CC BY
32ПРИРОДНЫЕ РЕСУРСЫ АРКТИКИ И СУБАРКТИКИ, 2019, Т. 24, № 4 УДК 621.791.011
DOI 10.31242/2618-9712-2019-24-4-15
Влияние низкой температуры на структуру зоны термического влияния сварного соединения низколегированной стали
Е.М. Максимова1,2
1 Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН, Якутск, Россия 2Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр СО РАН», Якутск, Россия
Аннотация. Исследована микроструктура зоны термического влияния сварного соединения при сварке конструкционной низколегированной стали 09Г2С в условиях низких климатических температур. Для достижения этой цели реализован процесс ручной дуговой многопроходной сварки в стык пластин толщиной 12 мм с применением двух марок электродов при температуре окружающего воздуха + 20 и -45 °С. Микроструктура участков зоны термического влияния сварных соединений исследована с помощью растровой электронной микроскопии (РЭМ). Представлены микроструктуры разных участков зоны термического влияния сварного соединения на уровне заполняющих проходов. Анализ микроструктуры зон термического влияния сварных соединений низколегированной стали 09Г2С позволил оценить влияние температуры окружающего воздуха в процессе дуговой сварки на структурно-фазовый состав сварных соединений.
Ключевые слова: дуговая сварка, зона термического влияния, микроструктура сварных соединений, низколегированная сталь, низкая температура.
Введение
Для обеспечения нормального технологического процесса сварки в условиях холода необходимо учитывать особенности формирования швов при минусовой температуре, которые могут отрицательно влиять на структуру, механические свойства и сплошность сварных соединений [1]. Характер протекания тепловых процессов определяет условия формирования структуры металла шва и зоны термического влияния (ЗТВ). При сварке в условиях низких климатических температур наблюдается увеличение скорости остывания металла сварочной ванны и околошовной зоны [2]. С ростом скорости охлаждения увеличивается вероятность образования закалочных структур, что может привести к хрупким разрушениям сварных соединений [3-5]. Металл околошовной зоны характеризуется микроструктурной неоднородностью из-за градиента температурных полей. Наиболее проблематичной, с точки зрения обеспечения комплекса свойств, является участок перегрева, который образуется в результате теплового воздействия на основной металл [6-8]. Под влиянием высоких температур образуется нежелательное микроструктурное состояние, которое вызывает пониженную хладо-
стойкость и охрупчивание металла вблизи линии сплавления [9].
Цель работы: исследование структуры зоны термического влияния (ЗТВ) сварных соединений низколегированной стали, выполненных ручной дуговой сваркой в условиях положительных и отрицательных температур окружающей среды.
Методика проведения эксперимента, материалы и применяемое оборудование
Материалом для исследований был выбран прокат листовой из низколегированной конструкционной стали 09Г2С, соответствующий ГОСТ 19281-2014, как наиболее широко применяемый в конструкциях, эксплуатирующихся в условиях Севера и Арктики [10,11]. Стали этой марки хорошо свариваются в широком диапазоне режимов сварки независимо от толщины свариваемых элементов и температуры окружающего воздуха. Химический состав и механические свойства стали представлены в табл. 1.
Исследование влияния режимов и условий сварки на структуру ЗТВ проводили на сварных соединениях из пластин размерами 200x300x12 мм. Для исследований произвели ручную дуговую сварку проб со стыковым сварным соединением с У-образной разделкой кромок. На пластины
Рис. 1. Схема разделки кромок для стыковой сварки Fig. 1. Scheme of plate edge preparation for butt weld
Таблица 1
Химический состав (%) и механические свойства стали 09Г2С по ГОСТ 19281-2014
Table 1
Chemical composition (% weight) and mechanical properties of 09G2S steel according to State Standard (GOST) 19281-2014
Показатель Значение
С <0,12
Si 0,5-0,8
Mn 1,3-1,7
Ni <0,3
S <0,035
P <0,03
Cr <0,3
V <0,12
N <0,008
Cu <0,3
As <0.08
КСи, Дж/см2 >34 при -70 °С
ств, МПа >490
Относительно удлинение 55, % >21
нанесены фаски с углом скоса кромок (25±2)°, притуплением 2 мм и с зазором 1,6 мм под дуговую сварку стыкового соединения согласно ГОСТ 5264-80 (рис. 1).
