НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут електрозварювання ім.Є. О. Патона

Екз. №

Савицький Олександр Михайлович

УДК 621.791.754

КЕРУВАННЯ СТРУКТУРОЮ І ВЛАСТИВОСТЯМИ МЕТАЛУ

ПРИ ДУГОВОМУ ЗВАРЮВАННІ ГАРТІВНИХ СТАЛЕЙ

Спеціальність 05.03.06

“Зварювання та споріднені технології”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертація на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2001

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім.Є.О.Патона НАН України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, академік НАН України

Дудко Данило Андрійович, Інститут електрозварювання ім.Є.О.Патона НАН України, головний науковий співробітник

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, академік НАН України Махненко Володимир Іванович, Інститут електрозварювання ім.Є.О.Патона НАН України, завідуючий відділом.

Кандидат технічних наук, професор Сливінський Анатолій Матвійович, Національний технічний Університет України “Київський політехнічний інститут”, декан зварювального факультету.

Провідна установа: Відкрите акціонерне товариство “Український науково-дослідний інститут “Проектстальконструкція” Державного комітету з будівництва, архітектури і житлової політики України, м.Київ.

Захист відбудеться 06.02.2002 р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д 26.182.01 при Інституті електрозварювання ім.Є.О. Патона НАН України за адресою: 03680, Київ-150, МСП, вул. Боженка, 11

З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліотеці Інституту електрозварювання ім.Є.О.Патона НАН України.

Автореферат разісланий 05.01.2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук Кіреєв Л. С.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Стійкою тенденцією розвитку сучасного виробництва є зменшення металоємності виробів при одночасному підвищенні їх якості. Це супроводжується нарощуванням об'ємів застосування гартівних сталей. Але підвищений вміст вуглецю в цих сталях обумовлює ряд труднощів, що виникають при їх зварюванні і проявляються в підвищеній схильності до крихкого руйнування металу і утворення тріщин в результаті перегріву і загартування. Легування сталей лише підсилює чи послаблює ці тенденції, не усуваючи їх.

Сучасні методи подолання цих труднощів передбачають поєднання низьких погонних енергій зварювання з аустенітними матеріалами, або з підігрівом і термічною обробкою зварних з'єднань. Вони малопродуктивні, дорогі, енерго- і трудомісткі та знижують економічну ефективність зварювального виробництва. Крім цього, велика група сталей з вмістом вуглецю більше 0,5% взагалі для зварювання не рекомендована. Подальший же розвиток техніки передбачає розширення асортименту гартівних сталей в зварних конструкціях і здешевлення технологій їх зварювання.

Властивості зварного з'єднання визначаються, в основному, структурою його металу. Сучасні способи їх покращання спрямовані лише на пом'якшення умов загартування і реалізуються при охолодженні зварних з'єднань нижче 500--- оС, коли можливості впливу на формування структури мінімальні. Дослідження свідчать, що для покращання умов зварювання гартівних сталей керування структурними перетвореннями в них необхідно розпочинати ще на стадії нагріву, де визначаються

рівень гомогенності і стійкість аустеніту. Це дозволить зварювати гартівні сталі без підігріву однотипними зварювальними матеріалами. У зв'язку з цим дослідження кінетики структурних перетворень в зварних з'єднаннях на стадіях їх нагріву і охолодження і розробка методу керування нею при зварюванні гартівних сталей є актуальною.

Мета і задачі досліджень. Метою даної роботи була розробка методу керування формуванням структури і властивостей зварних з'єднань гартівних сталей з вмістом вуглецю до 0,8% при зварюванні неаустенітними матеріалами без підігріву і післязварювального відпуску.

Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити наступні задачі:

- вивчити особливості і ефективність сучасних методів покращання властивостей зварних з'єднань гартівних сталей;

- вивчити вплив хімічного складу, умов нагріву і охолодження на кінетику формування структури вуглецевих сталей;

- дослідити особливості підвищення (понад 1000 -оС/с) швидкостей нагріву металу в ЗТВ зварних з'єднань при дуговому зварюванні;

- вивчити вплив -перетворення на теплові процеси в зварних з'єднаннях вуглецевих сталей;

- дослідити вплив термоциклювання на кінетику формування структури і властивостей сталей з вмістом вуглецю до 0,8%;

- дослідити ефективність сучасних способів термоциклювання при дуговому зварюванні;

- розробити спосіб підвищення ефективності термоциклювання при дуговому зварюванні і принципи побудови обладнання для його реалізації.

Наукова новизна. Встановлено, що при дуговому зварюванні сталей з вмістом вуглецю до 0,8% найбільш доцільним і ефективним засобом впливу на формування фазового складу металу ЗТВ є регулювання стійкості аустеніту, яка визначається на стадії нагріву і залежить від тривалості нагріву вище Ас3.

Доведено, що поєднання високих (понад 1000 оС/с) швидкостей нагріву при температурах вище 200 оС і термоциклювання в інтервалі температур Тпл. - 600 оС і нижче з кількістю температурних перепадів 3-15 знижує стійкість аустеніту в сталях з вмістом вуглецю до 0,8% і зміщує його розпад в область проміжного чи дифузійного перетворень.

Встановлено, що -перетворення при нагріві зумовлює утворення в ЗТВ навколо зварювальної ванни зони з пониженою теплопровідністю, яка відіграє роль “теплового бар'єру” і сповільнює тепловідвід в основний метал. Це збільшує інерційність теплових процесів, сприяє перегріву металу в ЗТВ, а також підвищує небезпеку утворення гарячих тріщин в швах.

