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

\

На правах рукописи

ОЛЬШАНСКАЯ ТАТЬЯНА ВАСИЛЬЕВНА

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

05.03.06 - Технология и машины сварочного производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пермь - 1998

Работа выполнена в Пермском государственном техническом университете

Научный руководитель: доктор технических наук,

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

профессор, В.М. Язовских

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор В.В. Мелюков, кандидат технических наук доцент B.C. Штенников.

Ведущее предприятие: АО «Пермс.сий моторный завод»

Защита состоится « » дека^рЛ 1998 г. в _час. на заседание

Диссертационного Совета Д 063. 66. 04 в Пермском государственнст техническом университете по адресу:

614600, ГСП-45, Комсомольский проспект, 29а, ауд. 423.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПермГТУ

Автореферат разослан « // » /rt^i/nl. 1998 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета Д 063. 66. 04

доктор физико-математических наук A.A. Ташкинов

ОБЩАЯ XAfrVKTEPI1СП1КА РАБОТЫ

Аюуалъность работы. Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) нашла широкое применение при изготовлении ответственных узлов изделий машиностроения и аэрокосмической техники. Б основном это связано с возможностью получения при ЭЛС режима глубокого проплавления, когда достигается большое отношение глубины шпа к его ширине, а деформация и ширина зоны термического шияния минимальны. Основные теоретические и экспериментальные положения ЭЛС отображены в работах ученых I LH. Рыкалина, ИВ. Зуева, АА Углова, H.A. Ольшанского, ГЛ. Лескова, O.K. Назаренко, В.В. Башенко и др., где рассматриваются процессы, происходящие при воздействии электронного луча на материал, особенности образования канала прогславленпя, шотше параметров луча на геометрию зоны нр01ыашепия и до. Однако, вопросам кристаллизации металла шва при ЭЛС уделяется мало внимания.

Кристаллизация металла шва является основным процессом, завершающим образование сварного соединения и определяющим технологические и служебные свойства последнего. С точки зрения получения металла шва с высоким зтчением технологической прочности, сопротивления отрыву, степени упрочнения при пластической деформации и наибашшега сопротивления распространению трещин, мелкозернистая полиэдрическая структура является предпочпледьной. Своеобразие теплофизических процессов в зоне сварки часто приведет к формированию а шве крупнозерттстон столбчатой структуры. Обеспечение образования мелкокржетой структуры в процессе 1ф; .'сгатпЕации сварочной ванны имеет большое значение для крупногабаритных сварных изделий и изделий, для которых невозможно проведг» те последующей термообработки по тем или иным причинам и, следовательно, невозможно улучшение структуры сварных соединений после сварки.

Цель длиной работы. Исследова-ше закономерностей формирования макроструктуры металла шка при ЭЛС с глубоким при шавлением и разработка методов, позволяющих воздейспюватъ > а процесс структурообразовлния.

В соолве iuitjiüi 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 струкгурпой и механической неоднородности металла шва тгугсм воздействия га параметры режима сварки.

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

Научная ношшш работы.

1. Разработаны математические модели и методика проведения расчета, позволяющие оценивать процесс формирования первичной макроструктуры при ЭЛС сталей в режиме

глубокого противления. С помошио разработанных математических моделей можно определить форму и направление роста ¡фисталлигов, оценить пространственную ориентацию кристаллитов в объеме шва и рассчитал, скорость роста кристаллитов в процессе кристаллизации. Полученные математические модели позволяют оцзнивагь 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 щюшшления четырех характерных зон первичной макроструктуры, значительно отличающихся формой и направлением роста кристаллитов. Первые две зоны формируются в верхней расширенной часта шва, третья и четвертая - в шишей клиновидной. Четвертая зона, занимающая наибольшую глубину, характеризуется наличием в цапре шва длинных сгалбчатых кристаллитов, растущих в направлении сварки. Щжсташшзация данных лристалтпов 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 наблюдайся выравнивание по глубине шва макро- и микроструюурной неоднородности, уменьшается общий уровень микротвердосш металла шва

Практическая ценность работы.

Разработанные магемашчсские модели для оценки формирования первичной структуры при ЭЛС в режиме глубокого проплате! шя позволяет прогнозировать характер формирующейся макроструктуры сварных швов.

Установлена возможность воздействия на процесс формирования первичней структуры металла шва в целях улучшения технологических, механических и эксплуатационных свойств сварного шва с помощью осцилляции алекгронного луча при сварке. Метода регулирования макроструктура и предупреждения образования корневых дефектов путем введения осцилляции злеюронного луча реализованы при создании технологии сварки сталей перлитного и аусгенитаого класса на АО «Пермские моторы».'

Апробация работы и публикации. Результаты проведенных исследований докладывались: на Международной научно-технической конференции «Современные проблемы сварочной науки и техники», Ростов-на-Дону, 1993 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.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов по работе и списка использованной липрагуры. Общий объем работы составляет 156 страниц машинописного текста, включая 48 рисунков, 8 таблиц и 133 наименования использованных литературных источников.

