CC BY
14УДК 621.79
ВЛИЯНИЕ СИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ РОТАЦИОННОЙ СВАРКИ ТРЕНИЕМ НА МИКРОСТРУКТУРУ ПРИКОНТАКТНЫХ ЗОН И МЕХАНИЗМ РАЗРУШЕНИЯ СВАРНОГО СТЫКА СТАЛЕЙ 32Г2 И 40ХН
Горяев Сергей Анатольевич, студент, направление подготовки 15.03.01 Машиностроение, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: [email protected]
Атамашкин Артем Сергеевич, аспирант, направление подготовки 22.06.01 Технологии материалов, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: [email protected]
Научный руководитель: Приймак Елена Юрьевна, кандидат технических наук, доцент, заведующий лабораторией металловедения и термической обработки АО «Завод бурового оборудования», доцент кафедры материаловедения и технологии материалов, АО «Завод бурового оборудования», Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: [email protected]
Аннотация. В данной работе с помощью метода оптической металлографии подробно исследована микроструктура вдоль линии контакта в сварных соединениях трубных заготовок 073*9 из сталей 32Г2 и 40ХН, полученных способом ротационной сварки трением. Проанализированы влияния давления разогрева и давления проковки на структурно-фазовый состав и микротвердость приконтактных зон. Показаны характерные особенности механизма разрушения сварного стыка при испытании на ударный изгиб. Установлено, что повышение силовых параметров ротационной сварки трением способствует формированию более мелкого зерна и переходу к вязко-хрупкому механизму разрушения в сварном стыке, что благоприятно сказывается на эксплуатационных свойствах конструкции со сварным соединением. Для получения качественного сварного соединения сталей 32Г2 и 40ХН давление проковки должно быть ориентировочно 127 МПа, при этом давление разогрева может изменяться от 27 до 77МПа.
Ключевые слова: ротационная сварка трением (РСТ), давление разогрева, давление проковки, микроструктура, фрактограммы, механизм разрушения.
Благодарности. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-38-90079.
Для цитирования: Горяев С. А., Атамашкин А. С. Влияние силовых параметров ротационной сварки трением на микроструктуру приконтактных зон и механизм разрушения сварного стыка стали 32Г2 и 40ХН // Шаг в науку. - 2021. - № 3. - С. 38-43.
INFLUENCE OF FORCE PARAMETERS OF ROTARY FRICTION WELDING ON THE MICROSTRUCTURE OF NEAR-CONTACT ZONES AND THE MECHANISM OF DESTRUCTION OF THE SWIVEL JOINT OF STEEL 32G2 AND 40KHN
Goryaev Sergey Anatolyevich, student, training program 15.03.01 Mechanical engineering, Orenburg State University, Orenburg e-mail: [email protected]
Atamashkin Artem Sergeevich, post-graduate student, training program 22.06.01 Technologies of materials, Orenburg State University, Orenburg e-mail: [email protected]
Research advisor: Priymak Elena Yurievna, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Laboratory of Metallurgy and Heat Treatment of JSC «Drilling Equipment Plant», Associate Professor of the Department of Materials Science and Technology of Materials, JSC «Plant of Drilling Equipment», Orenburg State University, Orenburg e-mail: [email protected]
Abstract. In this work, using the method of optical metallography, the microstructure along the contact line
in welded joints of073 x 9 pipe billets from steels 32G2 and 40KhN, obtained by the method of rotary friction welding, is studied in detail. The influence of the heating pressure and forging pressure on the structural-phase composition and microhardness of the near-contact zones is analyzed. The characteristic features of the fracture mechanism of the welded joint during impact bending tests are shown. It was found that an increase in the power parameters of rotary friction welding promotes the formation offiner grains and the transition to a ductile-brittle fracture mechanism in the welded joint, which favorably affects the operational properties of a structure with a welded joint. To obtain a high-quality welded joint of steels 32G2 and 40KhN, the forging pressure should be approximately 127 MPa, while the heating pressure can vary from 27 to 77 MPa.
Key words: rotary friction welding (PCT), heating pressure, forging pressure, microstructure, fractograms, fracture mechanism
Acknowledgments. The reported study was funded by RFBR, project number 19-38-90079.
Cite as: Goryaev, S. A., Atamashkin, A. S. (2021) [Influence of power parameters of rotary friction welding on the microstructure of near-contact zones and the mechanism of destruction of the swivel joint of steel 32G2 and 40KhN]. Shag v nauku [Step into science]. Vol. 3, pp. 38-43.
Введение
Сварка трением представляет собой процесс соединения материалов, находящихся в твердом состоянии, при котором тепло выделяется при трении привариваемых частей. Эта технология обладает рядом преимуществ перед другими сварочными процессами, которые заключаются в отсутствии плавления привариваемых материалов, высокой производительности процесса, низкой энергозатратности, отсутствии металлургических дефектов и др. [1, 3, 9].