Встановлено, що примусове періодичне охолодження зварювальної ванни знеструмленим зварювальним дротом до температур кристалізації і нижче компенсує негативний вплив “теплового бар'єру” на формування зварного з'єднання і теплові процеси в ньому.

Запропоновано метод керування формуванням структури металу ЗТВ, який вперше дозволив зварювати сталі з вмістом вуглецю до 0,8% однотипними дротами без підігріву і післязварювального відпуску.

Практичне значення. На основі дослідження кінетики структурних перетворень в сталях в умовах швидкісного термоциклювання розроблено метод керування формуванням структури і властивостей зварних з'єднань і спосіб зварювання для його реалізації. Цей спосіб дозволяє отримувати рівноцінні за хімічним складом і властивостями з’єднання гартівних сталей з вмістом вуглецю до 0,8% без підігріву неаустенітними матеріалами.

Особистий внесок автора полягає в дослідженні: впливу стадії нагріву і термоциклювання на структурні перетворення в зварних з'єднаннях гартівних сталей (до 0,8% С); особливостей досягнення швидкостей нагріву більше 1000 оС/с при дуговому зварюванні і закономірностей утворення “теплового бар'єру” в зварному з'єднанні. Автором виявлено механізм формування структури зварного з'єднання в умовах швидкісного термоциклювання і розроблено метод керування структурними перетвореннями в них за рахунок регулювання періоду інертності розпаду аустеніту, спосіб зварювання з періодичним примусовим охолодженням зварювальної ванни і принципи побудови обладнання для його релізації.

Апробація роботи. Основні положення роботи були повідомлені на V Міжнародній науково-технічній Конференції в Тбілісі в 2000 р., на конференції “INTERWELDING' 2000” в Польщі в 2000 р., на семінарах та конференціях в Україні, Китаї, Ірані. Результати роботи випробувані при відновленні вістряків залізничних стрілок із сталі М72. Вони пройшли стандартні і польові випробування, результати яких зафіксовані актом дослідно-промислової перевірки та актом випробувань.

Публікації. Автор має 9 наукових праць, в яких викладені основні положення дисертації.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, літератури (155 джерел) і додатків. Робота викладена на 141 сторінці машинописного тексту і містить в собі 39 таблиць і 96 рисунків.

Загальний зміст роботи

У вступі  обгрунтовані наукова новизна і практична доцільність розробки методу керування формуванням структури зварних з'єднань гартівних сталей. Сформульовано мету і задачі досліджень, наведені наукові і практичні результати роботи.

Особливості застосування гартівних сталей в зварних конструкціях.

В першому розділі роботи на базі літературних даних проведено аналіз особливостей хімічного складу і властивостей гартівних сталей, розглянуто закономірності їх зварювання, а також існуючі методи покращення властивостей зварних з'єднань цих сталей.

Властивості сталей в значній мірі визначаються їх структурою, яка формується при охолодженні від температур вище Ас3. При охолодженні з швидкостями, які не менші за критичну, тобто при загартуванні, в сталях формується структура бездифузійного типу (мартенсит). Якщо швидкості охолодження менші за критичну, то в сталях формуються структури проміжного і дифузійного типів. Максимальні твердість і міцність сталі при мінімумі пластичності забезпечує мартенсит. Максимальні в'язкість і пластичність при мінімумі міцності характерні для структур дифузійного типу (ферит, перліт, сорбіт, троостит). Проміжне положення займає бейніт.

Структура сталі визначається її хімічним складом і режимом термічної обробки. Відомо, що схильність до загартування при охолодженні проявляють вуглецеві нелеговані, низько- і середньолеговані сталі з вмістом вуглецю більше 0,1%. Із зростанням кількості вуглецю в сталі ця схильність посилюється. Але при термообробці є можливість коригувати властивості гартівних сталей за рахунок відпуску. Підвищення температури відпуску зменшує міцність і твердість сталі при одночасному зростанні її пластичності і в'язкості. Змінюючи температуру відпуску після загартування, досягають задовільного поєднання міцності і пластичності сталі.

Зварюваність гартівних сталей характеризується комплексом показників. Основними з них, крім механічних властивостей, вважаються опір зварних з'єднань утворенню гарячих і холодних тріщин та крихкому руйнуванню.

Гарячі тріщини є наслідком особливостей хімічного складу сталей та умов їх зварювання. Стійкість проти їх утворення оцінюється тривалістю перебування металу шва в температурному інтервалі кристалізації. Хімічні елементи, які збільшують цю тривалість, знижують стійкість металу проти утворення гарячих тріщин і навпаки. Другим фактором, від якого залежить тривалість перебування металу в температурному інтервалі кристалізації, є тепловкладення в зварне з'єднання при зварюванні. Чим воно більше, тим довше метал перебуває в твердо-рідкому стані і тим нижча його стійкість проти утворення гарячих тріщин.

Холодні тріщини утворюються під дією зварювальних і структурних напруг в ділянках зварного з'єднання, метал яких характеризується низькою пластичністю в результаті загартування. Тобто схильність зварного з'єднання до утворення холодних тріщин також визначається хімічним складом металу і особливостями термічного впливу на нього.