QCHOBHOE СОДЕРЖА! И1Е РАБОТЫ.

Глава первая посвящена анализу состояния научных исследований в области пронесши кристаллизации сварных швов, в том числе швов, полученных ЭЛС в режиме глубокого противления, и методов используемых для управления процессом кристаллизации мо •галла шва и формирования первичной структуры.

. Исследования, посвященные причинам появления специфических дефектов, в литературе представлены в достаточно большом объеме, и этот процесс исследуется всесторонне. В то же время вопрос влияния режимов сварки, ташофизичсских процессов, происходящих в канале нроплавления, на процессы тфисталлизации и формирования первичной структуры металла шва в литературе остается практически открытым.

Традиционные численно-аналшнческие методы, позволяющие оценивать формирование первичной кристаллической ма!фоструктуры, были разработаны еще в 60-е годы, такими авторами как HJHL Прохоров, MB. Шаманин, Г. А Петров, ЛИ. Глддшгейн, АС. Ма-стрюкова, I Шикал. Прохоров и др. Они отличались тигельной проработанностью, что явилось одной из основных причин отсутствия до настоящего времени попыток найш новые пути решения рассматриваемой проблемы. При всех несомненных достоинствах этих методов следует выделить единства ¿ji i вдосгагок - замена формы реального фрота кристаллизации на фиктивную форму ! гтлиптческую, параболическую и т.п.). С /ругой стороны эти методы рассматривают схел^у формирования первичной макроструктуры для сварных uihor небольшой глубины с соотношением ширины ила к глубине более 0,5. При ЭЛС получаются достаточно узкие и глубокие швы сложной конфигурации с соотношением ширины шва к глубине от 0,5 до 0,1 и менее. В этом случае замену реального фрО!гга криеталли-зации на фиаивную форму проюдшь недопустимо и применение традиционных методов расчета можег не дать достоверных {»езультатов при прогнозировании первичной макроструктуры сварных швов.

Для возможности применения традиционных численно-аналшических методов оценки первичной структуры, пространственной схемы кристаллизации применительно к лучевым способам сварки необходимо найти выражение реального фронта кристаллизации в достаточно простой форме.

По результатам анализа литературных данных были выработаны указанные выше цель и задачи исследований.

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 струюуры и свойств полученных сварных соединений, составы растворов, используемых для выявления первичной мазфо- и микроструктуры.

Макроструктура сварных соединений изучалась на стереоскопическом микроскопе МБС-10 при небольших увеличениях (до 30 раз). Фотографирование макроструктуры швов осуществлялось с помощью установки для макросьемки ФМН-2. Микроструюурный ана-jDQ и вденшфикация неметаллических включений проводились на металлографических

микроскопах ММУ-3 и МИМ-8М при увеличениях от 75 до 600 раз. При этом на мега-ио-графическом микроскопе МИМ-8М были использованы светло- и темнопоиьное освещение, а также поляризованный свет и косое освещение. Определение величины зерна проводилось

Анализ уровня механических свойств сварно; о соединения проводился методом определение микротвердости (ГОСТ 9450-76) на приборе ПМТ-3 при нагрузке 50 и 100 г. Ролгеноструюурный анализ (определение периода кристаллической решетки металла шва методом графической экстраполяции) проводился на дифракпгометре ДРОН-2. Расгфедело-ние легирующих элементов по поперечному сечению сварных швов определялось с помощью мшфоренггеноспек1рального анализа на установке МАР-2.

В третьей главе «Расчешо-аналитическин метод оценки макроструктуры металла шва при ЭЛС с глубоким проплавлением» используя аналитические и экспериментальные методы были разработаны математические модели, позволяющие оценить направление роста, форму кристаллитов, их пространстве; шую ориентацию в объеме шва и скорость роста кристаллитов как по ширине, так и по глубине для сварных швов, получаемых ЭЛС в режиме глубокого проплавления.

При ЭЛС формируются сварные швы характерной «кинжальной» формы: с расширенной верхней частью и достаточно у^й в корне. В габотс предлагается такую форму сварных швов описывать двумя уравнениями отдельно для верхней и нжкней части (рис.1,а):

где Р' и Н'- координат точки пересечения доух кривых (точки перегиба); Н\- значение, при котором верхняя ]фивая пересекает ось 0% Нт- значение, при котором нижняя кривая формы шва пересекает ось соответствует значению глубины шва А; Р\- значение, при котором верхняя кривая пересекает ось ОУ, сошззтсгеуег значению полуширины шва р, Рг - значение, при котором нижняя кривая пересекает ось ОУ (если ее продолжить выше точки перегиба).

На основе этих уравнений определяются уравнения поверхности фронта кристаллизации д ля сварных швов с глубоким противлением:

где /, ¿'-длина кристаллизующейся части сварочной ванны на поверхности шва и в точке перегиба (рис.1,б); Ь\- численно равно /; Ьг~ численно равно длине ванны на поверхности шва, для второй кривой (если ее продолжить выше точки перегиба).

методом секущих линий в соответствии с ГОСТ 5639-82.

