автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Формирование макроструктуры сварного шва при электронно-лучевой сварке с глубоким проплавлением

-О s***^

" / 'У •=»

л/ iO ^

/

Пермский государственный технический университет

На правах рукописи

Ольшанская Татьяна Васильевна

ФОРМИРОВАНИЕ МАКРОСТРУКТУРЫ СВАРНОГО ШВА ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКЕ С ГЛУБОКИМ ПРОПЛАВЛЕНИЕМ

05.03.06 - Технология и машины сварочного производства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор, P.A. Мусин Научный консультант - доктор технических наук,

профессор, В.М. Язовских

Пермь - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................5

1. ПРОЦЕССЫ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ И ФОРМИРОВАНИЯ ПЕРВИЧНОЙ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛА ШВА, ПОЛУЧЕННОГО ЭЛЕКТРОН-

о _____ ___'_ ____________

НО-ЛУЧЕВОИ СВАРКОЙ С ГЛУБОКИМ ПРОПЛАВЛЕНИЕМ........... 9

1.1. Общие закономерности кристаллизации сварных швов..........................................9

1.1.1. Основные черты формирования первичной структуры металла шва

при электронно-лучевой сварке с глубоким проплавлением..........................10

1.1.2. Характерные дефекты сварных швов при электронно-лучевой сварке

с глубоким проплавлением........................:..........................................................13

1.2. Методы расчета первичной макроструктуры сварных швов................................19

1.3. Методы управления процессом кристаллизации металла шва..........................25

1.3.1. Измельчение зерен основного металла..............................................................................26

1.3.2. Модифицирование сварочной ванны....................................................................................27

1.3.3. Введение в сварочную ванну механических или тепловых периодических возмущений......................................................................................29

1.3.3.1. Механические возмущения расплава сварочной ванны................................29

1.3.3.2. Тепловые возмущения расплава сварочной ванны............................................30

1.3.3.3. Тепловые колебания расплава сварочной ванны при ЭЛС с глубо- 31 ким проплавлением..............................!.............................

1.4. Выводы.............................................................................................................................34

1.5. Постановка цели и задачи исследования.................................................................36

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ......................................................38

2.1 Материалы......................................................................................................................................................38

2.2 Применяемое оборудование и режимы проводимой сварки....................42

2.3 Методика металлографического исследования сварных соединений..........43

2.3.1. Макроструктурный анализ............................................................................................................44

2.3.2. Микроструктурный анализ............................................................................................................44

2.3.3. Анализ неметаллических включений..................................................................44

2.3.4. Определение величены зерна...........................................................................45

2.4 Методика определения тонкой структуры и свойств сварного соединения..........................................................!..................................................46

2.4.1. Измерение микротвердости..........................................................................................................46

2.4.2 Рентгеноструктурный анализ......................................................................................................46

3. РАСЧЕТНО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОЦЕНКИ МАКРОСТРУКТУРЫ МЕТАЛЛА ШВАНРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКЕ

С ГЛУБОКИМ ПРОПЛАВЛЕНИЕМ..........................................................48

3.1. Вывод уравнений поверхности фронта кристаллизации при ЭЛС с глубоким проплавлением......................................................... 48

3.1.1. Уравнения поперечного сечения сварных швов при ЭЛС с глубоким проплавлением.................................................................................51

3.1.2. , Уравнение формы фронта кристаллизации в плоскости ХОУ для

ЭЛС с глубоким проплавлением............................................... 53

3.1.3. Уравнение формы фронта кристаллизации в продольном сечении (плоскость XOZ).................................................................. 54

3.2. Расчет формы осей кристаллитов при объемной схеме кристаллизации 5 5 3.2.1. Взаимосвязь формы шва с проекцией осей кристаллитов в поперечном сечении........................................................................ 64

3.3. Расчет пространственной ориентации макроструктуры шва при электронно-лучевой сварке......................................................................70

