Влияние отжига на формирование микроструктуры и свойства сварных соединений, полученных при лазерной сварке полос из низкоуглеродистых сталей

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

УДК 621.77

Голубчик Э.М., Копцева Н.В., Мешкова А.И., Ефимова Ю.Ю., Никитенко О.А., Медведева Е.М.

ВЛИЯНИЕ ОТЖИГА НА ФОРМИРОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКЕ ПОЛОС ИЗ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ*

Аннотация. Рассмотрены вопросы формирования лазерного сварного соединения при укрупнении холоднокатаных полос в условиях непрерывных технологических агрегатов в новом комплексе холодной прокатки ОАО «ММК». Представлены результаты металлографических исследований зоны сварного шва в металлопрокате из низкоуглеродистых марок стали, подвергнутого непрерывному отжигу в агрегате АНО.

Ключевые слова: лазерная сварка, полоса, микроструктура, микротвердость, отжиг.

В современной России важными аспектами дальнейшего развития экономики является внедрение и освоение передовых мировых технологий и тенденций на отечественных промышленных предприятиях. На одном из ведущих предприятий металлургической отрасли России ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ММК) ведется освоение новейшей технологии производства современных и перспективных видов холоднокатаной продукции для автомобильной, строительной отраслей промышленности, производства товаров широкого потребления. Летом 2012 г. в листопрокатном цехе № 11 (ЛПЦ-11) ММК была запущена в строй 2-я очередь, включающая агрегат непрерывного отжига, совмещенный с агрегатом непрерывного горячего цинкования (АНО/АГЦ), новый агрегат непрерывного горячего цинкования холоднокатаных полос (АНГЦ-3) и линию инспекции (АН). Особенностью технологий, осваиваемых в новом комплексе холодной прокатки ММК, явилось применение в головных частях всех линий процесса укрупнения рулонов методом лазерной сварки на сварочных машинах лазерного типа CSLH19 фирмы Miebach. Данный вид технологической операции впервые применен на отечественном прокатном производстве [1]. В мировой практике такой принцип соединения прокатанных полос для формирования бесконечной полосы признан одним из самых современных и перспективных методов соединения металлов, привлекающих внимание в последние годы.

* Работа проведена в рамках реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, выполняемого с участием российского высшего учебного заведения (договор № 02.G25.31.0040; программы стратегического развития университета на 2012-2016 гг. (конкурсная поддержка Минобразования РФ программ стратегического развития ГОУ ВПО), а также гранта в форме субсидии на поддержку научных исследований (соглашение № 14.В37.21.0068).

Формирование сварочной ванны и структуры металла шва при лазерной сварке подчиняется общим закономерностям, присущим процессу кристаллизации металла. При этом возникает широкий спектр структур и свойств сварных соединений [2, 3]. Именно поэтому сварку можно считать одним из ведущих технологических процессов, применимых для большинства отраслей промышленности. Однако следует отметить, что в процессах лазерной сварки характер образования сварочной ванны и ее форма как в продольном, так и поперечном сечениях отличается от аналогичных параметров при традиционной дуговой сварке. При этом кристаллическая структура формирующегося сварного соединения имеет большое значение для обеспечения требуемых свойств продукции.

Отсутствие опыта лазерной сварки рулонного металлопроката в технологических потоках вызвало необходимость проведения ряда металлографических исследований сварных соединений холоднокатаной стали, выполненных в линии АНО/АГЦ. Кроме того, возникла необходимость оценки свойств сварного шва, полученного лазерной сваркой и подвергнутого непрерывному рекристаллизационному отжигу для возможности отгрузки рулонного металлопроката со сварным соединением потребителю. В связи с вышесказанным, целью данной работы явилось исследование кристаллических зон в сварных соединениях, полученных при лазерной сварке рулонного металлопроката и последующем отжиге. Учитывая новизну процесса лазерной сварки, на первом этапе исследования проводились на металлопрокате из низкоуглеродистых сталей, на примере марки 08пс.

Работа выполнялась на образцах сварных соединений листовой стали марки 08пс толщиной 0,8 мм, прошедших полную обработку на агрегате АНО, т.е. металл после лазерной сварки был отожжен. Комплекс металлографических исследований был проведен с использованием светового микроскопа Meiji Techno при увеличении от 50 до 1000 крат. Испыта-

иия микротвердости осуществляли на твердомере ВиеЫег Мюгоше! методом вдавливания алмазной пирамиды с углом между противоположными гранями 136° в соответствии с ГОСТ 9450-76. Микротвердость измерялась в поперечном сечении нетравленых шли -фов в направлении от оси сварного шва к основному металлу в трех зонах по толщине полосы: на перифе-рии вблизи каждой из поверхности полосы со стороны широкой части шва (ряд 1) и со стороны узкой части шва (ряд 3), а также по средней линии сечения (ряд 2), как показано на рис. 1. Замеры выполнялись до тех пор, пока не достигали твердости основного (свариваемого) металла.