(1)

(2)

г

а б

Рис.1 &емотмесмхраздавв1еиш1исост!Ш!ечасп1:

а-плоскость УО^ б-плоскость Х02; I-верхняя чаоъиша,!!-нижняя часть шва.

При условии перемещения фронта кристаллизации оси кристаллитов представляют собой ортогональные траектории к семейству фронтов ьристаллшадаи. Используя условие ортогональности траекторий осей роста 1фисталлигов относительно фронта кристаллизации, и введя координаты точек начала роста оси кристаллита хП(у0и7и выводятся в общем виде уравнения проекции осей роста кристаллитов на координатные плоскости.

В плоскости ЧОЪ для г -рхней части шва'

Ч")\zl-l

-о /+>о

• ^

В плоскости УСЙдля нижнейчасгишна'

1

2—

(3)

У-

т

-у О

1

1-в2

(4)

В ичоскосги ХОУ для верхней (первое уравнение в системе) и нижней тиста или (второе >равненис):

г х = дго + ехр|

{х = хо + ехр

(5)

В плоскости XOZ для верхней часш шва:

¡-(^i-zH

* = xq ! ехр

2

2-Л,^

В плоскости XOZ для нижней части шва;

2

(б)

х = + ехр

f_ k^aki(ln(x)_ln(xo))+ 1-оп

2-Ир

2-¡»l

О)

Используя разработанные математические модели, были проведены исследования изменения формы шва от ви со, а также и влияния фермы шва (при ошошениях ширины шва к глубине менее 0,5) на макроструктуру сварного соед инения. По результатам исследо-к нкй установлено, что показатель степени в определяет форму корневой часта шва: с повышением значения Our 1 до 3 форма корня шва изменяется егг заостренной до округлой. Показатель степени су влияет непосредственно на угол наклона стенок шва. С увеличением значения со от 1 до 3 угол наклона стенок относигел! но оси симметрии шва уменьшается, стенки в верхней части становятся параллельными. При одновременном увеличении в я о до значений более 3 форма шва в поперечном сечении становится с практически параллельными creí псами по всей глубине.

В работе показано, что характер макроструктуры металла шва при ЭЛС с глубоким противлением очень сильно зависит от формы кертя шва, угла наклона стенок и коэффициента формы шва (соотношения полуширины к глубине), и незначительное их изменение ведет к изменению характера формирования первичной макроструктуры. С увеличением ширины шва в корневой части (с увеличением в) проекция формы осей роста кристаллитов в поперечном сечении изменяется от асимптотически направленных к оси симметрии шва (рис2,а) до стремящихся вверх (рис2,6). Такое направление проекции осей роста кристаллитов можно интерпретировать как условия, благоприятные для формирования равноосной структуры в центральной части шва С увеличением глубины шва с параллельными станками (с увеличением га) увеличивается глубина зоны, охваченной плоским процессом кристаллизации, когда оси кристаллитов параллельны горизонтальной плоскости (рис.2 дг). При изменении формы шва от клиновидной до практически с параллельными стенками по всей глубине (при увеличение вя со более 3) появляются кристаллиты, растущие параллельно горизонтальной плоскости (рис.3,а,б), а в корневой части - кристаллиты, проекция осей роста которых направлены практически перпендикулярно. При уменьшении коэффициента формы шва происход ит пропорциональное увеличение глубины шва с плоским процессом кристаллизации, и уменьшение ширины центральной зоны с равноосной структурой (¡рисЗдг).

II, мм

а б

Рис.2. Влияние показателя степени 0,0) ( в поперечном сечении шва: а - о/=1,

Ь, мм

в г

при Кф~0,25) на форму осей кристаллитов ;б-аг= 1 ,0=5; в-<и=2у в=1,г-аг=5, 0=1.

Рис.3. Влияние показателя степени 0,со(при Кф=0,25) и коэффициента формы шва Кф на форму осей кристаллитов в поперечном сечении шва: а - оу=\, О* 1; б - аг-2, й-3; в - Кф=0,25; б - Кф=0,075 при оз=&= 5.

Таким образом, усганоалено, что степень неоднородности первичной макроструюу-ры по глубине шва связана с формой поперечного сечения сварного шва Для получения однородной макроструетуры необходимо получал» швы с практически параллельными стенками по всей глубине (т.е. три 6ЬЗ, са>3), т.к при этом возможно образование в центре шва кристаллитов полиэдрической формы и, вследствие этого, уменьшение длины столбчатых кристаллитов.

