Формирование структуры и свойств сварных соединений в условиях регулируемого тепловложения при импульсно-дуговой сварке

Формирование структуры и свойств сварных соединений в условиях регулируемого тепловложения при импульсно-дуговой сварке

Ю.Н. Сараев, И.М. Полетика, А.В. Козлов, Е.Г. Хомченко

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия

В работе исследованы основные физико-механические свойства сварных соединений из жаростойкой стали 12Х1МФ. Изучено влияние импульсного процесса сварки на структуру и свойства слоев сварного шва и зону термического влияния. Установлено повышение однородности и дисперсности структуры в этих зонах, сопровождающееся повышением прочности и ударной вязкости.

Formation of structure and properties of welds in the conditions of heat input during pulse welding

Yu.N. Saraev, I.M. Poletika, A.V Kozlov, and E.G. Khomchenko

Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, 634021, Tomsk, Russia

The paper considers the main physico-chemical properties of welds of heat-resistant steel 12Cr1MoV. The effect of pulse welding on the structure and properties of weld layers and the heat-affected zone is studied. It is found that structure homogeneity and dispersity in these zones increases along with increasing strength and impact toughness.

1. Введение

В последние годы все возрастающие требования к техногенной, природной и экологической безопасности привели к выделению из общепринятых и решаемых проблем прочности, ресурса и безопасности проблемы живучести как одной из главных в обеспечении защищенности функционирующих технических и трубопроводных систем от аварийных ситуаций. Эти системы входят в перечень критически важных для безопасности объектов и обеспечивают их бесперебойную работу [1].

Под живучестью технических и трубопроводных систем понимается их способность не переходить из штатного в аварийное состояние с нанесением существенного ущерба. При этом их живучесть определяется живучестью критических несущих элементов. Такими элементами являются сварные соединения труб, изде-

лий и конструкций, входящих в подобные системы. Длительная эксплуатация энергетических объектов при высоких температурах и давлениях приводит к изнашиванию паропроводов из теплоустойчивых хромомолибденованадиевых сталей и их преждевременному разрушению.

Отличительной чертой теплоустойчивых сталей является то, что они относятся к группе термически упрочняемых и обладают высокой чувствительностью к скоростям охлаждения ниже температуры аустенизации. Это определяет необходимость строго регламентировать скорость охлаждения материала после сварки, что, в свою очередь, определяется уровнем тепловложений. В этой связи актуальна разработка технологических процессов, обеспечивающих регулируемое тепловло-жение при сварке.

© Сараев Ю.Н., Полетика И.М., Козлов А.В., Хомченко Е.Г., 2005

Одним из перспективных путей решения данной проблемы является разработка адаптивных импульсных процессов сварки, основанных на использовании алгоритмов импульсного управления энергетическими параметрами процесса, которые позволяют осуществлять программируемый ввод теплоты в зону сварного соединения, управлять процессами плавления, кристаллизации и формирования структуры сварного шва, снижать степень остаточных деформаций сварных соединений при обеспечении стабильного импульсного режима при сварке в различных пространственных положениях [24].

Для проведения исследований по обеспечению стабильности протекания процесса формирования сварного шва посредством регулирования параметров сварки в целях осуществления мелкокапельного переноса металла, активной дегазации и интенсивного перемешивания сварочной ванны был разработан информационноизмерительный комплекс для регистрации технологических и энергетических параметров сварки и наплавки. Комплекс включает в себя программируемый аналогоцифровой преобразователь, датчики электрических величин (тока и напряжения дуги), датчики скорости сварки и скорости подачи электрода в зону сварки, датчик сопряжения с высокоскоростной кинокамерой «Пуск-16» для визуальной регистрации процессов плавления и переноса электродного металла в сварочную ванну. Программное обеспечение позволяет регистрировать мгновенные значения величин в виде осциллограмм и кривых энергетических характеристик технологических процессов на магнитных носителях информации, а в последующем также рассчитывать характеристики теп-ломассопереноса электродного металла в сварочную ванну.