Технология ротационной сварки трением (РСТ) является разновидностью технологических решений реализации процесса сварки трением, которая применяется в различных отраслях промышленности, в том числе для производства бурильных
труб с приварными замковыми деталями [4]. Технологический процесс РСТ состоит из нескольких стадий (рис. 1). Заготовки устанавливаются в стационарный зажим, одной из заготовок сообщается вращательное движение. Далее заготовки сближаются и осуществляется притирка контактных поверхностей. Затем в течение определенного времени к заготовкам прикладывается сила трения (разогрева).
После этого вращение прекращается, и к заготовкам прикладывается дополнительная сила проковки. Если машина оснащена токарным суппортом, далее осуществляется точение наружного сварочного грата.
Вышеизложенные стадии технологического процесса графически показаны на рисунке 1.
Общее &реня сБорки
Вдеия трения
Скорость Бртцения
f Л СйЬпеиие ПОМОки
/ 1 Г
/ Мнение трения \
/ f \
/ / _________________ \
Время_
Рисунок 1. Графическое представление процесса ротационной сварки трением
Источник: составлено авторами
В результате воздействия деформаций и температур в процессе сварки трением неизбежно происходит изменение микроструктуры приконтактных зон, что в дальнейшем определяет свойства сварного соединения [7, 10]. Наиболее значимыми параметрами, оказывающими влияние на структуру и свойства сварных соединений, а также на их качество, являют-
ся давление при разогреве и давление проковки [1, 3].
Целью настоящей работы явилось исследование влияния давления при разогреве и давления проковки при РСТ на микроструктуру приконтактных зон и ударную вязкость сварного стыка сталей 32Г2 и 40ХН, применяемых для производства геологоразведочных бурильных труб.
Материалы и методы исследования
Химический состав трубных заготовок, подлежащих сварке, представлен в таблице 1. Обе заготовки перед сваркой подвергались объемной тер-
В данной работе использовались трубные заготовки диаметром 73 мм и толщиной стенки 9 мм. Сварка осуществлялась на автоматизированной машине для сварки трением «Т^трзоп-60» в условиях АО «Завод бурового оборудования». Согласно [1, 3] параметры ротационной сварки трением преимуществен-
После сварки трубных заготовок из них изготавливались продольные образцы сварных соединений для металлографических исследований и испытаний на ударный изгиб. Исследование микроструктуры осуществлялось после травления микрошлифов 4 %-ным раствором азотной кислоты в этиловом спирте с применением оптического микроскопа «Nikon ECLIPSE 10». Измерения микротвердости производились в соответствии с ГОСТ 9450-76 на микротвердомере HVS-1000 при приложении нагрузки 0,2 Н в течение 10 с. Испытания на ударный изгиб осуществляли на маятниковом копре WANCE PIT 100 на образцах размером 5*10*55 в соответствии с ГОСТ 9454-78. V-образный концентратор напряжения наносился непосредственно в стыке сварного шва после предварительного травления образ-
мической обработке по режиму закалки и высокого отпуска. Полученные при этом механические свойства приведены в таблице 2.
но выбираются эмпирическим путем, при этом для сварки среднеуглеродистых сталей давление трения (разогрева) Ртр рекомендуют выбирать из диапазона от 30 до 80 МПа, а давление проковки Рпр = (2 ^ 3) Ртр. Параметры, выбранные для сварки трением в настоящем исследовании, представлены в таблице 3.
ца для установления его точного расположения.
Результаты исследования и их обсуждение
Сварка трением представляет собой термодеформационный процесс, который приводит к изменению структуры металла приконтактных зон. Зона, в которой происходят эти изменения, называется зоной термомеханического влияния (ЗТМВ). Она характеризуется формированием градиентной структуры ввиду изменения температуры при удалении от линии контакта. Подробно микроструктурные особенности различных участков ЗТМВ сталей 32Г2 и 40ХН рассмотрены в работах [5, 6]. Параметры сварки оказывают влияние на характер термодеформационного воздействия, что сказывается на изменении структуры и свойств [2, 8].