Одностороннюю сварку осуществляли в три прохода электродами марки УОНИ 13/Мороз и ЛБ-52TRU диаметрами: 3,0 мм для формирования корневого слоя и 4,0 мм для формирования заполняющего и облицовочного слоев [12]. Химический состав и механические свойства материала использованных сварочных электродов приведены в табл. 2.
Для сварки проб использовался инверторный сварочный источник питания NEON ВД-315. Для исследований подобраны следующие режимы сварки:
- сварка постоянным током при температуре выполнения сварки -45 °С;
- сварка постоянным током при температуре выполнения сварки +20 °С.
Режимы и параметры сварки проб представлены в табл. 3.
В процессе сварки производили регистрацию основных энергетических параметров (тока и напряжения дуги) при помощи регистратора сварочных процессов AWR-224МД. В ходе технологического эксперимента оценивали время сварки и рассчитывали среднее тепловложение в соответствии с общепринятой методикой. Погонные энергии сварки корневых слоев составили 660-980 кДж/м, а заполняющих и облицовочных слоев 1490-2030 кДж/м.
Металлографические исследования микроструктур в ЗТВ проводились на растровом электронном микроскопе высокого разрешения с катодом Шоттки JEOL JSM-7800F. Для анализа структуры сделан поперечный разрез сварных соединений и подготовлены шлифы (рис. 2). Для выявления структуры образцов
Таблица 2
Химический состав (%) и механические свойства сварочных электродов
Table 2
Chemical compositions (% weight) and mechanical properties of welding electrodes
Марка электрода С Si Mn Ni Mo S P КСУ, Дж/см2 ств, МПа Относительно удлинение 65, %
УОНИ 13/ МОРОЗ 0,075 0,3 0,7 2,8 — 0,010 0,017 210 660 22,0
LB-52tru 0,09 0,42 0,9 - - 0,017 0,020 >49 при -30°С 540 29
Таблица 3
Маркировка сварных пластин, режимы и параметры дуговой сварки
Table 3
Marking of welded plates, modes and parameters of arc welding
Маркировка сварных проб, № Температура окружающего воздухавоздуха, °С Марка электрода Слой, диаметр электрода (мм) Параметры тока и напряжения, 1св, А; U, В Погонная энергия, кДж/м
3 -45 УОНИ 13/ Мороз 1) корневой - 3 2) заполняющий - 4 3) облицовочный - 4 1) 1св = 98, U = 23,6 2) 1св = 154, U = 24,4 3) 1св =154, U = 24,4 1) 973 2)1681 3)1698
7 20 УОНИ 13/ Мороз 1) корневой - 3 2) заполняющий - 4 3) облицовочный - 4 1) 1св = 98, U = 26,2 2) 1св = 145, U = 25,5 3) 1св = 146, U = 25,0 1) 804 2)1489 3)1796
6 -45 ЛБ-52TRU 1) корневой - 3 2) заполняющий - 4 3) облицовочный - 4 1) 1св = 87, U = 26,5 2) 1св = 141, U = 23,3 3) 1св = 141, U = 22,6 1) 660 2)2028 3) 1597
8 20 ЛБ-52TRU 1) корневой - 3 2) заполняющий - 4 3) облицовочный - 4 1) 1св = 99, U = 26,8 2) 1св = 136, U = 24,1 3) 1св = 136, U = 24,3 1) 682 2) 1514 3)1729
применяли химическое травление поверхности 4%-м раствором азотной кислоты в этиловом спирте.
Результаты исследований и их обсуждение
Микроструктура металла основы представляет собой ферритоперлитную смесь с соотношением объемной доли структурных составляющих в количестве 90/10 (феррит/перлит) (рис. 3). Средний диаметр зерна феррита около 6 мкм. Основной металл имеет однородную полигональную структуру.
На рис. 4 приведены микроструктуры различных участков ЗТВ заполняющих проходов сварных соединений, выполненных РДС с применением электрода марки УОНИ 13/Мороз.
Рис. 2. Схема поперечного сечения сварного шва с указанием расположения линии исследования структуры.
Fig. 2. A schematic diagram of the cross section of the weld showing the location of structure study line.