На основе проведенных исследований были разработаны и модернизированы сильноточные тиристорные регуляторы, действующие по принципу импульсно-регулируемого сопротивления и предназначенные для работы с источниками питания сварочной дуги (выпрямителями серии ВД, ВДМ). Были исследованы и разработаны блоки системы управления энергетическими параметрами источников питания с фазовым управлением (серии ВДУ), подключаемые к каналам управления серийно выпускаемых источников питания. Разработаны схемы управления и алгоритмы для реализации адаптивных импульсных методов сварки источниками питания с высокочастотным преобразованием энергии (инверторные источники «Форсаж»). Системы управления основаны на современных быстродействующих микропроцессорных платформах серии AVR американской компании Atmel Corporation, что позволило обеспечить необходимое быстродействие, устойчивость и управляемость энергетическими параметрами технологического процесса электродуговой сварки. Введение обратных связей по наиболее важным параметрам процесса повы-

сило реакцию системы на внешние возмущения, такие как повышенные и меняющиеся зазоры, изменяющееся пространственное положение сварочной ванны, ступенчатое изменение вылета электрода и других, что обеспечило улучшение формирования металла шва и существенно повысило надежность высокоответственных металлоконструкций.

Развиваемый новый подход к созданию и совершенствованию систем управления источников питания, основанный на реализации адаптивных алгоритмов импульсного управления их энергетическими параметрами, представляет собой новое, перспективное направление, позволяющее полностью исключить влияние различных возмущающих воздействий и обеспечить уникальные технологические возможности создаваемого сварочного оборудования и технологий.

Чрезвычайно важным этапом в разработке технологии импульсной сварки теплоустойчивых сталей является теоретическое исследование, основанное на решении задач теплопроводности.

В результате проведенных теоретических исследований было построено точное аналитическое решение трехмерной задачи теплопроводности о распределении температуры в полубесконечном теле, по поверхности которого движется импульсный источник, энергия в котором распределена по закону Гаусса. Составлена и отлажена программа, позволяющая на основе точного аналитического решения проводить оценки температуры и других характеристик зоны термического влияния при сварке массивных деталей в импульсном режиме. На основе численных расчетов показано, что параметрами в зоне прогрева можно эффективно управлять, варьируя не только скорость движения источника (скорость перемещения электрода), эффективный радиус источника (радиус электрода) и мощность источника, но и частоту и длительность действия импульсов.

2. Цель работы и методы исследований

Проводились исследования влияния импульсного режима сварки (по сравнению со стационарным) образцов сварных соединений из теплоустойчивой стали 12Х1МФ на структуру, прочностную однородность сварных швов и их механические свойства.

Структура и свойства сварных соединений из теплоустойчивых сталей непосредственно связаны с технологическим процессом и энергетическими режимами сварки. Поэтому одной из основных целей работы явилось изучение влияния импульсных режимов сварки на структуру, распределение твердости и механические свойства сварных швов на трубах из теплоустойчивой стали по сравнению со стационарными режимами сварки.

Сваривали трубы из теплоустойчивой стали 12Х1МФ диаметром 133 и 325 мм с толщиной стенок соответственно 20 и 36 мм. При сварке в стационарном

Рис. 1. Структура верхнего слоя шва при стационарном (а) и импульсном (б) режимах сварки. х320

режиме использовали источник питания инверторного типа МП 2400 фирмы КЕМРРІ (Финляндия), в импульсном — выпрямитель ВД-306 в комплекте со специализированной приставкой УДИ-205, обеспечивающей модуляцию сварочного тока.

Структуру исследовали на металлографическом микроскопе №ор^ (при 500-кратном увеличении). Измеряли распределение микротвердости в сварных швах, проводили испытания на статическое растяжение.

3. Результаты исследований

Исходная структура стали феррито-перлитная, размер ферритного зерна 10^15 мкм. При стационарном режиме сварки в облицовочном слое образуется структура перегретой стали. На границах бывших аустенит-ных зерен при охлаждении выделяются крупные зерна доэвтектоидного феррита. Оставшийся аустенит распадается на троосто-сорбитную смесь (рис. 1, а).

При импульсных режимах сварки структура облицовочного слоя гораздо более дисперсная (рис. 1, б), что связано с особенностями импульсного режима обработки, при котором тепловое воздействие сочетается с ударным. Происходит многократное перемешивание расплава с разбиением ветвей дендритов и образованием множества новых центров кристаллизации.

Структура корневого и промежуточного слоев после затвердевания подвергается повторному нагреву при наложении последующих слоев и дополнительно изме-

няется. В результате повторного нагрева протекает нормализация (перекристаллизация) и происходит измельчение структуры. Но при стационарном режиме сварки температура нагрева корневого и среднего слоев выше температуры фазовой перекристаллизации, и успевает произойти рост зерна (рис. 2, а). Размер ферритного зерна составляет 7^8 мкм.

При импульсном режиме сварки вторичный нагрев происходит в непосредственной близости к температуре полиморфного превращения. Это способствует сильному измельчению структуры (рис. 2, б). Размер ферритного зерна не превышает 3^4 мкм.