3.4. Расчет скорости кристаллизации металла шва при электронно-лучевой сварке.......................'.......................................................... 77

4. ОСОБЕННОСТИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ СВАРНОГО ШВА ПРИ ЭЛС ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ БОЛЬШОЙ ТОЛЩИНЫ.................. 81

4.1 Первичная макроструктура сварного соединения............................ 81

4.2 Неметаллические включения в сварном соединении.....................................88

4.3 Неоднородность микроструктуры и свойств металла шва высокопрочных сталей большой толщины после ЭЛС.................................... 92

4.4 Анализ схемы кристаллизации и формирования первичной макроструктуры металла шва при электронно-лучевой сварке сталей большой толщины........................................................................ 100

5. УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ФОРМИРОВАНИЯ ПЕРВИЧНОЙ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛА ШВА ПРИ ЭЛС С ПОМОЩЬЮ ОСЦИЛЛЯЦИИ ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА................................................ 105

5.1 Влияние осцилляции электронного луча на форму сварного шва......... 106

5.2 Определение длины кристаллизующейся части сварочной ванны при

ЭЛС с различными видами траектории осцилляции электронного луча. 114

5.3 Макроструктура сварных соединений при ЭЛС с осцилляцией луча.. 119

5.3.1. Макроструктура металла шва при поперечных колебаниях луча........ 119

5.3.2. Макроструктура металла шва при продольных колебаниях луча........ 122

5.3.3. - Макроструктураметаллашва при круговой развертке луча..................122

5.3.4. Формирование макроструктуры металла шва при х-образной развертке луча..................................................................................................................................................124

5.4. Микроструктурные изменения в металле шва при электронно-лучевой

сварке с осцилляцией электронного пучка...........................................133

6. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ

ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ..............................................................................137

6.1. Выбор оптимальных технологических параметров ЭЛС высокопрочных сталей с осцилляцией луча по х-образной траектории..................................137

6.2. Способ ЭЛС высокопрочных сталей в термоупрочненном состоянии... 140

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ................................ ................................................................................144

ЛИТЕРАТУРА.........................................................................................147

ВВЕДЕНИЕ.

Применение современных материалов в различных отраслях техники требует совершенствования технологических приемов их обработки и, в частности, сварки. Развитие технологий с применением концентрированного потока энергии является одним из приоритетных направлений совершенствования сварочных процессов. Это обусловлено С возможностью получения при лучевых методах сварки режима глубокого проплавления, когда достигается большое отношение глубины шва к его ширине, а деформация и ширина зоны термического влияния минимальны.

Зачастую электронно-лучевая сварка проводится уже на готовых узлах на конечной стадии производства изделия, а так же при ремонтных работах конструкций. В этом случае невозможно проведение полного цикла термической обработки для улучшения структуры и свойств сварного шва. Т.к. кристаллизация металла шва является основным процессом, завершающим образование сварного шва, то первичная структура будет непосредственно определять технологические и служебные свойства последнего. С точки зрения получения металла шва с высоким значением технологической прочности, сопротивления отрыву, степени упрочнения при пластической деформации и наибольшего сопротивления распространению трещин, мелкозернистая полиэдрическая структура является предпочтительной. Своеобразие теплофизических процессов в зоне сварки зачастую приводит к формированию в шве крупнозернистой столбчатой структуры. Поэтому обеспечение формирования мелкозернистой структуры в процессе кристаллизации сварочной ванны будет иметь большое значение.

Однако, наряду с широко представленными в литературе теоретическими и экспериментальными положениями электронно-лучевой сварки вопросам кристаллизации металла шва, формирования первичной макроструктуры уделяется мало

* ' I

внимания.

Таким образом, исследование и разработка методов воздействия на процесс формирования первичной структуры металла шва при электронно-лучевой сварке в режиме глубокого проплавления, обеспечивающих получение бездефектных швов, устранение структурной и механической неоднородности является актуальной задачей.