При сварке на холоде (-45 °С) электродами марки УОНИ 13/Мороз (образец из пластины № 3) на участке неполного расплавления (ЛС), а также на удалении до 1,5 мм от нее образовались закалочные структуры в основном в виде верхнего бейнита. При дальнейшем удалении от линии сплавления на отметках 2 мм и более обнаружена высокодисперсная ферритокарбидная смесь. Размер ферритных зерен составляет в среднем 8-12 мкм (рис. 4).
Структура ЗТВ образца пластины № 7, сваренного при комнатной температуре, существенно отличается от структуры пластины № 3.
Рис. 3. Микроструктура стали 09Г2С Fig. 3. Microstructure of 09G2S steel
Температура окружающего воздуха +20 °С
Заполняющий слой
Температура окружающего воздуха -45 °С
iWSS'J'V. -v: 'X '■'-■
f - ' J —v ч ;• >
¥■ si-i%-у ■,•'4't.,-.» \ •; ■ -
--a, ъ| ч ■ -J«« -
iil'--- Щ Л
зтв,
1,5 мм от ПС
• £ - & ^^iffi • ^ -
' 1 ' ' :
;; Vr . : Ш^Я
\ „-4 -й 'К:^
-с 1,1*
Ш^Я&Ь&Н**. - ' : t а? Й
у' ' ^ '" -'■■'■ ........J
Рис. 4. Микроструктура различных участков ЗТВ сварных соединений, выполненных РДС электродом УОНИ 13/Мороз.
Fig. 4. Microstructure of the HAZ various regions of welded joints obtained by manual arc welding using UONI 13/Moroz electrode.
Температура окружающего воздуха +20 °С
Заполняющий слой
Температура окружающего воздуха -45 °С
V 'С-Л'..»
TfM
А,-Г •<* /i.»
т» * ■ Т ч, г v
Ш;„ мт hzimf У-
WrT^i'J' J ('■• Ы \
* , J * ч " ^
м- At П V
; Г" ¿г WwfS а?.
I.
ЗТВ, 0,5 мм от ЛС
■ж ЯНН
i1. л, ьйЛ• -b^rf-^
7, чу АУ
V L I / ^ , -' ' ^ w* V .
ЗТВ, 1,0 мм от ЛС
• V J I "' ' sf4
-»«А"'7 •L
ж - ( ч У?
" У У" Д ' У'
У^Г d
УУ'Ж У;;
У Т^УУ ;'УУ■■.
'^k-/ -A.cS-,. ,,
£ E
' л ^ * " .v • ]'__
Рис. 5. Микроструктура различн^тх участков ЗТВ сварных соединений, выполненных РДС электродом ЛБ-52ТКи. Fig. 5. Microstructure of the HAZ various regions of welded joints obtained by manual arc welding using LB-52TRU electrode.
На участке неполного расплавления и на удалении 0,5 мм от нее обнаружена ферритокар-бидная смесь с малым содержанием бейнитной структуры. При дальнейшем удалении от линии сплавления структура ЗТВ состоит из феррит-карбидной смеси, причем размер ферритных зерен на отметках 2-4 мм в 2-3 раза больше, чем в структуре пластины № 3. Здесь следует заметить, что средняя погонная энергия сварки пластины № 3 на 6 % больше, чем пластины № 7 (см. табл. 3).
На рис. 5 приведены микроструктуры различных участков ЗТВ заполняющих проходов сварных соединений, выполненных РДС с применением электрода марки ЛБ-52TRU.
При сварке на холоде (-45 °С) электродами марки ЛБ 52TRU (образец из пластины № 6) на участке неполного расплавления (ЛС), а также на удалении до 1,5 мм от ЛС образовалась фер-ритокарбидная смесь с наличием закалочных структур бейнита. При дальнейшем удалении от ЛС на отметках 2 мм и более обнаружена высокодисперсная ферритокарбидная смесь. Размер ферритных зерен составляет в среднем 8-12 мкм (см. рис. 5).
Структура ЗТВ образца пластины № 8, сваренного при комнатной температуре, существенно отличается от структуры пластины № 6. На участке неполного расплавления и на удалении 0,5 мм от нее обнаружена ферритокарбидная смесь с низким содержанием бейнитной структуры. При дальнейшем удалении от линии сплавления структура ЗТВ состоит из ферритокарбидной смеси, причем размер ферритных зерен на отметках 2-4 мм в 1,5-2 раза больше, чем в структуре пластины № 6. Средняя погонная энергия сварки пластины № 6 на 9 % больше, чем пластины № 8 (см. табл. 3).