Для численного определения объемной макроструктуры шва, определяющейся совокупностью пространственных кривых осей кристаллитов, в работе установлены зависимости косинусов углов наклона кристаллитов (а; ¡) и у) к координатным осям и плоскостям. Для определения угла а(упта между осью ОХ и касательной к оси кристаллита) в верхней и нижней части сварного шва получены следующие выражения:

-1-0.5

1+-

.М-* + °>1 -2

иг1

НЪ«i

4-

1-

4

1'+-

0Í

2 +

а>2 л2 Ш2 '

-0.5

,2®2-2

Kif-tef

(8)

Полученные выражения позволяют оценить влияние формы шва на характер изменений угла а вдоль осей кристаллитов. Изменение формы шва в корневой часта от заостренной до округлой оказывает влияние на характер изменения угла ano ширине шва: в центре шва появляется площадка с неизменным значением угла а Увеличение ширины шва в корневой части приводит к уменьшению значения угла а до 0 как по глубине, так и по ширине шва, при этом значении a направление роста крнсгалшшов совпадает с направлением сварки. На характер изменения угла a по глубине шва наибольшее влияние оказывает изменение угла наклона стенок, три увеличивается глубина шва с параллельными стенками возрастает глубина с постоянным значением угла a

Используя выражения косинуса угла a была получета ма гемашчеош модель, позволяющая определил, величину и характер скорости кристаллизации сварного соединения при ЭЛС в режиме глубокого противления. Скорость роста кристаллитов в верхней и нижней частях сварного шва определяются известным уравнением: vkP<¡ = Ус* ■ cosa»

»

Vkp„ = Уса ■ ' эд

где соответствующие значения cosa берутся из уравнений (8).

Влияние формы шва ja характер распределения скорости кристаллизации по глубине и ширине шва будет подобно влиянию на характер изменения угла а, т.к скорость роста

Укр/Усв 1

0,75

0,5

0,25

\ \ 1 N. \ ! \

4 з' 2 1

Укр/Усв 1

0,75

0,5

0,25

0 0,25 0,5 0,75 1 у/р

а " ,

N

Л ~4Д\ \3 - "1

\ \\

0,25 0,5 0,75 1 у/р б

Рис.3 Распределение скорости крис-гляизации по ширине шва: а - 6--1. и=2, б - 9=4, ю=2. Цифрами на кривых указаны относительные координаты начала роста кристаллитов: 1 - 0,1Ь; 2 - 0,3й; 3 - 0,5Ь; 4 - 0,/Ь; 5 - 0,95Ь.

\WVcb 1

0,75 0,5

0,25

^ч Л

\ \

4

\ 5 1

^^крАГсв 1

0,75

0,5

0,25

М

3

■■ 4'

Г

0 0,25 0,5 0,75 1 ^ 0 0,25 0,5 0,75 1 ^ а б

Рис.4 Распределение скорости кристаллизации по глубине шва: а-9=4, га=1, б - 0=1, ез=4. Цифрами на кривых указаны относительные координаты начала роста кристаллитов: 1 - 0,8р; 2 - 0,6р; 3 - 0,4р; 4 - 0,2р; 5 - 0,1р.

кристаллитов непосредственно определяется значениями rosa Увеличение ширины шва в корневой части приводит к изменению характера скорости кристаллизации по ширине шва (рис.4). Уменьшение угла наклона стенок шва, увеличение глубины шва с параллельными стенками приводят к выравниванию характера скорости 1фисталлшации по глубине шва (рис.5). Изменение формы шва от клиновид ной до формы с параллельными стенками практически по всей глубине приводит к однородности макроскопического распределения скорости роста кристаллитов как по ширине, так и по глубине шва Однородность и неизменность значений угла а и скорости роста кристаллитов по ширине и глубине шва можно рассматривать как условие образования равноосной структуры в центральной части ыва.

Таким образом, расчетные исследования по разработанным математическим моделям показали, что характер формирования первичной структуры очень сильно зависит от формы шва При этом схема процесса кристаллизации по глубине шва может изменяться от плоской до пространственной. Д ля создания условий формирования однородной макроструктуры при ЭЛС необходимо стремиться получать швы с параллельными стенками практически по всей гаубине, т.к. при этом будет иметь место как столбчатая, так и полиэдрическая структура, и выравниваться макроскопическое распределение скорости кристаллизации по глубине и ширине шва

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

Результаты исследований первичной структуры сварного шва ряда сталей, в т.ч.

38Х2Н2МА, 38XH3M, 12Х18Н9Т, позволили установить наличие четырех характерных зон макроструктуры по высоте швов, которые отличаются различным направлением и фермой первичных кристаллитов (рис.6). Наличие. таких зон структурной неоднородности характерно для всех исследуемых швов и всех исследуемых сталей.

Первая зона - это валик сварного шва, состоит из крупных полиэдрических кристаллитов. Вторая зона состоит из столбчатых 1фисталлишв. Оси кристаллитов имеют ортогональное направление относительно линии сплавления в поперечном сечении шва и практически вертикальное направление к поверхности шва в продольном сечении. Первая и вторая структурные зоны формируются в верхней расширенной части сварного шва Макроструктура этих зон принципиально не отличается от структуры, образующейся гфи злектродуговой сварке.

Третья зона в поперечном сечении состоит из столбчатых кристаллитов, срастающих-

ся в ценгре шш1 Оси кристаллитов направлены перпендикулярно оси симметрии шва и параллельно горггзонтальной поверхности. В продольном сечении кристаллиты имеют полиэдрическое строение.

