CC BY
0DOI: 10.24412/cl-37269-2024-1-105-106
ТЕХНОЛОГИИ ПОДВОДНОЙ МОКРОЙ СВАРКИ СУДОСТРОИТЕЛЬНОЙ СТАЛИ С РЕГУЛИРУЕМОЙ СКОРОСТЬЮ ОХЛАЖДЕНИЯ
Паршин С.Г.1, Гао Ю.1, Никулин В.Е.1, Левченко А.М.2, Иванова И.В.1
1 Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург
2 ООО «УНТЦ «Сварка», Санкт-Петербург
Разработаны технологии подводной мокрой свари низколегированной стали D40 с применением ферритной порошковой проволоки ППС-АПЛ2. Исследована микроструктура, остаточные напряжения, распределение микротвердости шва и зоны термического влияния. Применение подогрева и термоизоляции позволило снизить остаточные напряжения, микротвердость и степень микроструктурной анизотропии шва и зоны термического влияния.
Введение. Основной проблемой при подводной мокрой сварке низколегированных сталей повышенной и высокой прочности является появление холодных трещин в зоне термического влияния (ЗТВ), которые возникают в результате сочетания неблагоприятных факторов: наличия закалочных структур, диффузионно-подвижного водорода и остаточных растягивающих напряжений [1, 2].
Целью работы являлось снижение остаточных сварочных напряжений и анизотропии шва при подводной мокрой сварке низколегированной стали D40 за счет уменьшения скорости охлаждения и улучшения микроструктурного состояния.
1. Методика исследований. Для мокрой сварки использовали ферритно-перлитную судостроительную сталь повышенной прочности D40 по ГОСТ Р 52927-2015 с эквивалентом углерода 0,302%с пределом текучести 435 МПа, твердостью 173 HV. Для сварки использовали самозащитную порошковую проволоку ППС-АПЛ2 по ТУ 1274-001-83763787-2014 диаметром 1,6 мм. Подводную мокрую сварку производили на глубине 500 мм с применением источника EVOMIG-500 (ООО «ЗТИ», Санкт-Петербург) при скорости сварки 320 мм/мин, токе 215-240 А, напряжении 30-32 В, погонной энергии 903-945 Дж/мм. Остаточные напряжения исследовали в сечении по центру пластины со сварным швом методом рентгеновской дифракции анализатором «НеРКА» (ООО «РаДиаТех», г. Гатчина).
2. Результаты исследований. Выполняли подводную сварку 5-ти образцов: № 1 обычный режим; № 2 обычный режим с индукционным подогревом до 95 оС; № 3 обычный режим с теплоизоляцией; № 4 импульсный режим; № 5 импульсный режим с подогревом. Максимальная величина продольных положительных растягивающих напряжений в образцах № 1, 2, 3 достигала в ЗТВ: 491-492 (ср. 492), 313-404 (ср. 359), 348-411 (ср. 380) МПа. Таким образом, применение подогрева и теплоизолирования уменьшило среднюю максимальную величину растягивающих напряжений в ЗТВ в 1,37 и 1,29 раза.
Максимальная величина продольных растягивающих напряжений в образцах № 4, 5 достигала в ЗТВ: 416-561 (ср. 488), 420-436 (ср. 428) МПа. Таким образом, в импульсном режиме возникали продольные напряжения до 561 МПа, что выше в 1,14 раза максимума напряжений при сварке в обычном режиме. Применение подогрева в импульсном режиме уменьшило среднюю максимальную величину растягивающих напряжений в ЗТВ в 1,14 раза.
Измерение микротвердости производили твердомером Durascan-50 G5 при нагрузке 2 Н с шагом 250 мкм. Применение подогрева и теплоизолирования при подводной мокрой сварке стали D40 снизило твердость в верхней части шва в 1,29-1,53 раза с 275 HV до 179-212 HV, в нижней части шва в 1,17-1,43 раза с 247 HV до 172-211 HV, на на границе шва с 347-358 HV до 286-301 HV в 1,15-1,25 раза.