ф' - -И- —И - ш и

Свариваемый Сварной

.♦.......................

металл шов \

Рис. 1. Схема расположения точек измерения микротвердости

Результаты исследования показали, что распределение микротвердости в сварном соединении в центре и на периферии поперечного сечения (т.е. по толщине листа) практически идентично и в кромочной, и в центральной части листа (рис. 2). Построенные кривые распределения микротвердости позволили также установить, что после отжига листа со сварным соединением зона разупрочнения ни в сварном шве, ни в околошовной области не наблюдается.

Особенности микроструктуры сварного шва и околошовной зоны после осуществления лазерной сварки полосы из стали 08пс без проведения предварительной и окончательной термической обработки (нагрева) зоны шва иллюстрирует рис. 2. В структуре отчетливо идентифицируются следующие структурные зоны: 1 - зона кристаллизации сварного шва, 2 - зона перегрева и роста зерна, 3 - зона нормализации, 4 - зона основного металла и 5 - зона основного металла, не подвергавшегося термическому воздействию тепла сварочной ванны.

Микроструктура сварного соединения после ре-кристаллизационного отжига полосы в агрегате АНО в кромочной и в центральной части полосы из стали марки 08пс приведена на рис. 3. При металлографическом анализе было выявлено, что в области сварного соединения наблюдаются следующие зоны: 1 - зона кристаллизации сварного шва, 2 - зона перегрева, 3 -зона нормализации и 4 - зона основного отожженного (рекристаллизоваиного) металла.

Рис. 2. Панорамная микрофотография микроструктуры в поперечном сечении сварного соединения, полученного лазерной сваркой полосы стали марки 08пс без термической обработки зоны шва

б

Рис. 3. Микроструктурные зоны лазерного сварного соединения отожженного металлопроката из стали марки 08пс в центральной (а) и кромочной части (б) поперечного сечения полосы

Протяженность каждой зоны, определенная по средней линии сварного соединения, во всех исследованных образцах оказалась примерно одинаковой (см. таблицу). Суммарная протяженность зон сварного шва и околошовной зоны, которая подвергалась тепловому воздействию при формировании сварного шва, в образцах после сварки и после отжига полосы различается незначительно и составляет от 0,71 до 0,76 мм.

Анализ результатов исследований показал, что после отжига микротвердость зоны сварного соединения концов полос, по сравнению с исходным состоянием непосредственно после лазерной сварки, уменьшилась, и ее распределение в различных зонах по толщине полосы стало более однородным (рис. 4, 5). При этом как в центральной, так и в кромоч-

ной частях полосы по ее ширине распределение микротвердости носит практически идентичный характер. Построенные кривые распределения микротвердости позволили также определить, что зона разупрочнения после отжига практически отсутствует.

Протяженность структурных зон лазерного сварного шва и околошовной зоны в металлопрокате из стали марки 08пс

Топография места исследования образца Протяженность структурных зон сварного шва и околошовной зоны (считая от оси сварного шва), мм

кристал- лизации пере- грева норма- лизации рекрис- талли- зации суммарная

После лазерной сварки полосы -головная часть АНО/АГЦ

После отжига полосы -хвостовая часть АНО/АГЦ кромка 0,38 0,34 0,06 - 0,76

центр 0,33 0,3 0,08 - 0,71

шовной области не наблюдается. Кроме того, анализ распределения значений микротвердости в зоне сварного шва на разных стадиях обработки холоднокатаной полосы выявил следующее:

- непосредственно после лазерной сварки концов нагартованых полос из низкоуглеродистой стали марки 08пс (исходное состояние) микротвердость сварного шва (на его оси) в центральной части по ширине полосы больше микротвердости основного металла на 320 МПа;

- после непрерывного отжига в кромочной части по ширине полосы микротвердость сварного шва (на его оси) больше микротвердости основного металла на 605 МПа, а в центральной части - на 347 МПа.

га

С

л

н

о

о

ч

л

(и

И

н

о

л

И

8

2500

2000

1500

1000

500

0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Расстояние от оси шва, мм

Сопоставление значений микротвердости зоны лазерного сварного соединения и основного металла полос из стали марки 08пс после отжига представлено на рис. 6.

га

С

л

н

о

о

ч

а

(Ц

м

н

о

а

и

8

3000

2500

2000

1500

1000

500

0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Расстояние от оси шва, мм

Рис. 4. Распределение микротвердости в различных зонах сварного соединения по сечению полосы непосредственно после лазерной сварки

Проведенные исследования позволили установить, что после непрерывного отжига полос со сварным соединением, полученным лазерной сваркой, зона разупрочнения ни в сварном шве, ни в около-

ТО

С

л

н

о

о

ч

а

(Ц

м

н

о

а

и

8

2500

2000

1500

1000

500

0

т—і—і 1—і 1—і—і—і—і—г

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Расстояние от оси шва, мм

Рис. 5. Распределение микротвердости лазерного сварного соединения вблизи поверхности полосы со стороны широкой части шва (ряд 1), вблизи поверхности полосы со стороны узкой части шва (ряд 3) и по средней линии сечения (ряд 2) в поперечном сечении полосы после рекристаллизационного отжига: а - в центральной части ширины полосы; б - в кромочной части ширины полосы

Таким образом, градиент значений микротвердости основного металла и зоны сварного шва после отжига составляет 6,5-9%, в то время как в исходном состоянии непосредственно после лазерной сварки разница достигает 15%.

