Исследование температурного поля при электронно-лучевой сварке никелевых сплавов

Машиностроение и машиноведение

УДК 621.791.72

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКЕ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ

Р.Ю. Киреев, А.Б. Булков, В.Р. Петренко, В.П. Чумарный

В статье представлены результаты ЭЛС жаропрочных никелевых сплавов на различных скоростях и математического моделирования тепловых полей

Ключевые слова: тепловые поля, никелевый сплав, изотермы

При электронно-лучевой сварке (ЭЛС) шов и околошовная зона (ОШЗ) находятся под действием напряжений, образующихся вследствие

неравномерного нагрева и охлаждения металла и несвободной усадки металла шва при кристаллизации, уровень которых зависит от состава и свойств свариваемого материала. Также на уровень напряжений, возникающих в процессе сварки, может оказывать влияние процесс распада упрочняющей у'- фазы в зоне термического влияния (ЗТВ). Низкая теплопроводность жаропрочных никелевых сплавов способствует повышению градиента температур при ЭЛС, что приводит к локализации напряжений в малых объёмах материала. Результатом суммарного влияния этих напряжений является растрескивание сплава [1].

Трещины, возникающие при сварке никелевых сплавов, обычно имеют межзёренный характер и располагаются как на поверхности, так и внутри металла. В [2] отмечается, что раскрытие трещин при сварке и термообработке происходит в плоскости, перпендикулярной линии сплавления. Путем анализа возможных причин трещинообразования в околошовной зоне соединений выявлено, что если сварку производить после циклов термообработки, то за счёт быстрого роста температуры в ОШЗ и последующего быстрого охлаждения происходит растворение карбидов и упрочняющей у' - фазы. Это способствует разупрочнению тела зерна и повышению относительной прочности границ зёрен. Внутренние трещины также возникают преимущественно в околошовной зоне и распространяются от линии сплавления в направлении основного металла, реже - в сварном шве [3,4].

Для определения размеров и формы температурного поля использовалось физико-математическое моделирование методом конечных

Киреев Роман Юрьевич - ВГТУ, аспирант, тел. 8-951-871-61-79

Булков Алексей Борисович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. +7(473) 278-38-84

Петренко Владимир Романович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. +7(473) 278-38-91

Чумарный Владимир Петрович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. 8 (473) 246-40-67

элементов и экспериментальное измерение температуры с помощью термопар.

Целью расчетов является определение объёмов металла шва и ЗТВ пребывающего при температуре свыше 800°С, в которых происходит процесс распада упрочняющей у'- фазы, что возможно приводит к увеличению уровня напряжений в сварном соединении.

Эксперименты проводились на пластинах размером 100*40*17 мм из сплава ВЖЛ-14. Параметры режима ЭЛС: ускоряющее напряжение -25 кВ; ток эмиссии - 0,18...0,240А; скорость ЭЛС -2.78 мм/с (10м/ч), 4.17 мм/с (15 м/ч), 5.56 мм/с (20м/ч) и 11.1 мм/с (40м/ч); диаметр луча на поверхности тела 0,5.0,8 мм. Форма и размеры зоны проплавления определялись на шлифах сварных соединений.

Экспериментальное измерение температуры осуществлялось хромель-алюмелевыми

термопарами, расположенными на поверхности тела и в каналах, просверленных в одной из пластин. Схема установки термопар приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема установки термопар

Экспериментальные исследования показали, что в исследованном диапазоне параметров режима ЭЛС поперечное сечение швов имеет сложную

форму, характеризуемую кинжальным

проплавлением в средней и корневой частях и значительным расширением сварочной ванны ближе к поверхности (рис. 2).

Рис. 2. Поперечные сечения швов, полученные при различных скоростях сварки: а - 2.78 мм/с

Такая форма объясняется тем, что при рассеивании электронного луча в облаке ионизированных паров металла, испаряющихся из зоны кинжального проплавления, над поверхностью возникает источник теплоты, нагревающий достаточно большую площадь поверхности тела. Результаты экспериментов свидетельствуют, что чем меньше скорость сварки, тем больше энергии рассеивается над поверхностью тела и, соответственно, больше ширина и глубина верхней зоны проплавления (грибовидность), в то время как размеры корневой части шва остаются приблизительно постоянными. В соответствии с [5] известно, что размеры изотермических поверхностей при нагреве подвижным источником теплоты зависят от геометрии источника и величины погонной энергии. Описание одного источника, который обеспечивает различный по интенсивности и геометрии нагрев в направлении толщины пластины является сложной математической задачей. Поэтому было принято решение использовать для моделирования принцип суперпозиции и считать, что нагрев одновременно производится двумя источниками: нормально-круговым поверхностным на верхней плоскости тела и коническим с нормальным распределением энергии в сечении - по оси шва.