Таблица 1. Химический состав трубных заготовок, подлежащих сварке
Материал С Mn Si S P Cr Ni Cu Mo
32Г2 0,31 1,03 0,17 0,003 0,005 0,07 0,09 0,15 0.01
40ХН 0,38 0,55 0,35 0,005 0,003 0,57 1,03 - 0,08
Источник: разработано авторами на основе результатов спектрального анализа
Таблица 2. Механические свойства трубных заготовок в состоянии перед сваркой
Материал HRC Предел текучести a02, МПа Временное сопротивление аВ, МРа Относительное удлинение S5, %
32Г2 24,1-26,8 766-769 835-844 13,5-14,0
40ХН 26,9-28,3 798-811 944-986 14,1-14,9
Источник: разработано авторами на основе результатов механических испытаний
Таблица 3. Параметры РСТ, выбранные для исследований
№ образца (режима) Давление трения Р (МПа) Давление проковки Рп (МПа) Величина осадки при трении l (мм) Частота вращения при трении n (об/мин.)
1 27 61
2 27 127 6 800
3 77 61
4 77 127
Источник: разработано авторами на основе литературных источников
На рисунке 2 представлена макроструктура поперечного сечения продольных образцов, вырезанных из трубных заготовок со сварным соединением. После травления микрошлифа отчетливо выявилась ЗТМВ. Видно, что исследуемые образ-
цы имеют различную протяженность ЗТМВ: от 7 до 13,5 мм. При этом наименьшая протяженность ЗТМВ имеет место при наибольших параметрах давления разогрева и давления проковки.
Рисунок 2.Макроструктура поперечногосечения исследуемых образцов сварных соединений(штрихо-выми литиямнхаккоето1 ^оницызрны ук°мечон£шочсккего кдыонш))
ИсточесаракраНвтоеаавторскки ег овоове коталвогхуфичочкоге внеоизамеосрроетиномИРы
Рассмокуиа микуастргкаФУ ссврнгго втыка и притохтратныxзoнвкаcхекyeмыx обртвцах (рис. 3). Из нрч^схчыхр е зг^е^ге^1^и^вмет алч^ог^ати-ческих исследований видно, что при минимальных силовых окккчрукеxчуарxcегKCT, рхюшзнемых ах образце РГс1 ри0 3 аХвблиоз щшии кенаксаа микроструктура обеих сталей имеет крупноигольча-
¿ДОЗ Т-Ш^
У ! 'ЫЫ
Vи шЩ* в
тое втроение г предотавххоо собей вeаиирк бейнит. В стали 40ХН а фоне верхнего бейнита присутст-вуютбкбольшие рчастккшжнрго Ччачога. Такая етрркгуха ивктктекиеузтс7 значеошшимикротвер-доста в дищг;икдк 256-270 70 0,2 в стахи 40ХН и СКО^б НУ 0,2 со стороны стали 32Г2.
б;
ЯШМ
■ А
в;
г;
Рисунок 3. Микроструктура сварного стыка сталей 32Г2 и 40ХН, полученного РСТ: а) № 1 (Ртр = 27 МПа, Рпр = 77 МПа); б) № 2 (Ртр = 27 МПа, Рпр = 127 МПа); в) № 3 (Ртр = 61 МПа, Рпр = 77 МПа); г) № 4 (Ртр = 61МПа,Рпр= 127 МПа)
Источник:разработаноавторами наоснове металлографического анализа микроструктуры
С увеличением давления проковки (образец № 2, рис. 3 б) произошло заметное измельчение структуры металла приконтактных к сварному стыку зон. В стали 40ХН микроструктура представляет собой зернистый бейнит с микротвердостью 260-270 HV 0,2. В стали 32Г2 образца № 2 структура более сложная и состоит из участков верхнего бейнита, перлита и избыточного феррита в виде светлых участков по границам зерен перлита. Значения микротвердости такой структуры составляют 239-249 HV 0,2. Более высокие значения давления трения, реализованные на образцах № 3 и 4, способствовали интенсификации процесса закалки металла приконтактных зон, что свя-
в)
зано с их разогревом до более высоких температур. В стали 40ХН микроструктура представляет собой смесь нижнего бейнита и светлых участков мартенсита с интегральной микротвердостью 278356 HV 0,2, в стали 32Г2 микроструктура преимущественно бейнитная с микротвердостью 293-318 HV 0,2. При максимальных значениях давления трения и давления проковки в образце № 4 микроструктура вблизи линии контакта свариваемых материалов имеет наиболее мелкое зерно и состоит из смеси мартенсита и нижнего бейнита в стали 40ХН с микротвердостью 323-349 HV 0,2 и смеси верхнего и нижнего бейнита в стали 32Г2 с микротвердостью 331-409 HV 0,2.