Заключение
Исследование микроструктуры с применением растровой электронной микроскопии дало возможность оценить характер структурных составляющих в ЗТВ, в частности, обнаружить наличие закалочных структур.
1. Установлено, что на формирование структуры металла ЗТВ значительно влияет температура окружающего воздуха, при которой осуществляется процесс сварки.
2. Исследование структур участков ЗТВ сварных соединений стали 09Г2С, полученных свар-
кой при разных температурах окружающей среды, показало, что на участках неполного расплавления и перегрева сварка при -45 °С формирует более высокодисперсные по сравнению со сваркой при комнатной температуре ферритокарбид-ные смеси с некоторым содержанием закалочных бейнитных структур.
Результаты структурных исследований могут быть полезны для разработки технологии сварки при низких температурах, для решения задач повышения надежности и безопасности изделий, оборудования и конструкций, эксплуатируемых в условиях Севера.
Литература
1. Ефименко Л.А. Традиционные и перспективные стали для строительства магистральных газонефтепроводов. М.: Логос, 2011. 304 с.
2. Неровный В.М. Теория сварочных процессов: учебник для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016. 702 с.
3. Арзамасов Б.Н., Макарова В.И., Мухин Г.Г. Материаловедение. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. 646 с.
4. Li L, Chai M, Li Yo, Bai W, Duan Q. Effect of Welding heat input on grain size and microstructure of 316L stainless steel welded joint //Applied Mechanics and Materials. 2013. Vol. 331. P. 578-582.
5. Saraev Y.N., Bezborodov V.P. Effect of the energy parameters of the welding process on the structure and properties of welded joints in low-alloy steels // Welding International. 2013. Vol. 27. P. 678-680.
6. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1990. 528 с.
7. Hromchenko F.A., Anokhov A.E., Alekhova I.A. Structure and properties of welded joints made by stationary and pulsed arc // Welding production. 1980. N. 6. P. 21-23.
8. Weman K. Welding processes handbook. 2nd ed. Woodhead Publishing, 2011. 280 p.
9. Di X., Tong M, Li Ch., Zhao Ch., Wang D. Microstructural evolution and its influence on toughness in simulated inter-critical heat affected zone of large thickness bainitic steel // Materials Science and Engineering: 2019. Vol. 743. P. 67-76. DOI: 10.1016 / j.msea.2018.11.070.
10. Сараев Ю.Н., Слепцов О.И., Безбородов В.П., Никонова И.В., Тютев А.В. Анализ усталостного разрушения, структура и свойства сварных соединений трубопроводов, эксплуатируемых в условиях Сибири и Крайнего Севера // Монтажные и специальные работы в строительстве. 2005. № 8. С.18-22.
11. Зубченко А.С. Марочник сталей и сплавов, 2-е изд. М.: Машиностроение, 2003. 784 с.
12. Литвинова Т.Р., Елсуков С.К., АнтиповИ.С., Королев М.П., Прияткин Д.В., Бессонов О.В., Егоров И.В. Исследование сварочно-технологических свойств по-
крытых электродов для сварки низколегированных высокопрочных сталей. // Технические науки. 2017. № 5(59) DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2017.59.041
Поступила в редакцию 05.09.2019 Принята к публикации 15.11.2019
Об авторе
МАКСИМОВА Екатерина Михайловна, ведущий инженер, Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН, 677980, Якутск, ул. Октябрьская, 1, научный сотрудник, Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр СО РАН», 677000, Якутск, ул. Петровского, 2, https://orcid.org/0000-0003-3164-6421, А-8995-2019, [email protected].