Целью данной работы является исследование закономерностей формирования макроструктуры металла шва при ЭЛС с глубоким противлением и разработка методов, позволяющих воздействовать на процесс структурообразования.

В соответствии с поставленной целью в диссертации последовательно решались следующие задачи:

1. Создание математической модели для оценки первичной макроструктуры сварных швов различных конфигураций и с большим отношением глубины шва к её ширине.

2. Изучение макроструктуры металла шва при ЭЛС, определение отличительных особенностей формирования первичной структуры.

3. Разработка методов устранения структурной и механической неоднородности металла шва путем воздействия на параметры режима сварки.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны математические модели и методика проведения расчета, позволяющие оценивать процесс формирования первичной макроструктуры при ЭЛС сталей в режиме глубокого проплавления. С помощью разработанных математических моделей можно определить форму и направление роста кристаллитов, оценить пространственную ориентацию кристаллитов в объеме шва и рассчитать скорость роста кристаллитов в процессе кристаллизации. Полученные математические модели позволяют оценивать процесс кристаллизации в сварных швах с разнообразной формой и при большом отношении глубины шва к ширине.

2. Экспериментальным путем установлено формирование в структуре сварных швов сталей при ЭЛС в режиме глубокого проплавления четырех характерных зон первичной макроструктуры, значительно отличающихся формой и направлением роста кристаллитов. Первые две зоны формируются в верхней расширенной части шва, третья и четвертая - в нижней клиновидной. Четвертая зона, занимающая наибольшую глубину, характеризуется наличием в центре шва длинных столбчатых кристаллитов, растущих в направлении сварки. Кристаллизация данных кристаллитов носит прерывистый характер, и они имеют слоистое строение.

3. Экспериментальными и теоретическими методами установлено, что ЭЛС с круговой и х-образной разверткой луча в большей степени изменяют форму сварного соединения и, таким образом, влияют на характер формирования первичной структуры металла шва. При этом наблюдается выравнивание по глубине шва макро- и микроструктурной неоднородности, уменьшается общий уровень микротвердости металла шва.

Практическая ценность работы:

Разработанные математические модели для оценки формирования первичной структуры при ЭЛС в режиме глубокого проплавления позволяет прогнозировать характер формирующейся макрЬструктуры сварных швов.

Установлена возможность воздействия на процесс формирования первичной структуры металла шва в целях улучшения технологических, механических и эксплуатационных свойств сварного шва с помощью осцилляции электронного луча при сварке. Методы регулирования макроструктуры и предупреждения образования корневых дефектов путем введения осцилляции электронного луча реализованы при создании технологии сварки сталей перлитного и аустенитного класса на АО «Пермские моторы».

Результаты проведенных исследований докладывались: на Международной научно-технической конференции «Современные проблемы сварочной науки и техникй», Ростов-йа-Дону, 1995 г.; на Российской научно-технической конференции «Современные проблемы сварочной науки и техники «Сварка-95» », Пермь, 1995 г.; на конференции сварщиков Урала «Теория и практика сварочного производства», Ижевск. 1997 г.; на Российской научно-технической конференции «Современные проблемы сварочной науки и техники «Сварка-97» », Воронеж, 1997 г.

По результатам проведенных исследований было опубликовано 10 работ.

Диссертация состоит из шести глав.

Глава первая посвящена анализу состояния научных исследований в области

процессов кристаллизации сварных швов, в том числе швов, полученных ЭЛС в

режиме глубокого проплавления, и методов используемых для управления процес-, / / сом кристаллизации металла шва и формирования первичной структуры.

Во второй главе приведены химический состав и характеристики основных механических свойств материалов, исследуемых в работе, параметры режимов электронно-лучевой сварки, описаны основные методики, применяемые для анализа структуры и свойств полученных сварных соединений, составы растворов, используемых для выявления первичной макро- и микроструктуры.