Макроструктура четвертой зоны сличается от третьей тем, что кроме столбчатых кристаллитов, имеющих такую же направленность, появляется цетральная зона длинных сгалбчагых кристаллитов, растущих в направлении сварка В поперечном сечении шва центральные осевые кристаллиты имеют равноосное полиэдрическое строение, в продольном сечении - это длинные и узкие кристаллиты с максимальной длиной до 15 мм. Дополнительные исследования макроструктуры четвертой зоны в различных сечениях показали, что кристаллизация центральных столбчатых кристаллитов имела прерывистый характер, только в этой области в продольном секши 1 шва наблюдаются слои кристаллизации. Частота кристаллизационных слоев в корне шва превышает частоту пиков проплавления. Ширина слоев в корне несколько уже, чем в верхней части зоны. Ферма кристаллизационных слоев повторяет форму сварочной ванны. Цешральные столбчатые кристаллиты прорастают через кристаллизационные слои практически не изменяя ни свое направление, ни форму.

В результате макроструктурного анализа установлено, что структура металла шва адчягельно изменяется по глубине сварного шва Так; в поперечном сечении сварного шва (4жаь 38Х2Н2МА) длина столбчатых кристаллитов меняется от 1,15-10'до 270 мкм, ширина от 30до с» мкм, в продольном сечение длина цешральиых столбчатых кристаллитов ^¡еньшается от 15-10" мкм до 1,6 -103 мкм, а ширина от 410 до 120 мкм.

В результате проведенных исследований также установлено, что такие специфичен ские д ¡я ЭЛС дефекты, как поры и полости, обраезуюгея только в четвертой зоне, а наиболее крупные из них - на гриице третьей и четвертой зон Располагаются поры и полости в основном между кристаливациошшми слоями в цешре шва

В работе показано, что в процессе ЭЛС высокопрочных сталей наблюдаются значительные изменешы (1ормы и размеров неметаллических включений. Во всем объеме металле шва наблюдается россыпь очень мелких включений в ввде точек, тогда как в основном металле имеют место участки со скоплениями неметаллических включений неправильной формы. В результате исследований установлено, что в центральной части шва скопление включений несколько увеличивается и згачшельно увеличивался дисперсность включений по Шубине сварного шва Неметаллические включения имеют сложный комплексный состав. Это могут бьпь соединения типа магнезиальных (МпДЬОД, марганцевых (МпА!/^) шпинелей, силикаты кальция (СдЗЮ?, С^'О«, Сдз&Оз), океццы (АЪОз, йОг, ТЮг, КеО-

Ш).

Мр!(фосгрутаурныс исследования показали, что тип первичной структуры металла шва также имеет значите1 шные отличия по зонам шва В верхней расширенной части шва структура имеет явно выраженный дендритный характер с широкой сеткой феррита, в середине шва размер зерна и ширина сетки феррита уменьшаются примерно в два раза, структура - ячеисго-дендришога типа, в корневой части образуется также ячеисго-девдригная мелкозернистая структура В первых трех зонах, занимающих по глубине шва 1/3 часть, наблюдается незначительные изменения размера зерна, среднее значение размера зерна в этих зо-

нах находится в пределах 21,1... 23,2 мкм. Резкое измельчение струюуры наблюдайся по глубине четвертой зоны - от 21 до 6,1 мкм. Ошосигельная погрешность измерений (е) не превышала 8%.

В результате проведенных исследований свойств металла шва было выявлено повышение микротвердости по глубине от 4160 МПа на поверхности до 4520 МПа в корневой части шва Ошосигельная погрешность измерений (б) составила не более 2,7 %. В результате рештенографических исследований установлено, что параметр кристаллической решетки в верхней расширенной части шва равен ¿»=0,28676 нм, в нижней корневой части - о=0Д8705 нм. Повышение твердости, увеличение параметра кристаллической решетки связано с измельчением микроструктуры, повышением уровня напряжений Ш рода, повышением плотности дислокаций и несовершенств кристаллической решетки.

С помощью математических моделей, представленных в разделе 3 датой работы, анализируется схема кристаллизации и формирование первичной макроструктуры металла шва при ЭЛС с глубоким противлением. Были рассчитаны проекция осей роста 1фисгалли-тов в координатных плоскостях и скорость их роста по ширине и глубине шва Проведенные расчеты подтверждают возможность формирования характерных зон пдизичной Ш1фО-струюуры, в частности образование в нижней части в центре шва столбчатых крисгаялкл, растущих в направлении сварки.

Таким образом, комплексные исследования формирования первичной структуры металла шва показали, что сварной шов, полученный ЭЛС в режиме глубокого противления, характеризуется значительной макро- и мшфсхлруюурной неоднородностью. Наличие подобной струюурной неоднородности может привести к неоднородности механических, технологических и эксплуатационных свойств.

Пятая глава посвящена исследованиям влияния осцилляции алеюроннош луча при сварке по различным траекториям (круговым, х-образным, колебания луча вдоль и поперек шва) на формирование первичной макроструктуры металла шва Показана возможность значительного изменения формы сварного шва в результате сварки с колебаниями злеетрон-нош луча Установлена зависимость между параметрами режима осцилляции луча и фермой сварного шва, т.е. для экспериментально полученных сварных швов были определены значения коэффициентов 1\, Н\, ф, а1, ф, щ, входящих в уравнения формы шва (1). Значение коэффициентов определялось методом наименьших квадратов.

