной сетки ударная вязкость в

-70° 2

2 раза ниже, чем в шве (КСУ =31-35 Дж/см ). Изломы ударных образцов по зоне шва

вязкие с большими участками среза, по зоне сплавления и карбидной сетке изломы менее вязкие, с большой зоной отрыва.

Присадка Св-06Х14Н8М2 (ЭП509) Присадка ВНС-72

Рис. 2. Микроструктуры (*200) сварных швов стали ВНС-72 без термической обработки с различными присадками

Проведение отпуска после сварки приводит к снижению уровня прочности до зна-

70° 2

чения 0,78ав и, соответственно, к повышению ударной вязкости шва (КСУ =83 Дж/см )

-70° 2

и зоны сплавления (КСУ =45 Дж/см ). В зоне выпадения карбидов ударная вязкость не изменяется. Участки среза в изломах ударных образцов по зоне шва и по линии сплавления увеличиваются, по карбидной сетке изломы не изменяются.

Исследования прочности сварных соединений стали ВНС-73-Ш, выполненных электронно-лучевой сваркой, показали более высокий уровень данного показателя (по сравнению с аргоно-дуговой сваркой) как при варианте сварки в термически упрочненном состоянии (ов20св =1420-1423 МПа, коэффициент ослабления сваркой К=0,95 без отпуска после сварки и с отпуском при 200°С), так и при варианте с упрочняющей термической обработкой после сварки (о2°в =1487 МПа, К=0,99).

Ударная вязкость по всем зонам сварных соединений, выполненных в термиче-

-70° 2

ски упрочненном состоянии без отпуска после сварки (КСУ =24-29 Дж/см ), равна ударной вязкости сварных соединений с упрочняющей термической обработкой после сварки (КСУ-70°=27 Дж/см2).

Отпуск сварных соединений, выполненных в термически упрочненном состоянии,

-70° 2

способствует повышению уровня ударной вязкости на -25% (КСУ"" =32-36 Дж/см2) -см. таблицу. Преимущественный характер разрушения - отрывом.

Механические свойства* сварных соединений стали В 1С-73-Ш, выполненных ЭЛС

Технологический вариант ав20с;, МПа К** Ударная вязкость КСУ -70°, Дж/см2

в шве в зоне сплавления в карбидной сетке

Сварка с последующей упрочняющей 1480-1490 0,99 20-34 - -

термообработкой 1487 27

Сварка стали в термически упрочненном

состоянии:

- без отпуска после сварки 1420-1430 0,95 25-29 21-25 24-32

1423 27 24 29

- с отпуском после сварки 1410-1430 0,95 31-39 31-43 32-33

1420 35 36 32

* В числителе - минимальные и максимальные значения, в знаменателе - средние. ** Коэффициент ослабления сваркой К=ов св/ов (ав=1500 МПа).

Исследовали структуру сварных соединений высокопрочной коррозионностой-кой стали ВНС-73-Ш, выполненных:

- электронно-лучевой сваркой (ЭЛС) в термически упрочненном состоянии без последующей термической обработки;

- электронно-лучевой сваркой с последующей термической обработкой;

- ручной аргоно-дуговой сваркой (АрДЭС) в термически упрочненном состоянии с присадкой 08Х14Н7КВМ без последующей термической обработки.

Дефекты в виде пор, трещин, несплавлений и т. д. не обнаружены.

Согласно структурной диаграмме Шеффлера структура сварных швов - аусте-нито-мартенситная. В зависимости от метода сварки и термической обработки количество мартенсита и аустенита может быть различным. Наибольшее количество мартенсита имеет место при ЭЛС стали с последующей термической обработкой, меньшее -при ЭЛС в термически упрочненном состоянии, наименьшее - при АрДЭС стали в термически упрочненном состоянии с присадкой 08Х14Н7КВМ.

Микроструктура сварных швов, выполненных ЭЛС, - дисперсная, боковые дендриты смыкаются в центре (рис. 3, а). Структура сварного шва, выполненного АрДЭС, - более крупная, наблюдается прорастание кристаллитов через слои кристаллизации (рис. 3, б).

Зона термического влияния хромоникелевых сталей при сварке без последующей термической обработки имеет сложное строение. Участки, примыкающие к сварному шву, нагреваемые от температуры плавления до 1100°С, находятся в аустенито-мартенситном состоянии, при котором возможно растворение или коагуляция карбидов, что может привести к разупрочнению соединения. Имеется зона с оплавленными зернами как при аргоно-дуговой, так и при электронно-лучевой сварке, что может вызвать охрупчивание этого участка (рис. 3, в, г).