В третьей главе, используя аналитические и экспериментальные методы, разработаны математические модели, позволяющие оценить направление роста, форму кристаллитов, их пространственную ориентацию в объеме шва и скорость роста кристаллитов как по ширине, так и по глубине шва для сварных соединений, получаемых ЭЛС в режиме глубокого проплавления.

В четвертой главе рассматриваются особенности формирования первичной структуры металла шва для сварных соединений, полученных ЭЛС в режиме глубокого противления.

Пятая глава посвящена доследованиям влияния осцилляции электронного луча по различным траекториям (круговым, х-образным, колебания луча вдоль и поперек шва) в процессе сварки на кристаллизацию металла шва и формирование первичной структуры.

В шестом разделе представлены новые технологии ЭЛС высокопрочных сталей, при разработке которых использовались результаты исследования и математические модели.

Настоящая работа выполнялась в рамках научно-технических программ Министерства общего и профессионального образования по направлению «Сварочные процессы», «Сварка и контроль».

. ПРОЦЕССЫ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ И ФОРМИРОВАНИЯ ПЕРВИЧНОЙ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛА ШВА, ПОЛУЧЕННОГО ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКОЙ С ГЛУБОКИМ ПРОПЛАВЛЕНИЕМ.

1.1. Общие закономерности кристаллизации сварных швов.

Кристаллизация металла шва является основным процессом, завершающим образование сварного соединения, и определяющим технологические и служебные свойства последнего. В целом кристаллизация металлов при сварке подчиняется основным положениям общей теории кристаллизации. Процессы кристаллизации сварных соединений, формирования первичной структуры при сварке плавлением изучены достаточно давно. Наиболее полно результаты исследования кристаллизации металла в условиях сварки отражены в работах Алова A.A. [1], Макары A.M. [2], Мовчана Б.А. [3], Петрова Г.А. [4], Прохорова H.H. [5], Авакян C.B. и Лашко Н.Ф. [6,7], ШаманинаМ.В. [8], Гладштейна Л.И. [9] и др.

Обобщая опыт проведенных исследований следует отметить, что кристаллизация металла шв& протекает в своеобразных теплофизических условиях. Основными особенностями условий кристаллизации расплавленного металла сварочной ванны являются [10,11]:

- непрерывный ввод теплоты в сварочную ванны движущимся источником энергии, скорость движения которого определяет скорость перемещения фронта кристаллизации;

- наличие в ванне готовых двухмерных центров кристаллизации в виде частично оплавленных зерен основного металла на границе сплавления (гетерогенный характер кристаллизации);

- значительный градиент температур в ванне, большой перегрев металла в центре шва;

- интенсивное перемешивание металла ванны;

- малый объем ванны и непродолжительное существование расплавленной ванны, большие средние скорости роста кристаллитов;

- воздействие на кристаллизующийся металл термодеформационного цикла сварки.

Вследствие этих условий кристаллизация металла шва при сварке имеет направленный характер, обусловленный отводом теплоты в основной металл вследст-

вие наличия градиента температур. В результате в сварном шве образуются, как правило, столбчатые кристаллиты, растущие от поверхности оплавления основного металла к центру шва. При этом рост кристаллитов начинается с закристаллизовавшейся поверхности шва. В определенных условиях в центральной части шва возможно образование равноосных кристаллитов [12,13]. С процессом затвердевания металла шва связаны и некоторые нежелательные явления, такие как формирование химической неоднородности и неметаллических фаз, а также образование горячих трещин, пор, непроваров и др.

1.1.1. Основные черты формирования первичной структуры металла шва при электронно-лучевой сварке с глубоким проплавлением.

Электронно-лучевая сварка с образованием глубокого проплавления сопровождается достаточно сложными тепловыми, гидро- и газодинамическими, плазменными и др. процессами [14,15]. При воздействии концентрированного потока энергии на поверхность тела с удельной мощность