л

н

о

о

4 а <и « н о &

5

2800

2400

2000

Іб00

І200

800

400

0

кромка полосы после отжига

центр полосы после отжига

центр полосы после сварки

ЕЗ максимальная твердость сварного шва 5^ минимальная твердость сварного шва Н твердость основного металла

разница между максимальной твердостью шва и основным металлом

Рис. 6. Микротвердость лазерного сварного соединения полосы из стали 08пс после непрерывного рекристаллизационного отжига

Выводы

Проведенные исследования по характеру формирования микроструктуры и свойств сварных соединений концов холоднокатаных полос, полученных методом лазерной сварки и подвергнутых рекристаллиза-ционному отжигу в агрегате АНО/АГЦ ММК, позво-

лили сформулировать следующие основные выводы:

1. Суммарная протяженность всех зон сварного шва и околошовной зоны в кромочной и центральной части отожженной полосы по ее ширине различается незначительно.

2. Характер распределения микротвердости по толщине полосы как в кромочной, так и в центральной ее части практически одинаков.

3. Разупрочнение металла как непосредственно после формирования лазерного сварного соединения, так и при последующем отжиге ни в кромочной, ни в центральной частях полосы не наблюдается.

Авторы выражают благодарность С.А. Лукьянову, А.В. Горбунову, К.В. Смирнову, P.P. Курамшину за оказанное содействие и помощь в организации и проведении исследований.

Списоклитературы

Дубровский Б.А., Шиляев П. В., Ласьков С. А., Горбунов А.В., Лукьянов С.А., Голубчик Э.М. Освоение технологий производства проката в новом комплексе холодной прокатки // Сталь. 2012. № 2. С. 63-65. Ефименко Л.А., Прыгаев А.К., Елагина О.Ю. Металловедение и термическая обработка сварных соединений: учеб. пособие. М.: Логос, 2007. 456 с.

Малащенко А.А., Мезенов А.В. Лазерная сварка металлов. М.: Машиностроение, 1984. 44 с.

INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH

EFFECT OF ANNEALING ON MICROSTRUCTURE AND PROPERTIES OF WELDED JOINTS PRODUCED BY LASER WELDING OF LOW CARBON STEEL STRIPS

Golubchik E.M., Kopceva N.V., Meshkova A.I., Efimova J.J., Nikitenko O.A., Medvedeva E.M.

Abstract. Questions of formation of laser welded joints in cold-rolled strips in a larger continuous technological units are investigated, a new cold rolling mill JSC «MMK». Metallografic investigation results of welding zone in low carbon rolled steel after continuous annealing using ANO are presented.

Keywords: laser welding, band, microstructure, microhardness, annealing.

References

1. Dubrovsky B.A., Shilyaev P.V., Las'kov S.A., Gorbunov A.V., Lukyanov S.A.,

Golubchik E.M. Osvoenie tehnologij proizvodstva prokata v novom kom-plekse holodnoj prokatki. [Mastery rolled steel produced in a new cold rolling mill complex]. Stal'. [Steel], 2012, no.2. pp. 63-65.

Efimenko L.A., Prygaev A.K., Elagina O.Yu. Metallovedenie i termich-eskaya obrabotka svarnykh soedinenii. [Physical metallurgy and heat treatment of welded joints: Instructional. allowance]. Moscow: logos, 2007, 456 p.

Malashenko A.A., Mezenov A.V. Lazernaya svarka metallov. [Laser welding of metals]. Moscow: Mashinostroenie, 1984. 44 p.

УДК 669.15-196.58’26’292: 621.785.616 Корягин Ю.Д., Окишев К.Ю., Созыкина А.С.

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕРОДА И РЕЖИМА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА ФАЗОВЫЙ СОСТАВ ХРОМОВАНАДИЕВЫХ ЧУГУНОВ

Аннотация. Рассмотрено влияние содержания углерода и температуры нагрева под закалку на твёрдость и количество остаточного аустенита износостойких чугунов, содержащих 14% хрома и 3% ванадия. Предложена модель для прогнозирования изменения структурного состава и твёрдости высокоуглеродистых хромованадиевых сплавов в зависимости от температуры нагрева под закалку.

Ключевые слова: хромованадиевые сплавы, закалка, температура нагрева под закалку, твердость, остаточный аустенит.