CC BY
224
УДК 621.791
СВОЙСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ 08Ю
© 2006 Т .В. Хайруллин, В.И. Столбов Т ольяттинский государ ственный универ ситет
В статье анализируется проблема применения в автомобильной промышленности стали 08Ю при изго -товлении кузовных деталей.
В автомобильной промышленности при изготовлении кузовных деталей исполь -зуется сталь 08Ю. Данная сталь является низкоуглеродистой качественной для холодной листовой штамповки и поставляется в виде тонколистового проката по ГОСТ 9045-93. В состоянии поставки микроструктура стали представляет собой вытянутые зерна феррита (твердость ЫУ-100), окру -женные сеткой цементита (твердость ЫУ-1000) (рис.1).
Рис. 1. Микроструктура стали 08 в состоянии поставки
Химический состав и механические свойства стали 08Ю приведены в таблицах 1 и 2.
Для получения указанного сочетания характеристик прочности и пластичности на металлургических комбинатах прокат из этой стали подвергают отжигу в печах непрерывного действия, либо в колпаках в среде азота: нагрев до температуры 800 -850°С, изотермическую выдержку и замед-
Таблица 1. Химический состав стали
Массовая доля элементов, %
С Мп 8 Р & А1
не более
0,07 0,35 0,025 0,020 0,03 0,02 -0,07
Т аблица 2. Механические свойства стали
§80, %, не менее
2 Ор, Н/мм , при толщине
О, 2 проката, мм
не более Н/мм2 >0,7 5, ,1 I 7, ,0 1,5 - 2,0 ЫУ0,2, не более
185 250-350 38 40 42 о о
ленное охлаждение со скоростью £ 30° С/час [1]. В результате отжига сталь приобретает высокую пластичность, необходимую при вытяжке. При этом механические свойства отожженного листа изменяются относитель -но свойств нагартованного проката: в три раза увеличивается величина относительного удлинения, в полтора раза уменьшается предел прочности.
В настоящее время сталь 08Ю также используется при изготовлении сварных составных заготовок (ССЗ), получаемых с помощью сварки из двух, трех и более точно раскроенных листов металла разной толщины от 0,65 мм до 2,0 мм. В качестве основного способа сварки применяется лазерная сварка в среде инертного газа или в смеси газов. Такие заготовки применяются при обычной холодной листовой штамповке ку -зовных деталей [2].
Металловедческие исследования показали, что особенностью сварных швов ССЗ из сталей иностранного производства, аналогичных 08Ю является повышенная твер-дость металла шва по сравнению с основным металлом и низкие пластические свой-
ства сварных швов. Также известно, что способность к требуемой пластической деформации сварных составных заготовок (ССЗ) в местах, где линии действующих напряжений попадают на сварные соединения при холодной листовой штамповке ССЗ полностью определяют пластические свойства этих сварных соединений [3].
Для определения причин возникновения повышенной твердости сварных швов проводили исследования образцов с использованием лазерной сварки и дуговой сварки неплавящимся (вольфрамовым) электродом в защитной среде аргона. Дуговая сварка выполнялась на медных водоохлаждаемых пластинах, лазерная сварка проводилась без принудительного охлаждения. Режимы сварки образцов и исследуемые сочетания толщин приведены в таблице 3.
Т аблица 3. Режимы сварки образцов и исследуемые сочетания толщин
цов 1 и 2 типов не выявлено разрушений по сварному шву и зоне термического влияния, что говорит о хорошем качестве сварных соединений (рис. 3). Результаты испытаний образцов 2 типа приведены в таблице 4.
100
50
*
а
б
Рис. 2. Образцы для определения механических свойств сварнъа соединений при статическом растяжении: а - тип 1; б - тип 2
Сочетания толщин листов, мм Лазерная сварка Дуговая сварка
Мощность луча Рл, кВт со Н к> о ^ ор к с О 8 5 н В ь к Й о! о Рн н щ и ог Е еу Скорость сварки Усв, м/час
0,8+0,8 1,0 100 1,8 60
0,8+1,0 1,0 90 2,0 60
1,2+1,5 1,0 70 2,6 60
1,5+1,5 1,0 60 2,7 48
Свойства образцов сварных соединений, изготовленных из опытных образцов ССЗ, определяли при испытаниях на статическое растяжение по ГОСТ 6996-66 «Свар -ные соединения. Методы определения механических свойств». Образцы изготавливались двух типов: 1 типа для определения прочности наиболее слабого участка стыкового соединения (рис. 2, а); 2 типа с ослаблением образца в месте шва для определения прочности металла шва в стыковом соединении (рис. 2, б).