В результате исследований было установлено, что форма в верхней расширенной части практически не зависит ни от вид а развертка, ни от параметров колебания луча Наиболее существенные изменения фермы в нижней части шва можно получить с помощью вдговых н х-образных колебаниях луча угол наклона стенок уменьшается, они становятся параллельными почти по всей глубине, увеличивается ширина в корневой части шва Од нако при увеличении амплитуды круговых колебаний больше 2 мм в металле шва появляются серединные кристаллизационные трещины. При увеличением амплитуды колебаний по х-образной траектории в сварном шве образование кристаллизационных трещин не наблюдается, при этом глубина сварных швов уменьшается не намного по сравнению с уменьшению глубины сварных при круговых колебаниях луча В данном случае различная склонность'

сварных швов к образованию кристаллизационных трещин связана с разным характером формирующейся первичной макроструктуры.

Дтя анализа процесса формирования первичной структуры металла шва на экспери-мегпатьных образцах по представленной выше математической модели необходимо было установить значения длины кристаллизующейся части сварочной вшппл. Для этого была разработана комплексная математическая модель, которая включает в себя: уравнение тепловой модели для ЭЛС с глубоким противлением и уравнения поверхности фронта кристаллизации (2). Уравнение тепловой модели описывает распределение температуры при глубоком противлении как результат действия комбинированного источника тепла, состоящего из точечного д; на поверхности и линейного однородно распределенного по глубине д2- Данное уравнение тепловой модели было взято из работ Язовских ВМ

1

Т =

71

Г-ехр

4а/

• тки

л«о "г . V.

/

[г + Я2+2лД

2x14

г + Н->-2п5

ЫШ1

(г+2 Ш

Ч,

"Ч

= 1,

\в2

-[-Г 1*2 )

:1.

(10)

шй

где 1] - зффеюмвной кпд, апектронно-лучевого нагрева, Я — коэффициент теплопроводности, а - коэффициент температуропроводности, V- скорость сглрки, 5- толщина пластины, п - целое число от -со до +оо, / - время действия источника Периые два уравнения характеризуют пфераспределение полной мощности луча между точечным и линейным источниками тепла.

Решая представленные уравнения (10) в системе можно палучтпъ значения длины кристаллизующейся части сварочной ванны, как на поверхности, так и на глубине. Т. к. значения коэффициентов, входящих в уравнения поверхности фронта кристаллизации были получены расчетным путем на основе экспериментальных данных, то это позволило с помощью дашой модели оценить кшяше па)'>аметров сварки и осцилляции луча на измените коэффициента перераспределение мощности мевду точечньтм и линейным источниками тепла и на характер изменения мощности электронного луча по глубине шва

В работе показано, что проведение любых видов колебаний электронного луча приводит к изменениям формирующейся макроструктуры. В макроструктуре сварных швов хотя и сохраняется тенденция к формированию характерных зон, однако происходят существ венные изменения, особенно в четвертой зоне. При поперечной развертке луча в четвертой зоне рост центральных столбчатых кристаллитов с определенной период ичностью прерывается узкими участками равноосных кристаллитов. При колебаниях луча вдоль оси шва мак-

роспрукгура в продольном сечении имеет рав1,оосное полиэдрическое строение с четко выраженными кристаллизационными слоями. При круговой и х-образной развертке также формируется в центральной части шва равноосная полиэдрическая структура, но слои кристаллизации не наблюд аются.

Анализ процесса кристаллизации для исследуемых сварных швов, проведенный по уравнениям (5-10), показал, что матсмашческие модели позволяют достаточно точно оценивать условия формирования первичной структуры металла шва при ЗЛС с глубоким противлением. Расчетные графики проекции формы осей роста кристаллитов на плоскости координат хорошо согласуются с макроструктурой сварных швов в различных сечениях, изменения скорости роста кристаллитов по ширине и глубине шва позволяют объяснить формирование той или иной структуры. Так, форма шва при увеличении амплипуды х-образных колебаний (с частотой 400...600 Гц) изменяется от клиновидной до практически с параллельными стенками, при этом в поперечном сечении в цешре шва увеличивается ширина зоны с равноосной структурой, уменьшается длина столбчагых кристаллитов, в корне шва структура становится равноосной. На кривых распределения скорости кристаллизации по ширине шва с увеличением амплшуды колебаний увеличивается ширина участка с постоянной максимальной скоростью роста кристаллитов. По глубине шва в нижней части увеличение амплшуды колебаний приводит к практически од.и.«овому распределению скорости кристаллизации. Подобный характер распределение .корост роста кристаллитов создает благоприятные условия для формирования равноосной структуры в цетралыюй и корневой части шва, уменьшению длины столбчатых кристалдпов.