При более низких температурах нагрева происходит образование карбидов в виде сетки по всей толщине сварного соединения на некотором расстоянии от линии сплавления, что может повысить твердость металла в этой зоне (рис. 1, д).

Термическая обработка выравнивает структуру по зонам сварного соединения, оплавленные зерна на линии сплавления и карбидная сетка в околошовной зоне отсутствуют.

Исследовали распределение микротвердости по зонам сварных соединений стали ВНС-73-Ш, выполненных АрДЭС. Установлено, что значения твердости металла шва при сварке термически упрочненной стали без последующей термообработки методом АрДЭС составляет 390-395 НУ, при ЭЛС: 420 НУ. Структура указанных зон -аустенито-мартенситная с различным соотношением аустенита и мартенсита. Наиболее высокие значения твердости металла шва, равные твердости основного металла

(450-480 НУ), соответствуют значениям для сварных соединений, выполненных ЭЛС с последующей упрочняющей термической обработкой, выравнивающей структуру всех зон соединения; структура - аустенито-мартенситная.

ЭЛС

а)

АрДЭС б)

г.

жт

Центр сварного шва

- -Г'

'- г; : я

тКЬ®

-

ж

/V *

^ц, .-.-И

Зона сплавления

Зона выпадения карбидов

Рис. 3. Микроструктура (а-г - *200; д - *500) зон сварного соединения стали ВНС-73-Ш, выполненного в термически упрочненном состоянии без последующей термической обработки

Зоны термического влияния сварных соединений, выполненных в термически упрочненном состоянии, имеют некоторые повышенные и пониженные значения твердости, соответствующие структурным изменениям при сварочном нагреве основного

материала. В околошовной зоне на расстоянии 3-5 мм от линии сплавления наблюдается повышение твердости вследствие образования мартенситной структуры с выделениями карбидов по границам зерен. Далее твердость изменяется до уровня основного металла (450-470 НУ). Отпуск при температуре 200°С сварных соединений, выполненных на термоупрочненной стали, обуславливает некоторое снижение твердости.

Заключения

1. Проведены исследования партии сварных образцов из стали ВНС-63-Ш. Получены следующие механические свойства сварных соединений:

- 020 =1505 МПа (ов2°;в =0,9602°), ^1=320 Дж/см2;

- о™ =1225 МПа (оГ =0,9 оГ );

- о ;5С5В° =1595 МПа (о ;5С5В° =0,99 о ;55°), КСи;5с5в° =137 Дж/см2.

По результатам испытания на МнЦУ на базе 2 10 циклов определены средние значения пределов выносливости сварных образцов при различных температурах

о.210° =500 МПа, о?Г° =400 МПа (сварка+термообработка), о?Г° =440 МПа (свар-ка+термообработка+цементация).

2. Исследования структуры сварных соединений из стали ВНС-63-Ш показали, что микроструктура сварного шва отличается неоднородностью, в сварном шве зерно гораздо мельче, чем в околошовной зоне, термическая обработка существенно выравнивает структуру, но границы крупных зерен в зоне термического влияния сохраняются.

3. Длительный нагрев при цементации приводит к некоторому росту зерна в сердцевине сварного шва и выявляет границы крупных зерен в зоне термического влияния. Такая структура склонна к трещинообразованию. В связи с этим целесообразно защищать от цементации зону сварного шва гальваническим никелем или медью толщиной от 30 до 60 мкм.

4. Аргоно-дуговая сварка с промышленными сварочными проволоками с содержанием углерода 0,06-0,09% позволяет получить сварные соединения с прочностью (0,67-0,76)ав.

5. Аргоно-дуговая сварка с присадкой из стали ВНС-72 позволяет получить сварные соединения с прочностью (0,82-0,89) о;;0 , в том числе с подваркой по зоне шва, с удовлетворительной ударной вязкостью и высокой коррозионной стойкостью.