Испытания проводились на разрывной машине «иТ8-100». При испытаниях образ-
С<\,
а б в г
Рис.3. Разрушения на образцах: а, в - лазерная сварка; б, г - дуговая сварка
В ходе металлографических исследований была проанализирована микроструктура сварных швов (рис.4, 5, 6).
Выявлено, что, несмотря на низкое содержание углерода (не более 0,07%), твер-дость металла сварных швов увеличилась по сравнению с основным металлом в 2...2,5 раза, а в структуре металла шва содержатся зерна сорбита и бейнита. Известно, что для низкоуглеродистой стали такие структуры образуются при высокой скорости охлаждения порядка 1000.1500 °С/сек. [1].
Т аблица 4. Результаты испытаний образцов 2 типа
Сочетания толщин листов, мм Предел прочности, Н/мм2
Образцы лазерной сварки Образцы дуговой сварки
0,8+0,8 381 515
0,8+1,0 383 503
1,2+1,5 414 511
1,5+1,5 394 512
х22
а
х14
б
Рис. 4. Микроструктура сварных соединений листов 1,5 мм стали 08Ю: а - лазерная сварка; б - дуговая сварка
х100
а
х100
б
Рис. 5. Микроструктура металла сварного шва: а - лазерная сварка; б - дуговая сварка
НУ,
0,2
Рис.6. Распределение микротвердости по поперечному сечению сварного соединения стали 08Ю
Для определения скорости охлаждения металла шва было проведено моделирование термического цикла металла сварного шва. Был выполнен расчет на основе метода источников по известной модели распространения теплоты от мощного линейного быст-
родвижущегося источника в тонкой пластине (1) [4]:
_ у 2
Т(у, і) =—т=—-е‘4"'), (1)
(уду] 4ял(ґсу) где і - время, отсчитываемое от момента когда источник пересекает плоскость исследуемого сечения; q - мощность сварочного источника; V - скорость перемещения источника по длине сварного шва; д- толщина пластины; 1 - коэффициент теплопроводности ; су - объемная теплоемкость; а -коэффициент температуропроводности.
Для проверки адекватности модели было проведено экспериментальное определение распределения тепла в сечении свар -ного шва при сварке с использованием тер -мопар. Термопары устанавливались с обратной стороны листов на расстоянии 1,5 мм от свариваемого стыка на образцах лазерной сварки и на расстоянии 3 мм для образцов дуговой сварки по 6 штук по обоим сторонам свариваемого стыка на расстоянии 10 мм друг от друга. Термометрирование проводилось в пяти повторных опытах на одних и тех же режимах сварки. В ходе последу ю-щей обработки результатов выявлено, что полученная экспериментальная кривая охлаждения достаточно точно соответствует теоретической модели и термическому циклу характерному для образования в стали 08Ю структур типа бейнит и сорбит [1] (рис.
7).
В результате работы выявлено, что увеличения твердости происходит по нескольким причинам.
В первую очередь необходимо отметить, что при сварке металл переплавляется и возвращает свою литую структуру как после плавки. Зерна металла шва находятся в высокой степени неравновесности, неправильности формы.
Следующая причина состоит в появлении закалочных структур бейнитного и сор -битного типа, которые возникают из-за вы-
сокой скорости кристаллизации при остывании сварного шва.
0.2 0,5 / 2 5 Ю 20 50 100200 500 Ш
Рис. 7. Диаграмма изотермического превращения аустенита в стали 08Ю с наложенными кривыми охлаждения металла сварных швов
Образование этих структур объясняется тем, что при сварке для тонколистового проката толщиной 0,65.2,0 мм образуется небольшая сварочная ванна. Т.к. поверхность теплоотвода в холодные части листов значительная, то скорость кристаллизации металла соответствует скоростям закалки.
Список литературы
1. Структура и свойства автолистовой стали./В.Л. Пилюшенко, А.И. Яценко, А. Д. Белянский и др. - М.: Металлургия, 1996. -164 с.
2. Бернадский В.Н. «Тонколистовые сварные составные заготовки - “Tailored Blanks” в автомобилестроении»// Сварочное производство, 2001- №6,- с.15-30
3. X.Bellut et al. Welded blanks. Characterization and implementation.//Sollac Usinor Group, 1998.
4. Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. М .Машгиз, 1951, 296 с.
PROPERTIES OF THE LOW-CARBON STEEL 08AL WELDS
© 2006 T.V. Khairullin, V.I. Stolbov Togliatti State University
Analyzed problem of hardness increasing in the welds of steel 08Al of the tailored welded blanks (TWB) Given the description of the steel 08Al, TWB sampling by laser and WIG welding, mechanical tests and metallographic analysis, definition of thermal cycle of metal in molten pool. Revealed the hardness increasing result from reversion of the steel structure and bainite phase initiations.