ЭЛС с круговой и х-образной разверпсой луча позволяет существенно уменьшил, разницу между размером и формой кристаллитов по глубине сварного соединения, уменьшить макро- и микрострукгурную неоднородность, уменьшил, неоднородность микротвердости по глубине шва. При злом общее сред нее значение микротвсрдосги уменьшается по сравнению со средним значением микрогвердости сварного шва, полученного без осцилляции луча (4360 МПа): при х-образной развертке - до 4160 МПа, при круговой - до 4000 МПа

Результаты рентгеноструктурного анализа показали, что параметр кристаллической решетки металла шва при сварке с х-образными колебаниями практически не изменяется по глубине шва' в верхней части шва параметр решетки равен 3=0,28671 нм, в корне шва -3=0,28688 нм. Параметр решетки металла шва при круговых колебаниях определялся в средней части шва и составил а=0,28684 нм. Данные результаты говорят о том, что уровень микронапряжений Ш рода, плотность дислокаций по глубине сварных швов при ЗЛС с круговыми и х-офазными колебаниями изменяются незначительно по сравнению со сварными швами без осцилляции луча

Итак, исследования влияния осцилляции электронного луча на процесс формирования первичной структуры металла шва показали: воздействовать на макроструктуру сварных швов возможно, это происходит в соответствии с изменениями формы шва; сварка с х-образной и круговой разверткой луча позволяют в большей степени изменять форму сварных швов и таким образом управлять процессом структурообразования в случае ЭЛС с пту-

бокьм проплаштением; наиболее блашнрияшая для получеши однородности макро-, микроструктуры, микротвердости является форма шва, получаемая при сварке с х-образной разверткой луча, при этом выравнивается характера процесса кристаллизации по глубине и ширине шва

В шестом разделе представлены новые технологии ЭЛС высокопрочных сталей, три разработке которых использовались результаты исследования и математические модели. Одна из технологий - сварка с х-образной разверткой луча находится на стадии внедрения в производство в АО «Пермские моторы». Данный технологический прием позволяет получал, щи оптимальных параметрах сварные швы без дефектов со стабильной глубиной про плавления, с однородной макро- и шпфоструктурой, с однородным уровнем свойств, так же наблюд ается однородное распределение включений в объеме металла шва

Другая технология сварки высокопрочных сталей в термоупрочненном состоянии это сварка со вторым проходом. Второй проход проводится таким образом, что бы ширит шва составляла 70-80 % от ширины шва после первого прохода. Данный метод позволяет измельчить структуру в зоне термовлияния - в околошовной зоне за счет нагрева этого участка до температур перекристаллизации при втором проходе, также второй проход позволяет уменьшить размер первичной структуры в сварном шве. При этом и сварнс:1 шез и зона ."ерчиьлияшя обладает высокими уровнем механических свойств.

ОБПЦ1Е ВЫВОДЫ.

1.Разработаны математическая модель и методика проведения расчета, позво шощие качественно описать процесс формирования первичной макроструктуры при ЭЛС статей в режиме глубокого противления. С помощью данного метода можно определить форму и направлена роста кристаллитов, оценить пространственную ориентацию кристаллитов в объеме шва и рассчитать скорость роста кристаллитов в процессе кристаллизации. Данный метод позволяет оценивать процесс кристаллизации в сварных швах с разнообразно"; фермой и при большом отношении глубины шва к ширине.

2Расчетные исследования по установленным соотношениям показали, что характер формирования первичной струиуры очень сильно зависит от формы шва. При злом схема процесса кристаллизации может изменяться по глубине сварного шва от плоской до пространственной. Форма корневой части шва определяет условия формирования центральной зоны с равноосными полиэдрическими кристаллитами. Угол наклона стенок шва определяет направления роста стадбчашх кристаллитов. С.уменьшением коэффициента формы шва наблюдается пропорциональное увеличение глубины шва, охваченного плоским процессом кристаллизации, и уменьшите ширины центральной зоны с равноосными полиэдрическими кристаллитами

3.Скорость роста фисталлишв в процессе кристаллизации также определяется формой шва Увеличение ширины шва в корне приводит к выравниванию скорости роста 1фи-сталлнгов по ширине шва, при этом значение скорости роста кристаллитов может прибли-

жаться к значению скорости сварки. С уменьшением угла наклона стенок и увеличением глубины шва с параллельными стенками увеличивается глубина шва с одинаковым значением скорости роста кристаллитов. Одновременное увеличение ширины шва в корне и уменьшение угла наклона стенок может привести к выравниванию макроскопического распределения скорости кристаллизации в объеме шва, чго будет создавать условия для образования полиэдрический макроструктуры.

4В структуре шва при электронно-лучевой сварке сталей в режиме глубокого противления выявлено формирование 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 длинных столбчатых кристаллитов, растущих в направлении сварки. Кристаллизация этих кристаллитов носит прерывистый характер, и они имеют слоистое строение. Образование таких специфических дефектов электронно-лучевой сварки, как горы и полости, наблюдается только в четвертой зоне, а наиболее крупные из них образуются на границе третьей и четвертой зон. Располагаются поры и полости в основном между кристаллизационными слоями в цвтре шва. Сварной шов, полученный ЭЛС в режиме глубокого проплавления, характеризуется значительной макро- и мпкрострукгурной неоднородностью, различным уровнем твердости по глубине шва Наличие подобной структурной неоднородности может привести к неоднородности механических, технологических и эксплуатационных свойств.