Схильність до крихкого руйнування зварних з'єднань гартівних сталей залежить від температури і тривалості нагріву металу вище точки Ас3, і пов'язаного з цим росту вторинного аустенітного зерна. Температура Ас3 залежить від хімічного складу металу, а тривалість нагріву вище цієї температури - від тепловкладення в зварне з'єднання.

Таким чином, схильність гартівних сталей до утворення вказаних дефектів залежить від їх хімічного складу, особливо вмісту вуглецю, і тепловкладення в зварне з'єднання. Ці фактори визначають структуру з'єднання. Оптимізуючи їх, можна покращувати якість зварних з'єднань гартівних сталей. Підвищення стійкості металу шва проти утворення гарячих тріщин досягається за рахунок покращання його хімічного складу і обмеження погонної енергії зварювання. Стійкість зварних з'єднань проти холодних тріщин і крихкого руйнування можливо підвищити лише оптимізацією умов нагріву і охолодження зварних з'єднань. Причому, щоб запобігти загартуванню і небезпеці утворення холодних тріщин, необхідно уповільнювати охолодження зварного з'єднання. При цьому слід враховувати, що збільшення погонної енергії сприяє перегріву, підвищенню схильності до росту зерна і крихкого руйнування.

На практиці цю проблему вирішують, поєднуючи зварювання на низьких погонних енергіях з підігрівами і термічною обробкою зварних з'єднань. Метою цих методів є скорочення тривалості нагріву вище Ас3 і уповільнене охолодження нижче температури Аr3. В результаті запобігається перегрів і створюються умови для відпуску мартенситу. Досить ефективним є зварювання аустенітними дротами на малих погонних енергіях, коли в зварному з'єднанні створюється специфічний напружений стан, і мартенситне перетворення в ЗТВ зміщується в більш високотемпературні області, де можливий самовідпуск мартенситу. Ці методи дорогі, енерго- і трудомісткі, мають низьку продуктивність і направлені тільки на пом'якшення умов загартування.

Є ряд методів, заснованих на ініціюванні в зварних з'єднаннях пульсуючих термічних циклів (термоциклювання). Наприклад, багатопрохідне зварювання на малих погонних енергіях, при якому різко обмежується розвиток перегріву в високотемпературних областях і уповільнюється охолодження зварних з'єднань при розпаді аустеніту. Недоліком є неможливість її застосування при зварюванні малих товщин.

Зварювання дугою постійної потужності з поперечними коливаннями електрода та імпульсною дугою, як свідчать дослідження А.М.Макари, Д.А.Дудко, І.К.Походні, Ф.А.Вагнера, В.С.Сидорука, А.Т.Назарчука та ін. також забезпечують певне покращання властивостей зварних з'єднань за рахунок пульсуючих термічних циклів. І хоча позитивний вплив темоциклювання на зварні з'єднання гартівних сталей відомий давно, але механізм цього явища не досліджений. Не вивчена його залежність від: швидкостей нагріву, кількості температурних перепадів та їх розташування на гілках нагріву і охолодження термічного циклу, інтервалу пульсуючої зміни температур. Таким чином на даному етапі немає ефективного методу, який дозволяв би не коригувати структуру зварного з'єднання, а цілеспрямовано керувати кінетикою її утворення, забезпечуючи необхідні властивості з'єднань. Тому доцільність розробки такого методу очевидна.

Вплив теплового стану зварних з'єднань на формування їх структури.

Сучасні уявлення про формування структури зварних з'єднань пов'язують цей процес, головним чином, зі стадією його охолодження, не беручи до уваги стадію нагріву. Між тим, результати досліджень, проведених на зварних з'єднаннях гартівних сталей із застосуванням стандартних методик оптичної металографії, ділатометрії, реєстрації термічних циклів зварювання, переконливо свідчать, що формування структури в зварних з'єднаннях починається ще на стадії їх нагріву, а на стадії охолодження закінчується розпадом аустеніту. Результати цих досліджень корелюються з даними робіт М.Х.Шоршорова і В.Н.Гріднєва.

Початком формування структури зварного з'єднання можна вважати температуру Ас3, при якій завершується аустенітне перетворення і починається гомогенізація аустеніту та зростання аустенітного зерна. Ці процеси поперемінно тривають на протязі всього температурно-часового інтервалу нагріву металу зварного з'єднання вище температури Ас3. І чим триваліше перебування металу в цьому інтервалі, тим крупніше аустенітне зерно і тим більшим буде рівень гомогенності аустеніту по всьому об'єму металу, який нагрівається. А від ступеня гомогенності залежить період інертності наступного розпаду аустеніту. Тобто, на стадії нагріву фактично закладаються умови формування структури з'єднання, а температура Ас3 займає в цьому процесі одну з ключових позицій, тому що є одним з факторів, які визначають температурно-часовий інтервал росту зерна і гомогенізації аустеніту.