Схема распределения мощности источников теплоты показана на рис. 3.

б

Рис. 3. Схема распределения мощности источников теплоты: а) конического с нормальным распределением

энергии; б) поверхностного нормально-кругового, где ге - радиус конического источника теплоты на верхней плоскости пластины, Г; - радиус конического источника теплоты на нижней плоскости пластины, гн - радиус действия поверхностного источника теплоты

Правильность подбора геометрических параметров и погонной энергии источников для каждого режима сварки определялась сравнением результатов моделирования с формами шва в поперечном сечении и показаниями термопар.

Для скорости 2.78 мм/с (10 м/ч) не удалось подобрать расчётные параметры, которые давали хорошую сходимость с экспериментальными данными, поэтому дальнейшее сравнение результатов будет проводиться только по трём скоростям ЭЛС.

В результате серии расчетов выбраны параметры источников теплоты.

Для скорости ЭЛС 4,17 мм/с (15 м/ч):

- поверхностный - гн = 3,0 мм., д/и = 270 Дж/мм; - конический - ге = 0,7 мм; г, = 0,5 мм., к = 16 мм., д/и = 310 Дж/мм.

Для скорости ЭЛС 5.56 мм/с (20 м/ч):

- поверхностный - гн = 2,5 мм; д/и = 205 Дж/мм;

- конический - ге = 0,7 мм; г, = 0,5 мм; к = 16 мм; д/и = 295 Дж/мм.

Для скорости ЭЛС 11.1 мм/с (40 м/ч):

- поверхностный - гн = 1,7 мм; д/и = 105 Дж/мм;

- конический - ге = 0,7 мм; г, = 0,5 мм; к = 16 мм; д/и = 275 Дж/мм.

По результатам эксперимента установлено, что образец, который сваривался со скоростью 5.56 мм/с (20 м/ч), имел меньшее количество и суммарную протяжённость трещин, чем другие. Поэтому основное сравнение математической модели вели по поперечным сечениям этого образца.

Распределение температуры в продольном сечении модели пластины при скорости сварки 5.56 мм/с (20 м/ч) показаны на рис. 4.

а

Рис. 4. Распределение температуры в продольном сечении модели пластины

На модели сечения пластины виден значительный градиент температур по толщине в продольном направлении по оси шва, который может оказывать влияние на уровень напряжений, возникающих в процессе ЭЛС и, соответственно, на растрескивание сплава.

Вследствие инерционности распространения теплоты и относительно низкой теплопроводности жаропрочных никелевых сплавов максимальная ширина металла, пребывающего при критических температурах (800+1350 °С), наблюдается не в плоскости, совпадающей с осью источника, а на некотором расстоянии за ней. Для более точного определения размеров зоны нагрева до температур 800, 1050 и 1350 °С на рис. 5 приведены изотермы для сечений в плоскостях, находящихся позади источника теплоты на некотором расстоянии. Ширина зоны нагрева до температуры 800°С определена наложением соответствующих изотерм и показана на рис. 5(з).

Аналогичным образом обработаны результаты расчетов для скоростей ЭЛС 4.17 мм/с

Наложение полученных изотерм на шлифы поперечного сечения сварных швов (рис. 6) показывает, что выбранные параметры источников теплоты обеспечивают хорошую сходимость расчетных данных с экспериментальными для формы поперечного сечения швов.

г) х= -10 мм

д) х= -12 мм.

е)

Рис. 5. Изотермы для сечений при скорости ЭЛС 5.56 мм/с

а)

б)

Рис. 6. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных для поперечного сечения швов при скорости ЭЛС: а - 4.17 мм/с

Рис. 6. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных для поперечного сечения швов при скорости ЭЛС: а - 4.17 мм/с

В таблице представлены площадь поперечного сечения металла шва, ЗТВ, мощность луча и отношение мощности луча к скорости сварки._

Vcb мм/с sm. ш, мм2 ЗТВ мм2 Qcb Вт Q/Vcb к-во тр-н, шт. сред. длина тр-н, мм

,78 - - 3930 1413,7 13 14,8

4,17 8,7 9,2 4250 1019,2 6 4,84

5,56 1,5 2,8 4462 802,61 5 0,77

11,1 9,6 0,8 4993 449,5 5 2,27

По результатам экспериментальных данных и процесса моделирования электронно-лучевой сварки жаропрочного сплава типа ВЖЛ-14 с расчётом тепловых полей, возможно, определение объёма металла ЗТВ, пребывавшего при критических температурах от 800 °С до 1350 °С.