Типичная микроструктура шва состояла из зерен размером 100-220 мкм первичного феррита (FSP) со вторичной фазой из игольчатого феррита (AF) и пластинчатого феррита (SPF) внутри зерен FSP. На границе шва отмечалось увеличение объема участков нижнего
бейнита (LB) с AF и появление мартенсита (M) реечной морфологии. Применение подогрева в обычном режиме привело к увеличению объема PF в 3-5 раз, отсутствию AF, уменьшению размера зерен FSP в 2-2,2 раза, уменьшению доли GBF и LB. На границе шва увеличился объем PF и LB с AF, а также сократился объем мартенсита, что способствует снижению твердости. Применение теплоизоляции в обычном режиме увеличило объем и размер зерен PF в 2 раза, к увеличению длины и ширины AF в 2-3 раза. На границе шва увеличился объем PF, LB с AF при отсутствии мартенсита, что способствует снижению твердости.
При импульсном режиме микроструктура отличалась значительным снижением доли и диаметра зерен FSP и GBF в 1,4-2 раза, наличием участков LB и мартенсита реечной морфологии, что способствует росту твердости. На границе шва увеличился объем LB и М, а также обнаружены холодные микротрещины длиной 400-600 мкм в мартенсите. Применение подогрева при импульсном режиме увеличило объем GBF и PF в 2-3 раза, однако на границе шва также обнаружили микротрещины длиной 400-600 мкм. Причиной образования холодных микротрещин на границе шва является совместное действие факторов: высоких растягивающих напряжений и образование мартенсита. Третьей причиной является возможный рост концентрации диффузионного водорода в локальной зоне между мартенситным слоем и феррит-ным присадочным материалом. Из-за различия в коэффициентах диффузии водорода в разнородных материалах на границе феррит-мартенсит максимум концентрации диффузионного водорода достигает до 180% от концентрации водорода в шве [3, 4]. По данным [5] и по уточнённым исследованиям вакуумным методом, концентрация диффузионного водорода в шве при мокрой сварке порошковой проволокой ППС-АПЛ2 составляет 23-30 мл/100 г, т. е. локальная концентрация водорода на границе ферритного шва с мартенситным слоем в ЗТВ может достигать 41-54 мл/100 г.
Выводы:
1. Таким образом, методом рентгеновской дифракции установлено, что при подводной мокрой сварке стали D40 образуется продольное и поперечное поле остаточных напряжений сложной конфигурации с критической величиной растягивающих напряжений на границе шва, которая превышает предел текучести стали. Применение подогрева и теплоизолирования позволило уменьшить максимальную величину продольных напряжений на границе шва в обычном режиме в 1,29-1,37 раза, в импульсном режиме в 1,14 раза.
2. При подводной мокрой сварке судостроительной стали D40 с применением феррит-ной порошковой проволоки ППС-АПЛ2 в обычном и импульсном режиме в шве формируется анизотропная микроструктура, состав и морфология которой изменяется в поперечном сечении шва. Микроструктура шва состоит из зерен первичного феррита со вторичной фазой игольчатого феррита, а также зернограничного и полигонального феррита. На границе шва возникают участки нижнего бейнита и мартенсита, что увеличивает твердость до 347-358 HV.
3. Применение подогрева и теплоизолирования позволило снизить твердость в верхней части шва в 1,29-1,53 раза, в нижней части шва в 1,17-1,43 раза за счет увеличения объема полигонального феррита в 2-5 раз, а также на границе шва в 1,15-1,25 раза за счет уменьшения объема мартенсита. В импульсном режиме подогрев снизил максимальную твердость в шве в 1,16-1,2 раза, на границе шва в 1,05-1,18 раза за счет уменьшения объема мартенсита.
Литература
1. Макаров Э.Л., Якушин Б.Ф. Теория свариваемости сталей и сплавов. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. 487 с.
2. Паршин С.Г. Материалы и технологии подводной сварки. Монография. Санкт-Петербург, Издательство Политех-Пресс, 2023. 468 с.
3. Karkhin V.A., Levchenko A.M., Starobinskii E.B., Parshin S.G. Effect of Microstructural Inhomogeneity on Hydrogen Diffusion in Welded Joints. Materials Today: Proceedings 2020, 30, 1.
4. Rudskoi A.I., Karkhin V.A., Starobinskii E.B., Parshin S.G. Modeling of Hydrogen Diffusion in Inhomogeneous Steel Welded Joints. Materials 2022, 15, 7686.
5. Parshin S.G., Levchenko, A.M., Maystro, A.S. Metallurgical Model of Diffusible Hydrogen and Non-Metallic Slag Inclusions in Underwater Wet Welding of High-Strength Steel Metals 2020, 10, 1498.