Температура точки Ас3 залежить від хімічного складу сталі. Найбільш інтенсивний влив на неї справляє вуглець. Криві на рис.1,а свідчать, що зростання вмісту вуглецю в сталі зумовлює інтенсивне зменшення температури Ас3 і незначне Ас1, тобто розширюється температурний інтервал росту зерна і гомогенізації аустеніту. При збільшенні вмісту вуглецю в сталі з 0,13% до 0,64% температура Ас3 зменшується з 860-865 оС до 745 оС, тобто на 115-120 оС. Відповідно розширюється температурний інтервал нагріву вище Ас3. Одночасно зменшується температура Аr3 початку дифузійного розпаду аустеніту, а температура Аr1 кінця розпаду, навпаки, помітно зростає (рис.1,б). При 0,13% С в сталі температури Ar3 і Ar1 складають 840оС і 660 оС, а при 0,64% С - 740 оС і 695 оС відповідно. Температурний інтервал Ar3 – Ar1 скорочується з 180 оС до 45 оС, тобто на 135 оС. Легуючі елементи підсилюють, або послаблюють тенденцію до зміщення дифузійних процесів в область більш низьких температур, але не змінюють її. Зростання вмісту вуглецю в сталі справляє не лише негативний, але і певний позитивний вплив на формування структури. Зменшення температури Аr3 і зростання Аr1 свідчить про прискорене протікання дифузійного розпаду в міру зростання вмісту вуглецю в сталі. Це зумовлено прискореним утворенням і збільшенням кількості центрів зародження нових фаз. Тобто, збільшення вмісту вуглецю в сталі збільшує період інертності розпаду аустеніту, але сам розпад прискорюється. |

Рис.1. Вплив вуглецю на температури критичних точок фазових перетворень

у вуглецевих сталях:

а – на стадії нагріву; б – на стадії охолодження.

Дослідження свідчать, що найбільш доцільним способом зменшення температурно-часового інтервалу росту зерна і гомогенізації аустеніту є прискорення нагріву зварного з’єднання. Це скорочує час перебування металу при температурах вище Ас3 і зменшує період інертності розпаду аустеніту.

Розрахунки за методами М. М.Рикаліна доводять, що дугове зварювання в захисних газах здатне забезпечити швидкості нагріву зварних з'єднань 1000-3000оС/с за рахунок зменшення погонної енергії зварювання (таблиця 1).

Таблиця 1. Вплив погонної енергії зварювання на швидкість

нагріву зварного з’єднання

Температура

нагріву,

Тmax, оС | Теплова потужність дуги, q, Вт | V, м/год | q/ V,

Дж/см | Тривалість

нагріву

t, с | Швидкість

нагріву

Vн, оС/с | Потужне швидкісне точкове джерело | 1390 | 8160 | 20

25

30

45

60 | 14571

11757

9831

6528

4886 | 1,61

1,30

1,09

0,72

0,54 | 863

1069

1263

1925

2574 | Потужне швидкісне лінійне джерело | 1390 | 8160 | 20

25

30

45 | 14571

11757

9831

6528 | 1,92

1,26

0,87

0,39 | 724

1103

1598

3564 |

Попередній підігрів до 200-400 оС більше ніж в 1,3 раза зменшує швидкість нагріву в ЗТВ і приблизно в стільки ж разів збільшує тривалість нагріву зварного з'єднання вище температури Ас3. Швидкість нагріву зварного з'єднання також зменшується і зі зростанням температури в ньому. Це пов'язано із зміною фазового складу і теплофізичних характеристик металу. При температурах 800-900оС в більшості вуглецевих сталей закінчується -перетворення. Аустеніт має мінімальну теплопровідність, тому в ЗТВ навколо зварювальної ванни формується зона із зниженою теплопровідністю, обмежена ізотермою Ас3. Вона відіграє роль “теплового бар'єру”, що перешкоджає відводу тепла в основний метал, збільшує інерційність теплових процесів у зварному з'єднанні, сприяє перегріву ЗТВ і збільшенню тривалості перебування металу шва в температурному інтервалі кристалізації. Негативний вплив “теплового бар'єру” на теплові процеси підтверджують термічні цикли на рис.2. При наявності “теплового бар'єру” швидкість розповсюдження тепла в основний метал менша (рис.2, а, крива 2), ніж у випадку його ліквідації примусовим охолодженням (рис.2, б, крива 2). |

Рис.2. Розповсюдження тепла в стальному стрижні у випадках:

а – існування "теплового бар’єру"; б – відсутність "теплового бар’єру".

1 – термічний цикл в зоні нагріву до 1100 оС;

2 – термічний цикл на відстані 50 мм від межі зони нагріву.

Ефективним способом послаблення негативного впливу “теплового бар'єру” на зварне з'єднання є зменшення його ширини за рахунок імпульсного нагріву. Дані таблиці 2 свідчать, що скорочення тривалості імпульсу дозволяє скорочувати “тепловий бар'єр” без зміни теплової потужності дуги.

Таблиця 2. Вплив тривалості горіння дуги на ширину зони нагріву |

Іі, А | Ui, В | V,

м/год | Тmax, оС | і,

с | Ymax,

мм | Y шва,

мм | Yт.б.,

мм | 0,75 | 340 | 32 | 20 | 768 | 0,5

1,0

1,5

2,0 | 6,65

8,14

8,95

9,40 | 5,79

6,70

6,75

6,80 | 0,86

1,44

2,20

2,60 |

Таким чином, основою для розробки методу керування формуванням структури і властивостей зварних з'єднань гартівних сталей має бути імпульсно-дуговий спосіб зварювання, який забезпечує високі швидкості нагріву в зварному з'єднанні і, як вказано вище, дозволяє реалізувати термоциклювання в зварних з'єднаннях.

Розробка методу керування процесом формування структури в ЗТВ зварних з'єднань гартівних сталей.

Вплив швидкостей нагріву і термоциклювання на кінетику структурних перетворень досліджувався на сталях типу 40ХН. З використанням швидкодіючого дилатометра імітувались квазістаціонарні і пульсуючі термічні цикли. Одночасно реєструвались дилатометричні криві.