Информация для цитирования Максимова Е.М. Влияние низкой температуры на структуру зоны термического влияния сварного соединения низколегированной стали // Природные ресурсы Арктики и Субарктики. 2019, Т. 24, № 4. С. 161-168. https://doi.org/10.31242/2618-9712-2019-24-4-15
DOI 10.31242/2618-9712-2019-24-4-15
Influence of low temperature on the heat affected zone structure of welded joint of low-alloyed steel
E.M. Maksimova1,2
1 V.P. Larionov Institute of the Physical-Technical Problems of the North SB RAS, Yakutsk, Russia 2Federal Research Centre Yakut Scientific Centre SB RAS, Yakutsk, Russia [email protected]
Abstract. The formation of the microstructure in the heat affected zone of the welded joint during welding of structural low-alloy steel 09G2S at low climatic temperatures is investigated. To achieve this goal, the process of manual multilayer arc welding in the butt of plates with a thickness of 12 mm was implemented using two types of electrodes at an ambient temperature of 20 °C and -45 °C. The microstructure of the heat-affected zone areas of welded joints was studied using scanning electron microscopy (SEM). Microstructures of different regions of the heat affected zone of the welded joint at the level of filling passes are presented. The microstructure analysis of the heat affected zones of welded joints of low-alloy steel 09G2S made it possible to evaluate the effect of welding at negative ambient temperature during arc welding on the structural phase composition of welded joints.
Key words: arc welding, heat-affected zone, welded joints microstructure, low-alloyed steel, low temperature.
References
1. Yefimenko L.A. Traditsionnyye i perspektivnyye stali dlya stroitel'stva magistral'nykh gazonefteprovo-dov. M.: Logos, 2011. 304 p.
2. Nerovnyy V.M. Teoriya svarochnykh protsessov: uchebnik dlya vuzov. M.: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2016. 702 p.
3. Arzamasov B.N., Makarova VI., Mukhin G.G. Ma-terialovedeniye. M.: Izd-vo MGTU im. N. E. Baumana, 2008. 646 p.
4. Li L, Chai M., Li Yo, Bai W, Duan Q. Effect of Welding heat input on grain size and microstructure of 316L stainless steel welded joint //Applied Mechanics and Materials. 2013. Vol. 331. P. 578-582.
5. Saraev Y.N., Bezborodov V.P. Effect of the energy parameters of the welding process on the structure and properties of welded joints in low-alloy steels // Welding International. 2013. Vol. 27. P. 678-680.
6. Lakhtin Yu.M., Leont'yeva V.P. Materialovedeniye. M.: Mashinostroyeniye, 1990. 528 p.
7. Hromchenko F.A., Anokhov A.E., Alekhova I.A. Structure and properties of welded joints made by stationary and pulsed arc // Welding production. 1980. N. 6. P. 21-23.
8. Weman K. Welding processes handbook. 2nd ed. Woodhead Publishing, 2011. 280 p.
9. Di X., Tong M., Li Ch., Zhao Ch., Wang D. Microstructural evolution and its influence on toughness in simulated inter-critical heat affected zone of large thickness bainitic steel // Materials Science and Engineering: 2019. Vol. 743. P. 67-76. DOI: 10.1016 / j.msea.2018.11.070.
10. Sarayev Yu.N., Sleptsov O.I., Bezborodov V.P., Nikonova I.V., Tyutev A.V. Analiz ustalostnogo razrush-
eniya, struktura i svoystva svarnykh soyedineniy trubo-provodov, ekspluatiruyemykh v usloviyakh Sibiri i Kray-nego Severa // Montazhnyye i spetsial'nyye raboty v stroitel'stve. 2005, N. 8. P 18-22.
11. Zubchenko A.S. Marochnik staley i splavov. 2-ye izd. M.: Mashinostroyeniye, 2003. 784 p.
12. Litvinova T.R., Yelsukov S.K., Antipov I.S., Ko-rolev M.P., Priyatkin D.V, Bessonov O.V., Yegorov I.V. Issledovaniye svarochno-tekhnologicheskikh svoystv po-krytykh elektrodov dlya svarki nizkolegirovannykh vyso-koprochnykh staley // Tekhnicheskiye nauki. 2017. N. 5(59). DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2017.59.041
About the author
MAKSIMOVA Ekaterina Mikhailovna, leading engineer, V. P. Larionov Institute of the Physical-Technical Problems SB RAS, 1 Oktyabrskaya St., Yakutsk, 677980, Russia, Researcher, Federal Research Centre Yakut Scientific Centre SB RAS, 2 Petrovskogo st., Yakutsk, 677000, Russia, , https://orcid.org/0000-0003-3164-6421, A-8995-2019, [email protected].
Citation
Maksimova E.M. Influence of low temperature on the heat affected zone structure of welded joint of low-alloyed steel // Arctic and Subarctic Natural Resources. 2019, Vol. 24, N 4. P. 161-168. https://doi. org/10.31242/2618-9712-2019-24-4-15