г)
Рисунок 4. Фрактограммы сварного стыка сталей 32Г2 и 40ХН, полученных посредством РСТ, после испытаний на ударный изгиб: а) №1 (Ртр = 27 МПа, Рпр = 77 МПа); б) № 2 (Ртр = 27 МПа, Рпр = 127 МПа); в) № 3 (Ртр = 61 МПа, Рпр = 77 МПа); г) № 4 (Ртр = 61 МПа, Рпр= 127МПа)
Источник: разработано авторами на основе микрофрактографического анализа изломов после испытаний на ударный изгиб
На рисунке 4 представлены результаты испытаний сварного стыка на ударный изгиб. Анализируя полученные фрактограммы, можно отметить, что поверхность разрушения во всех случаях образована преимущественно транскристаллитным разрушением, что свидетельствует о высокой прочности образованных связей межзеренных границ в сварном соединении. В образце № 1 отмечается формирование более крупных фасеток транскристаллитного скола в связи с крупнозернистой структурой приконтактных зон. Поверх-
ность разрушения образца № з2 характеризуется более мелким строением, где на фоне фасеток транскристаллитного скола выявляются фасетки квазискола и гребни отрыва, свидетельствующие об увеличении доли микропластической деформации. Не смотря на это, значения ударной вязкости существенно не изменяются. Поверхность разрушения образца № 3 идентична с образцом № 2, однако в поверхности разрушения выявляются вытянутые оксиды, образовавшиеся при окислении металла на воздухе и не выдавившиеся
в грат при проковке. Данные оксиды могут явиться концентраторами напряжений при нагружении и способствовать преждевременному разрушению конструкции со сварным соединением. Образец № 4 аналогично разрушался по транскристаллит-ному механизму, однако поверхность разрушения данного образца образована преимущественно фасетками квазискола, что свидетельствует о смешанном (хрупко-вязком) механизме разрушения с наибольшими значениями ударной вязкости из исследуемых образцов.
Заключение
Формирование микроструктуры сварного стыка и приконтактных зон напрямую зависит от давления при разогреве и давления проковки в ходе реализации технологии ротационной сварки трением
трубных заготовок. С увеличением давления при разогреве возрастает температура в зоне контакта, что приводит к интенсификации процесса закалки, а также к менее интенсивному росту зерна ввиду сокращения времени процесса до достижения заданной осадки. Давление проковки увеличивает количество металла, выдавливаемого в грат, что способствует получению более мелкозернистой структуры в приконтактных зонах.
Для получения качественного сварного соединения сталей 32Г2 и 40ХН давление проковки должно быть ориентировочно 127 МПа, при этом давление разогрева может изменяться от 27 до 77 МПа. Однако для сокращения времени технологического процесса целесообразнее производить сварку при более высоких усилиях давления разогрева.
Литература
1. Виль В. И. Сварка металлов трением. М.: Машиностроение, 1970. - 176 с.
2. Кузьмина Е. А., Приймак Е. Ю. Влияние силы проковки на формирование структуры и свойств сварных соединений из среднеуглеродистых сталей в процессе ротационной сварки трением // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. - 2019. - № 2. - С. 34-42.
3. Лебедев В. К. [и др.] Сварка трением: Справочник / Под общ. ред. В. К. Лебедева [и др.]. - Л.: Машиностроение : Ленингр. отделение, 1987. - 235 с.
4. Приймак Е. Ю. [и др.] Применение ротационной сварки трением для изготовления геологоразведочных бурильных труб: промышленный опыт и исследования // Черные металлы. - 2020. - № 4. -С. 37-42.
5. Приймак Е. Ю. [и др.] Эволюция микроструктуры в зоне термомеханического влияния сварных соединений среднеуглеродистых сталей в процессе ротационной сварки трением // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2020. - № 12. - С. 9-16.
6. Приймак Е. Ю. [и др.] Эволюция структуры и механизм образования сварных соединений среднеуглеродистых сталей при ротационной сварке трением // Физика металлов и металловедение. - 2019. -Т. 120. - № 11. - С. 1187-1192.
7. Dawood A. B. et al. «Thermal model of rotary friction welding for similar and dissimilar metals». Metals, 2017. - Vol. 7, - pp. 1-14.
8. Priymak E. et al. Influence of Friction Pressure at a Given Burn-off Length on the Mechanical and Microstructural Properties of Welded Joints from Medium-Carbon Alloyed Steels in Rotaty Friction Welding // Journal of Advanced Research in Dynamical and Control Systems. 2019. - Vol. 11. - pp. 431-437.
9. Shete N. and Deokar S. U. «A review, paper on rotary friction welding,» Int. Conf. on Ideas, Impact and Innovation in Mechanical Engineering. (ICIIIME). 2017. - № 5. - pp. 1557-1560.
10. Tomoyuki Uwaba et al. «Properties of friction welds between 9Cr-ODS martensitic and ferritic-martensitic steels», Journal of Nuclear Materials. 2007. - V. 367. - pp. 1213-1217.
Статья поступила в редакцию: 12.05.2021; принята в печать: 30.06.2021.
Авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.