Вплив швидкостей нагріву на структурні перетворення в сталях ілюструє рис.3. Він свідчить, що із збільшенням швидкості нагріву зростає температура Ас3 (крива 2), зміщуючи кінець аустенітного перетворення в область більш високих температур. Це скорочує температурний інтервал перегріву металу, обмежує гомогенізацію аустеніту і зменшує період інертності його розпаду. Такий аустеніт має бути нестійким і температури його розпаду повинні зростати. Але, як свідчать криві 3 і 4, 5 і 6 на рис.3, це зростання незначне і не виходить за межі температурного інтервалу мартенситного перетворення навіть при швидкостях нагріву, близьких до 3000 оС/с. Причиною є те, що при зварюванні одночасно із зростанням швидкості нагріву зростають швидкості охолодження зварного з'єднання. Це гальмує розпад аустеніту. Тобто, досягнутого зменшення періоду інертності недостатньо для подолання негативного впливу швидкостей охолодження на кінетику розпаду аустеніту.

Рис.3. Вплив швидкостей нагріву на температури фазових перетворень в сталі

типу 40ХН: 1 і 2 – початок і кінець аустенітного перетворення; 3 і 4 - по-

чаток і кінець розпаду аустеніту при Vо=105оС/с в температурному інтер- валі 800-600оС; 5і 6 – початок і кінець розпаду аустеніту при Vо=85оС/с в температурному інтервалі 800-600оС;

Вирішити дану задачу дозволяє поєднання високих швидкостей нагріву з термоциклюванням. Наведені в таблиці 3 дані свідчать, що у цьому випадку можна зміщувати розпад аустеніту в різні температурні області: бездифузійну, проміжну і дифузійну. Тобто забезпечується таке зменшення періоду інертності, при якому розпад аустеніту може зміщуватись у високотемпературні області, незважаючи на високі швидкості охолодження зварного з'єднання. Це дозволяє створити ефективний механізм впливу термоциклювання на кінетику формування структури в зварних з'єднаннях. Високі (більше 1000 оС/c) швидкості нагріву різко скорочують температурно-часовий інтервал нагріву металу вище температури Ас3. В результаті обмежується рівень гомогенності аустеніту. Наступне термоциклювання збільшує рівень негомогенності аустеніту і різко зменшує період інертності його розпаду. В результаті аустеніт починає розпадатись при незначних переохолодженнях, і його розпад протікає в високотемпературних областях. Температурою розпаду аустеніту можна керувати, змінюючи рівень його негомогенності і період інертності розпаду.

Таблиця 3. Вплив термоциклювання на температури початку і кінця

розпаду аустеніту

Температури

початку (Тп.) і кінця (Тк.) розпаду аус-

теніту, оС | Інтервали термоциклювання, оС

1300 –1000 | 1300 –800 | 1300 –600 | Кількість температурних

перепадів | Кількість температурних

перепадів | Кількість температурних

перепадів | 2 | 4 | 6 | 8 | 2 | 4 | 6 | 8 | 2 | 4 | 6 | 8 | Швидкість нагріву 1000 оС/с | Тп.

Тк. | 295

150 | 305

155 | 310

160 | 325

175 | 315

155 | 330

165 | 345

175 | 365

180 | 325

175 | 340

180 | 360

190 | 380

200 | Швидкість нагріву 1500 оС/с | Тп.

Тк. | 300

170 | 325

185 | 340

200 | 365

210 | 335

185 | 380

200 | 405

215 | 425

235 | 405

225 | 430

235 | 455

245 | 475

260 | Швидкість нагріву 2000 оС/с | Тп.

Тк. | 310

175 | 340

195 | 360

215 | 390

230 | 345

195 | 400

215 | 430

230 | 460

255 | 425

240 | 455

255 | 485

270 | 515

290 |

Проведені дослідження показали, що факторами, від яких залежить період інертності розпаду аустеніту, є швидкість нагріву, кількість температурних перепадів в період термоциклювання і температурний інтервал, в якому відбуваються циклічні зміни температур. Залежність тут така, що чим більші швидкість нагріву і кількість температурних перепадів, а також чим ширший інтервал термоциклювання, тим при більш високих температурах відбувається розпад аустеніту, і тим кращими будуть показники структури металу зварного з'єднання.

Помітні позитивні зміни у процесі формування структури досягаються при швидкостях нагріву не менше 1000 оС/с, кількості температурних перепадів не менше трьох та інтервалі термоциклювання Тпл. - 1000 оС.

Дослідження із застосуванням стандартних методик реєстрації термічних циклів і оптичної металографії показали, що існуючі способи зварювання мають обмежені можливості для реалізації термоциклювання. Вони не враховують негативного впливу “теплового бар'єру” на інерційність теплових процесів. Тому був розроблений спосіб зварювання з періодичним примусовим охолодженням зварювальної ванни. Він дозволив компенсувати негативний вплив “теплового бар'єру” на теплові процеси в зварних з'єднаннях і підвищити ефективність термоциклювання до рівня достатнього для здійснення розробленого методу при зварюванні. Одночасно були розроблені принципи побудови обладнання для реалізації даного способу зварювання. Розроблений спосіб зварювання забезпечує необхідну ефективність термоциклювання незалежно від кількості проходів, про що свідчить термічний цикл на рис.4. При однопрохідному зварюванні товщин більше 6 мм для підтримання високої ефективності термоциклювання доцільно поєднувати періодичне примусове охолодження зварювальної ванни з активацією дуги в імпульсі. Вона в 2 і більше разів підвищує проникаючу здатність дуги (глибину проплавлення) без збільшення її теплової потужності. При однаковій глибині проплавлення (10 мм) активація дуги забезпечує зменшення, не менше ніж в 2,7 раза, погонної енергії зварювання і приблизно в стільки ж разів скорочує “тепловий бар’єр”. Це, в поєднанні з періодичним примусовим охолодженням зварювальної ванни різко зменшує інерційність теплових процесів в зварному з’єднанні і дозволяє підвищувати ефективність термоциклювання при однопрохідному зварюванні металу підвищеної товщини.