При стационарных режимах сварки зона термического влияния широкая, что свидетельствует о значительных тепловложениях и длительном термическом воздействии стационарно горящей дуги. Охлаждение зоны термического влияния происходит с высокой скоростью и сопровождается образованием неравновесной бейнитной структуры (рис. 3, а). При сварке в импульсных режимах зона термического влияния более узкая и в ней протекают процессы нормализации, но не отмечается заметного роста зерна (рис. 3, б).

Микротвердость отражает деформацию в поверхностном слое металла и связана с механическими характеристиками. Ее измерение позволяет оценить прочностную однородность швов. Согласно общепринятым представлениям, разброс значений твердости в сварных швах не должен превышать 20 %. Как показывает изме-

Рис. 2. Структура среднего слоя шва при стационарном (а) и импульсном (б) режимах сварки. х320

рение микротвердости в корневых швах, ее относительное изменение в корневых швах для стационарного режима сварки составляет 9^19 %, а для импульсного — 2^ 15 %, то есть в обоих случаях 20 %-ый критерий выполняется (рис. 4). При переходе от корневого слоя к зоне заполнения разброс в значениях микротвердости уменьшается, распределение сглаживается. В ряде случаев наблюдается лишь небольшое увеличение твердости на границе раздела слоев.

Испытания на растяжение показали, что при переходе от стационарного режима сварки к импульсному предел прочности труб как большого, так и малого диаметров возрастает, а предел текучести и относительное удлинение практически не меняются.

4. Выводы

При адаптивной импульсно-дуговой сварке покрытыми электродами теплоустойчивых сталей типа 12Х1МФ установлен эффект существенного измельчения структуры металла шва и зоны термического влияния, что достигается за счет регулируемого тепловло-жения, интенсивного перемешивания сварочной ванны при импульсном режиме воздействия дуги, управления процессами плавления и кристаллизации металла шва и зоны термического влияния.

Нц, МПа

2500

1500

10

20

ЗО

40

50

60 /, мм

Ип, МПа

2500

1500

10 20 30 40 50 60 /, мм

Рис. 4. Распределение микротвердости в сварном шве при стационарном (а) и импульсном (б) режимах сварки

Сварные соединения, полученные с использованием адаптивной импульсно-дуговой сварки, имеют ультрадисперсную структуру и по качеству, однородности, дисперсности структуры, уровню прочностных свойств и однородности распределения твердости значительно превосходят сварные швы, получаемые при стационарном режиме сварки, что позволяет в итоге исключить их послесварочную термическую обработку.

Проведенные исследования открывают новые возможности повышения эксплуатационной надежности технологических трубопроводов, обеспечения экологической и техногенной безопасности объектов энергетического комплекса и вскрывают новые резервы по значительному сокращению затрат на их эксплуатацию и ремонт.

Работа выполнена при финансовой поддержке по проекту № 3.16.5 программы специализированного отделения РАН.

Литература

1. Махумов Н.А. Научное обоснование инновационных проектов соз-

дания трубопроводных систем // Сб. докладов X Межд. конф. «Окружающая среда для нас и будущих поколений». - Самара: Изд-во Самарского государственного технического университета, 2005. - С. 16-19.

2. Сараев Ю.Н., Полемика И.М., Козлов А.В., Никонова И.В., Кирилова Н.В., Курдюкова И.А., Екимов В.С. Управление структурой и свойствами ответственных сварных соединений на основе применения импульсного технологического процесса сварки // Изв. вузов. Черная металлургия. - 2003. - № 9. - С. 46-51.

3. Сараев Ю.Н., Полемика И.М., Козлов А.В., Кирилова Н.В., Никонова И.В., Курдюкова И.А., Перовская М.В. Повышение эксплуатационной надежности сварных соединений энергетических и магистральных трубопроводов на основе адаптивных импульсных технологий сварки // Сб. докладов 3 Межд. симп. «Сварка и родственные технологии: расчет, проектирование и оценка остаточного ресурса сварных конструкций ответственного назначения». -Минск: Изд-во НАН Беларуси, 2003.

4. Сараев Ю.Н., Полемика И.М., Козлов А.В., Кирилова Н.В., Никонова И.В., Перовская М.В., Екимов В.С., Салъко А.Е. Формирование структуры и свойств сварных соединений при адаптивной импульсной сварке соединений покрытыми электродами ответственных конструкций, работающих в условиях низкочастотного термоциклирования // Сварочное производство. - 2004. - № 1. -С. 22-27.