При скорости ЭЛС 4,17мм/с (15 м/ч) наблюдается значительная «грибовидность» как по ширине, так и по глубине сварного шва. Формирование в верхней части шва большого объёма расплавленного металла шва увеличивает градиент температуры по толщине свариваемых заготовок. Эти факторы в совокупности с другими приводят к появлению трещин на поверхности и внутри сварного соединения. Наружные трещины располагаются перпендикулярно оси шва и направлены от линии сплавления в сторону основного металла. Внутренние трещины так же, как наружные идут от линии сплавления основного металла с металлом шва, но плоскость раскрытия этих трещин перпендикулярна плоскости раскрытия наружных, что приводит к расслоению свариваемых образцов по толщине металла. Эти трещины распространяются от линии сплавления в ЗТВ

длиной до 2,5 мм, что соответствует ширине области температур (800-1350 °С).

При увеличении скорости ЭЛС до 5,56 мм/с (20 м/ч) происходит существенное снижение количества трещин в 2,5 раза и суммарной длины трещин в 19 раз. По всей видимости, это связано с уменьшением «грибовидности» шва и снижением градиента температур по толщине образца т.к. уменьшилась площадь поперечного сечения, объём металла шва и ЗТВ пребывающего при критических температурах.

При скорости ЭЛС 11.1 мм/с (40 м/ч) размеры «грибовидности» продолжают уменьшаться как по ширине, так и по глубине сварного шва и происходит незначительное уменьшение ЗТВ. Количество трещин не изменяется, а суммарная протяжённость трещин возрастает в три раза. Возможно, увеличение скорости ЭЛС ведёт к увеличению темпа нарастания деформации, а уменьшение площади сечения металла шва и ЗТВ приводит к снижению уровня релаксации напряжений, что и приводит к увеличению суммарной длины трещин.

Исходя из полученных результатов эксперимента и математической модели, предлагается уменьшить «грибовидность» сварного шва и ширину ЗТВ от изотермы 1350°С до изотермы 800 °С за счёт снижения градиента температур по толщине металла и получения оптимальной формы проплавления сварного шва применением горизонтально расположенного, колеблющегося вдоль стыка электронного пучка на высоких скоростях с предварительным подогревом.

Литература

1. Сорокин, Л.И. Напряжения и трещины при сварке и термической обработке жаропрочных никелевых сплавов [Текст] / Л.И. Сорокин // Сварочное производство.

- 1999. - №12. - С. 11-17.

2. Исследование трещинообразования и технология ЭЛС жаропрочного сплава ВЖЛ-14 [Текст] / В.П. Чумарный, В.М.Плетенев, А.В. Башкатов, В.Р. Петренко // Электронно-лучевая сварка: сб. науч. тр. X Всесоюз. конф.

- Л. - 1988. - С. 30 - 31.

3. Эйдельман, В.Е. Высокотемпературная деформация и образование околошовных трещин при сварке сплава типа нимоник [Текст] / В.Е. Эйдельман, Б.Ф. Якушин, В.И. Столбов // Автоматическая сварка. - 1976. -№11. - С.40-44.

4. Морочко, В.П. Повышение сопротивляемости жаропрочных сплавов образованию горячих трещин при электроннолучевой сварке [Текст] / В.П. Морочко, Ю.П. Панов, А.П. Соколов// Автоматическая сварка. - 1979. -№8. - С.52-55.

5. Рыкалин, Н.И. Основы электроннолучевой обработки материалов [Текст] / Н.И. Рыкалин, И.В. Зуев, А.А. Углов. - М.: Машиностроение, 1978. - 239 с.

Воронежский государственный технический университет

INVESTIGATION OF TEMPERATURE FIELDS DURING ELECTRON BEAM WELDING

OF NICKEL ALLOYS

R.Yu. Kireev, A.B. Bulkov, V.R. Petrenko, V.P. Chumarniy

In the article presents the results of EBW heat resisting of nickel alloys at different speeds and Mathematical Modelling of of thermal fields

Key words: thermal fields, nickel alloy, isotherms