Рис.4. Термічний цикл ЗТВ при однопрохідному зварюванні з періо-

дичним примусовим охолодженням зварювальної ванни

Технологічні можливості зварювання з періодичним примусовим охо-лодженням зварювальної ванни.

Дослідження технологічних можливостей зварювання з періодичним примусовим охолодженням зварювальної ванни проводились на сталях типу 30ХГСА, 35ГС, 40ХН, М72 (до 0,8% С) за стандартними методиками оптичної металографії, реєстрації термічних циклів зварювання, механічних випробувань і визначення тріщиностійкості шва і ЗТВ. Результати цих досліджень показали, що даний спосіб зварювання дозволяє формувати в зварних з'єднаннях різні типи термічних циклів (рис.5) в залежності від поєднання таких параметрів, як швидкість зварювання і тривалість паузи. Такі можливості регулювання теплового стану зварного з'єднання дозволяють при зварюванні високовуглецевої сталі М72 (0,78%С) формувати структури, які представляють собою суміш бейніту, перліту, фериту і трооститу (рис.6) з переважаючим вмістом продуктів дифузійного розпаду аустеніту і дрібним зерном (до 9-11 балів по ГОСТ 5639—82). В той час, як дана сталь віднесена до групи не рекомендованих для зварювання.

Керування процесом формування структури в зварних з'єднаннях дозволяє регулювати їх властивості в широких межах. В таблиці 4 наведені властивості зварних з'єднань сталі М72, виконаних високовуглецевим пружинним дротом 65Г. Порівняння їх з механічними властивостями основного металу свідчать, що при однаковій міцності зварні з'єднання в 2,0-5,5 рази переважають основний метал по ударній в'язкості (KCV). Випробування, проведені на технологічних пробах по ГОСТ 26388-88 тип VI і VIII, свідчать про високу стійкість проти виникнення холодних тріщин в зварних з'днаннях, структура яких утворилась в результаті дифузійного і проміжного розпаду аустеніту. Висока стійкість проти утворення холодних тріщин забезпечується і тоді, коли розпад аустеніту починається в проміжній області, а закінчується в бездифузійній з утворенням не більше 50% мартенситу. Періодичне примусове охолодження зварювальної ванни справляє позитивний вплив і на стійкість зварного з'єднання проти утворення гарячих тріщин. Як свідчать результати випробувань на технологічних пробах по ГОСТ 26389-84 тип 9а і 9б, при повній періодичній кристалізації ванни гарячі тріщини не виникають навіть при зварюванні високовуглецевих сталей типу М72 пружинними дротами типу 65Г. Якщо ванну при цьому не тільки періодично кристалізувати, але і переохолоджувати, нижче цієї температури до 600-400 оС, то стійкість проти утворення гарячих тріщин зростає ще більше. |

Рис.5. Термічні цикли ЗТВ зварного з’єднання при зварюванні з періодичним

примусовим охолодженням зварювальної ванни на відстані 0,4-0,6 мм

від межі сплавлення (qі=7680 Вт, фі=1 с, фп=1 с, dе=1,2 мм):

а - Vі.=9,8 м/год; б - Vі.=30 м/год; в - Vі.=60 м/год; г - Vі.=80 м/год

Результати досліджень, отримані в процесі виконання даної роботи, покладені в основу ряду технологічних розробок. Із застосуванням методу керування формуванням структури зварних з'єднань були розроблені технологія відновлення вістряків залізничних стрілок із сталі М72 (до 0,78% С) і технологія зміцнення ріжучого краю дискових борон із сталі 65Г. Технологія відновлення вістряків пройшла дослідно-промислову перевірку, а самі відновлені вістряки пройшли польові випробування в приймально-відправочних коліях залізниці. Розроблений метод покладено також в основу технології зварювання елементів теплових мереж з емальованою внутрішньою поверхнею.

Рис.6. Мікроструктура в ЗТВ зварного з’єднання сталі М72:

суміш бейніту, фериту, перліту і трооститу (х 400)

Таблиця 4. Механічні властивості зварних з’єднань сталі М72,

виконаних дротом 65Г з термоциклюванням

№ зварного

з’єднання | Інтервал

термоцик-

лювання,оС | Ділянка

зварного

з’єднання | т,

МПа | в,

МПа | КСU,

Дж/см2 | КСV,

Дж/см2 | Основний

метал | 516 | 1004 | 10,0 | 3,7 | 1 | 1350-450 | Шов

ЗТВ | 684

705 | 1005

1040 | 32,5

25,0 | 20,6

16,3 | 2 | 1350-500 | Шов

ЗТВ | 702

710 | 1040

1040 | 22,5

22,5 | 17,5

16,3 | 3 | 1350-650 | Шов

ЗТВ | 746

785 | 1061

1065 | 15,0

11,3 | 8,7

6,2 | 4 | 1350-950 | Шов

ЗТВ | 935

1090 | 1245

1325 | 8,6

7,3 | 2,7

2,0 |

Загальні висновки

1. Застосування існуючих методів покращання властивостей зварних з'єднань розраховано переважно на сталі з вмістом вуглецю до 0,4-0,5%. Ці методи реалізуються, в основному, на стадії охолодження при температурах нижче 500 оС, коли ефективність впливу на фазові перетворення мінімальна, і не враховують процесів на стадії нагріву зварного з'єднання.