5 .Показана возможность управления процессом кристаллизации металла шва и формирования первичной макроструктуры путем осцилляции электронного луча при сварке. Параметры режима осцилляции луча (траектория, амплшуда, частота) влияют на распределение мощности электронного луча между точечным и линейным источниками тепла, и на закон изменения мощности электронного луча по глубине шва, что в свою очередь приводит к изменению формы сварного шва Наибольшее влияние на изменение характера сзруюуры оказывают ¡фуговая и х-образная развертки электронного луча При этом наблюдается выравнивание по глубине шва макро- и микроструктурной неоднородности, уменьшается общий уровень микротвердости металла шва

6. В металле шва при ЭЛС во всех случаях (с осцилляцией и без осцилляции электронного луча) выявлена россыпь мелких частиц неметаллических включений. При ЭЛС без осцилляции в цешре шва несколько увеличивается скопление неметаллических включений и значительно увеличивается д исперсность включений по глубине сварного шва При ЭЛС с круговой и х-образной разверткой луча неметаллические включения распределены равномерно по всему сечению шва, а изменения дисперсности включений по глубине шва выражено не столь сильно.

7. ЭЛС с х-образной разверткой луча позволяет в большей степени изменял, форму сварного соединения и таким образом управлять процессом кристаллизации в случае электронно-лучевой сварки с глубоким противлением. Для получения однородной макро- и микроструктуры металла шва, однородного уровня механических свойств рекомендуется проводил, сварку с частотой колебаний 400...600Гц и амплитудой 1,8.. .2,1 мм.

8. Методы регулирования макроструктуры и предупреждения образования корневых

вфектов путем введения осцахтяции электронного луча реализованы при сознании технешо-ии сварки высоко1рочных сталей наЛО 'Пермские матеры".

Основные положешя диссертации опубликованы в работах:

1. Язовских ВМ, Ольшанская Т.В., Берестов БА Особенности лазерной обработки ри низких температурах // Лазерная обработка стамей и титановых сплавов; Сборник трудов, (ермь, 1991. С. 6Н55.

2. Язовских В.М, Ольшанская Т.В, Беленький В.Я. Особенности технологии электрон-э-лучевой свгрсе с х-образными колебаниями луча // Современные проблемы сварочной ауки и техники. Материалы Международной научно-технической конференции. Росгов-на-[ону. 1993. С. 119-120.

3. Язовских ВМ., Беленький В Л., Ольшанская ТВ Некоторые особенности алеетрон->лучевая сварка высокопрочных материалов /Обработка сплошных и слоистых материалов: берник научных трудов. Магнитогорск, 1994. С. 50-54.

4. Язовских ВМ, Ольшанская ТВ., Беленький В-Я. Элетронно-лучевой упрочн-пие тструметальных сталей Х12М и ХВГ //Состоя! -ie и перспективы восстановления иуп-эчнения деталей машин: Сборник трудов. Моею. 1994.

5. Язовских ВМ, Беленький В Л., Ольшанская ТБ. Электронно-лучевая сварка с коле-ишями луча по х-образной траектории.// Сварочное производство. 1994. № 6. С. 5-S.

6. Язовских ВМ, Ольшанская ТВ. Элегарошю-лучевая сварка высокопрочных сталей термоупрочненном состоянии // Современные проблемы сварочной науки и техники ^варка-95". Материалы Российской шучнсьтехнической конференции. Пермь. Ч. II. 1995. 28-30.

7.VM Yazovslakh, V.YaBclaiTay, Т.'V.OMianskaya Electron beam welding wifli beam os-lations along ihe x-shzped togectory//Welding Intematicral. 1995. Vol. №9. P. 139-142.

8. Мусин PA, Язовских ВМ, Ольшанская T.B. Ос обенности кристаллизации металла ва при электронно-лучевой сварке высокопрочных сталей с глубоким проплаалешюм // Тео-1Я и практика сварочного производства Материалы конференции сварщиков Урала "Сварка эала-97". Ижевск. 1997.

9Мусин РА, Язовских ВМ, Ольшанская ТВ. Особенности формирования первич-|й струюуры металла шва при атсктроннолучевой сюрме высокопрочных сталей с глубо-М цроплавлением // Современные проблемы сварочной туки и техники "Сварка-97". Ма-риалы Российской научно-тсхничсской конференции. Воронеж. 1997. С. 112 -113.

10. Ольшанская ТВ., Мусин РА, Язовских ВМ., Беленький В.Я Особенности кри-аллизации сварного шва при злекгронно-лучевой сварке высокопрочных сталей //Вестник "ТУ: Азрокосмическаятехника Пермь. 111 Ч'У. 1997. №2. С. 124-128.

Сдано в печать 05.11.98 г. Формат 60xV>4/i6. 5ъем I уч.изд. Тираж 100. Заказ III8. Ротапринт ППУ.