6. Исследования механических свойств сварных соединений стали ВНС-73-Ш показали, что среднее значение прочности сварных соединений без отпуска -о^ =1193 МПа (0,8ав). Разрушение образцов происходит по сварному шву. Исследования ударной вязкости по зонам сварных соединений показали, что значения показателя

70° 2

максимальны в зоне металла шва (КСУ' =68 Дж/см ), а в зоне сплавления и в зоне карбидной сетки ударная вязкость в 2 раза ниже, чем в шве (КСУ-70 =31-35 Дж/см2), отпуск после сварки приводит к снижению уровня прочности до значения 0,78ав и, соответственно - к повышению ударной вязкости шва (КСУ'70 =83 Дж/см2) и зоны сплавления

-70° 2

(КСУ =45 Дж/см ). В зоне выпадения карбидов ударная вязкость не изменяется. Участки среза в изломах ударных образцов по зоне шва и по линии сплавления увеличиваются, по карбидной сетке изломы не изменяются.

7. Исследования прочности сварных соединений стали ВНС-73-Ш, выполненных электронно-лучевой сваркой, показали более высокий уровень данного показателя по сравнению с аргоно-дуговой сваркой как при варианте сварки в термически упрочненном состоянии (о20в =1420-1423 МПа, К=0,95 без отпуска после сварки и с отпуском

200°С), так и при варианте с упрочняющей термической обработкой после сварки ( ов.0в =1487 МПа, K=0,99).

ЛИТЕРАТУРА

1. Каблов E.H. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период

до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7-17.

2. Каблов E.H. Современные материалы - основа инновационной модернизации России //Металлы Евра-

зии. 2012. №3. С. 10-15.

3. Панин В.Е., Каблов E.H., Плешанов B.C. и др. Влияние ультразвуковой ударной обработки на структу-

ру и сопротивление усталости сварных соединений высокопрочной стали ВКС-12 //Физическая мезо-механика. 2006. Т. 9. №2. С. 85-96.

4. Каблов E.H. Шестой технологический уклад //Наука и жизнь. 2010. №4. С. 2-7.

5. Тонышева O.A., Вознесенская Н.М., Шалькевич А.Б., Петраков А.Ф. Исследование влияния высокотемпературной термомеханической обработки на структуру, технологические, механические и коррозионные свойства высокопрочной коррозионностойкой стали переходного класса с повышенным содержанием азота //Авиационные материалы и технологии. 2012. №3. С. 31-36.

6. Орлов М.Р., Оспенникова О.Г., Громов В.И. Развитие механизмов водородной и бейнитной хрупкости

конструкционной стали в процессе эксплуатации крупногабаритных конструкций //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 88-93.

7. Тонышева O.A., Вознесенская Н.М. Перспективные высокопрочные коррозионностойкие стали, леги-

рованные азотом (сравнительный анализ) //Авиационные материалы и технологии. 2014. №3. С. 27-32.

8. Лукин В.И., Банас И.П., Ковальчук В.Г., Голев Е.В. Аргоно-дуговая сварка высокопрочной цементуе-

мой стали ВНС-63 //Труды ВИАМ. 2013. №8. Ст. 01 (viam-works.ru).

9. Жуков A.A., Навоев А.П. Определение модуля упругости цементованного слоя //Упрочняющие техно-

логии и покрытия. 2012. №5. С. 37-40.

10. Тарасенко Л.В., Пахомова С.А., Унчикова М.В., Герасимов С.А. Материаловедение. М.: ИНФРА-М. 2012. 474 с.

11. Лукин В.И., Вознесенская Н.М., Ковальчук В.Г. и др. Сварка высокопрочной коррозионно-стойкой стали ВНС-72 //Сварочное производство. 2012. №10. С. 31-35.

12. Подшипниковая сталь: пат. №2452790 Рос. Федерация; заявл.16.06.2012; опубл.10.06.2012.

13. Матюнин В.М. Металловедение в теплоэнергетике: Учебное пособие. М.: Издательский дом МЭИ. 2008. 328 с.

14. Лащенко Г.И. Тенденция развития технологий сварочного производства //Сварщик. 2011. №6. С. 6-11.

15. Миддельдорф К., Хофе Фон Д. Тенденции развития технологий соединения материалов //Автоматическая сварка. 2008. №11. С. 37-48.

16. Шмотин Ю.Н., Старков Р.Ю., Данилов Д.В., Оспенникова О.Г., Ломберг Б.С. Новые материалы для перспективного двигателя ОАО «НПО „САТУРН"» //Авиационные материалы и технологии. 2012. №2. С. 6-8.