2. Формування структури в вуглецевих сталях починається на стадії нагріву, в температурно-часовому інтервалі вище Ас3. Тут визначається рівень гомогенності, стійкість і період інертності розпаду аустеніту, від яких залежить кінетика структурних перетворень на стадії охолодження. Тому, для дестабілізації аустеніту доцільно скорочувати температурно-часовий інтервал вище Ас3 за рахунок прискорення нагріву зварного з'єднання.

3. Зменшення погонної енергії при дуговому зварюванні плавким електродом в середовищі захисних газів супроводжується зростанням швидкостей нагріву в ділянці поліморфних перетворень ЗТВ до 1000-3000 оС/с при температурах вище 200 оС. Попередній підігрів до 200-400 оС більш ніж в 1,3 раза зменшує швидкість нагріву і приблизно в стільки ж разів розширює температурно-часовий інтервал нагріву металу вище Ас3.

4. Нагрів металу навколошовної зони зі швидкостями 1000-3100 оС/с супроводжується підвищенням температури Ас3 для сталей типу 40ХН на 100-300оС. Поєднання таких швидкостей нагріву з термоциклюванням в інтервалі температур Тпл. - 600 оС і нижче з кількістю температурних перепадів до 15 при зварюванні гартівних сталей (до 0,8% С) дротом типу 65Г забезпечує в зварному з'єднанні дрібнозернисті (до 9-11 балів по ГОСТ5639-82) структури типу бейніту, трооститу, перліту і фериту. При цьому в 2,0-5,5 раза, порівняно з основним металом, збільшується ударна в'язкість (KCV) і зростає тріщиностійкість шва і ЗТВ.

5. В результаті -перетворення (800-900 оС) в ЗТВ навколо зварювальної ванни формується зона із зниженою теплопровідністю, яка відіграє роль “теплового бар'єру” і перешкоджає відводу тепла із зварювальної ванни. Це збільшує інерційність теплових процесів в зварному з'єднанні, перешкоджає термоциклюванню, сприяє перегріву ЗТВ і підвищує небезпеку утворення гарячих тріщин в шві.

6. Для компенсації негативного впливу “теплового бар'єру” на теплові процеси в зварному з'єднанні був розроблений спосіб зварювання з періодичним примусовим охолодженням зварювальної ванни і принципи побудови обладнання для його реалізації. Він забезпечує швидкості нагріву більше 1000 оС/с і термоциклювання зварного з'єднання в інтервалі температур Тпл.-600 оС і нижче з 3-15 температурними перепадами незалежно від кількості проходів.

7. Для однопрохідного зварювання з періодичним примусовим охолодженням зварювальної ванни металу товщиною більше 6 мм доцільна активація дуги в імпульсі. Вона збільшує глибину проплавлення більше ніж в 2 рази без збільшення теплової потужності дуги.

8. Розроблено метод керування формуванням структури і властивостей зварних з'єднань гартівних сталей, який заснований на регулюванні рівня гомогенності і періоду інертності розпаду аустеніту, забезпечує контроль над структурними перетвореннями в зварному з'єднанні і дозволяє зварювати без підігріву сталі з вмістом вуглецю до 0,8% однорідними матеріалами, а також нові технології дугового зварювання сталей з вмістом вуглецю до 0,8% однотипними дротами без підігріву.

Основний зміст роботи відображено в публікаціях:

1. Особенности структуры и свойств сталей с повышенным содержанием углерода в сварных соединениях, формируемых с термоциклированием/ Д.А.Дудко, А.М.Савицкий, В.Г.Васильев, Д.П.Новикова// Автомат.сварка.- 1996. - № 2. С. 6-10.

2. Дудко Д.А., Савицкий А.М., Савицкий М.М. Сварка плавящимся электродом в защитных газах с применением активирующего флюса// Автомат. сварка. - 1996. - № 10. С. 54-55.

3. Особенности тепловых процессов при сварке с термоциклированием/ Д.А.Дудко, А.М.Савицкий, М.М.Савицкий, Е.М.Олейник// Автомат.сварка. - 1998. - № 4. С. 8-12.

4. Восстановление остряков железнодорожных стрелочных переводов наплавкой со сложным термоциклом/ Д.А.Дудко, А.М.Савицкий, М.М.Савицкий, В.Ф.Поликарпов, В.Л.Савицкий// Автомат.сварка. - 1999. - № 4. С. 8-12.

5. Савицкий А.М., Савицкий М.М., Дудко Д.А. Влияние параметров режима сварки на скорость нагрева металла в околошовной зоне// Автомат. сварка. - 2000. - №11 - С. 21-24.

6. Савицкий М.М., Мельничук Г.М., Лупан А.Ф., Савицкий А.М., Олейник О.И. Сварка стали в инертном газе с активаторами// Проблемы сварки металлургии и родственных технологий - Тбилиси: Ассоциация сварщиков Грузии. - 2000. - С. 126-144.

7. DydkoSavitskiiSavitskii М.M. electrode welding in shielding gases using an activating flux// The Paton Welding J.-1996.- № 10. - P. 599-601.

8. M.G.A.A. Sawitckij, O. Olejnik. Spawanie stali w oslonie gazow obojetnych z uzyciem topnikow aktywujacych// Biulttyn Institutu spawalnictwa w Gliwicach. - 2000. - № 5 - Р. 61-66.

9. Special features of thermal processes in welding with thermal cycling/ D.ko, A. Savitskii, M. E.The Paton Welding J. - 1998. - № 4 - P. 172-177.

АНОТАЦІЯ

Савицький О.М. Керування структурою і властивостями металу при дуговому зварюванні гартівних сталей. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.06 – “зварювання та споріднені технології”. - Інститут електрозварювання ім.Є.О.Патона НАН України, Київ, 2001.

Дисертацію присвячено питанням покращання умов зварювання гартівних сталей. В ній теоретично обгрунтовано і розроблено метод керування формуванням структури і властивостей в зварних з'єднаннях сталей з вмістом вуглецю до 0,8%, що забезпечує можливість їх зварювання без підігріву близькими за хімічним складом дротами. Особливістю даного методу є регулювання рівня гомогенності аустеніту і періоду інертності його розпаду. В результаті в зварних з'єднаннях цілеспрямовано формуються дрібнозернисті пластичні структури, стійкі проти крихкого руйнування і утворення тріщин. Розроблено спосіб зварювання з періодичним примусовим охолодженням зварювальної ванни для реалізації даного методу.

Метод пройшов дослідно-промислову перевірку при відновленні вістряків залізничних стрілок. На його базі розроблені технології відновлення вістряків залізничних стрілок із сталей М72, зварювання елементів теплових мереж з емальованими внутрішніми поверхнями, зміцнення ріжучого краю дискових борін із сталі 65Г.

Ключові слова: дугове зварювання, структура металу, гартівні сталі, гомогенність аустеніту, період інертності розпаду аустеніту, періодичне примусове охолодження зварювальної ванни.

ABSTRACT

Savitsky A.M. Control of structure and properties of metals in arc welding of hardening steels. – Manuscript.

Thesis for a Candidate of Technical Sciences degree in speciality 05.03.06 – Welding and Related Technologies. – E.O.Paton Electric Welding Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2001.

The thesis is dedicated to issues associated with improvement of conditions of welding of hardenable steels. It provides a theoretical substantiation and describes the method for controlling the structure and properties of welded joints in steels with a carbon content of up to 0.8 %, which allows their welding without preheating to materials with a close chemical composition. The method is characterized by the possibility to regulate the level of homogeneity of austenite and the period of inertness of its decomposition. This results in an intended formation of fine-grained ductile structures in welded joints, which are resistant to brittle fracture and cracking. The procedure of welding with periodical forced cooling of the weld pool has been developed for implementation of the above method.

The method has passed experimental-industrial validation while being applied for repair of railway frogs. It was used as the basis for development of the technology for repair of frogs made from steel M72, welding of elements of heating systems with internal enameled surfaces, and hardening of cutting edges of disk harrows of steel 65G.

Key words: arc welding, structure of metal, hardenable steels, homogeneity of austenite, period of inertness of austenite decomposition, periodic forced cooling of the weld pool.

АННОТАЦИЯ

Савицкий А.М. Управление структурой и свойствами металла при дуговой сварке закаливающихся сталей. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06 – “сварка и родственные технологии”. - Институт электросварки им.Е.О.Патона НАН Украины, Киев, 2001.

Диссертация посвящена вопросам улучшения условий сварки закаливающихся сталей с содержанием углерода до 0,8%. В ней на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований показано, что формирование структуры сварных соединений начинается на стадии их нагрева при температурах выше Ас3, где определяются уровень гомогенности аустенита и период инертности его распада. От этих факторов зависит кинетика структурных превращений в сварных соединениях на стадии их охлаждения. Следовательно управлять распадом аустенита можно, регулируя уровень его гомогенности и период инертности распада. Для этого необходимо сокращать температурно-временной интервал выше Ас3 за счет повышения скоростей нагрева сварного соединения.

Одновременно установлено, что по мере увеличения содержания углерода в стали ускоряются диффузионные процессы на стадии ее охлаждения, т.к. ускоряется возникновение и увеличивается количество центров зарождения новых фаз.

В работе доказано, что при дуговой сварке плавящимся электродом в защитных газах в сварном соединении могут достигаться скорости нагрева 1000-3000 оС/с. Исследование влияния таких скоростей нагрева на температуры критических точек показало, что повышение скорости нагрева до 1000-3100 оС/с увеличивает температуру Ас3, например, для сталей типа 40ХН на 100-300 оС. Это сокращает температурно-временной интервал роста зерна и гомогенизации аустенита. Но, как показали дальнейшие исследования, этого недостаточно для управления формированием структуры, т.к. при сварке одновременно со скоростями нагрева увеличиваются и скорости охлаждения. Это тормозит распад аустенита, смещая его в мартенситную область. Решить поставленную задачу позволяет сочетание высоких скоростей нагрева и термоциклирования. На базе этих исследований разработан метод управления формированием