Присадочный материал для сварки высокопрочных конструкционных легированных сталей

Результаты испытаний показали, что сварные соединения сплава 1913 не склонны к МКК, как в исходном состоянии, так и после длительных нагревов (85°С, 2000 ч). Склонность к РСК проявляется в большей степени по зоне термического влияния после сварки (7 балл). Длительные нагревы снижают склонность к РСК до 2 балла.

Таким образом, в результате проведенной работы показано, что применение для сварки сплава 1913 нового присадочного материала на основе системы Al-Mg с добавками Sc и Ag и технологии автоматической сварки с пульсирующей подачей смеси защитных газов позволило не только получить практически равнопрочные основному материалу сварные соединения (авсв>0,95ав), но и повысить в 4 раза значения ударной вязкости (по сравнению со свойствами сварного соединения с присадочным материалом Св-1217).

Длительные эксплуатационные нагревы сварных соединений (85°С, 2000 ч) приводят к повышению пластичности (на 50-60%) и стойкости к расслаивающей коррозии по зоне термического влияния.

ЛИТЕРАТУРА

1. Фридляндер И.Н., Ткаченко Е.А. и др. Влияние микролегирования на структуру и свойства сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu //МиТОМ, 1986, № 4, с. 46.

2. Berezina A.L., Chuistov K.V., Kolobnev N.I., Khokhlatova L.B. Sein aluminium alloys: The 8-th International Conference on Aluminium alloys (ICAA-8)-UK, 2002, v. 2, p. 741-746.

3. Лукин В.И. Se - перспективный элемент для присадочных материалов //Сварочное производство, 1995, № 6, с.13-14.

4. Лукин В.И., Арбузов Ю.П., Грушко О.Е. Химические элементы, влияющие на свариваемость сплавов Al-Mg-Li //Сварочное производство, 1994, № 1, с. 22-24.

5. Kusui Iun, Yokoe Kazuhiko et al. Characteristics of super-highly strength Al-Zn-Mg-Cu alloys //Alloys, 1977, v. 3, p.1777.

6. Mukhopadhyay A.K., Reddy G.M. Influence of Trase addition of Ag on the weldability of Al-Zn-Mg-Cu-Zr Base 7010 alloy: 8-th Materials science forum //ICAA, 2002, v. 396-402, p. 1665-1670 (Transtechpublication LTD - Sweden, Germany, GB, USA).

УДК 621.791.4

Л.Л. Старова, В.Г. Ковальчук, М.Т. Борисов, В.И. Лукин, Е.В. Голев

ПРИСАДОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ СВАРКИ ВЫСОКОПРОЧНЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Повышение весовой отдачи материалов, используемых в современном самолетостроении, является весьма актуальной проблемой. Среди конструкционных материалов в изделиях авиационной техники достаточное место занимают стали, обрабатываемые на прочность до 1900 МПа. Эффективность применения сталей с прочностью свыше 1900 МПа во многом определяется возможностью изготовления из них сварных конструкций и прочностью сварных соединений.

Для сварки высокопрочных сталей с прочностью свыше 1900 МПа может быть применена серийно изготовляемая проволока ВЛ1-ДГ. Однако прочность сварных соединений в этом случае не превышает 1600 МПа. В качестве высоколегированной стали с прочностью более 1900 МПа исследовалась сталь 40ХС3Н5К2 (ВКС-12; ав>2100 МПа) [1].

Использование для сварки указанной стали высоколегированных присадок, близких по составу к основному материалу, вызывает хрупкие разрушения сварных образцов при испытании на растяжение, при этом прочность сварного соединения в 1,5 раза меньше, чем должна быть при данном содержании углерода. При применении присадочных материалов с 5-8% никеля, в структуре металла шва образуется грубокристаллическая структура с близкой кристаллографической ориентацией ячеек и дендритов, - такая структура является причиной разрушения вследствие высокого содержания кремния и никеля. Применение в качестве присадок менее легированных проволок Х2Г2СНВМА и Х2НМЦРА обусловливает измельченность и дезориентированность литой структуры металла шва. Однако система Х2Г2СНВМА (типа ВЛ1-ДГ) при одинаковом содержании углерода (0,30-0,35%) дает более высокие значения ударной вязкости при несколько более высокой прочности благодаря упрочняющему влиянию марганца при низком отпуске.

Одним из факторов, определяющих технологическую прочность в условиях сварки и эксплуатационные свойства сварных конструкций, является обеспечение необходимого химического состава металла шва, который (состав) достигается в средне-легированных высокопрочных сталях многокомпонентным легированием.

Основным элементом, определяющим уровень прочности стали, является углерод, наиболее активно тормозящий движение дислокаций. Известно [2], что для получения прочности высокопрочных сталей свыше 1800 МПа необходимо наличие в стали 0,30-0,35%С. Остальные легирующие элементы, наиболее часто применяемые в указанных сталях, являясь элементами замещения, в меньшей степени влияют на прочность, обеспечивая в основном требуемый уровень пластичности и вязкости.

Так, кремний, улучшая свойства основного металла, ухудшает механические характеристики шва. Имея высокую склонность к ликвации, а также способствуя увеличению размера зерна в сварных швах, особенно при большом содержании углерода, кремний снижает стойкость к образованию горячих трещин (укр; рис. 1) при одновременном снижении вязкости (рис. 2).

Изменение содержания никеля в присадочном металле от 1,0 до 2,1% благоприятно сказывается на повышении прочности при неизменных значениях вязкости (КСИ).

V мм/мин

Рис. 1. Зависимость склонности к образованию горячих трещин от содержания кремния в присадочном материале

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Содержание

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Содержание 81,%

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Содержание 81,%

КСУ, Дж/см2

в;

Рис. 2. Влияние содержания кремния на характеристики прочности

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Содержание 81,%

ов.шВа, кеч, кси

МПа Дж/см2 Дж/см2

1800

1700-

40 80 Т

—/

3 0- 60-

2 0- 40- \

, мм/мин

0 12 3

Содержание N1, %

Однако среднее значение вязкости образцов с острым надрезом (КСЧ) снижается при увеличении содержания никеля. В некоторых швах имеет место грубо-кристаллическая структура и соответственное снижение значений КСЧ (рис. 3).

Содержание никеля от 1 до 2% мало влияет на склонность к образованию горячих трещин (укр=3,4-3,0 мм/мин), однако повышение его содержания до 2,5% при одновременном присутствии ~0,7%Со в присадке обусловливает упрочнение металла шва до 1909 МПа, при этом происходит снижение вязкости и стойкости к образованию горячих трещин (см. рис. 3) [3].

Рис. 3. Влияние содержания никеля на прочность и пластичность металла шва

Введение кобальта в высокопрочные стали полезно с точки зрения увеличения прочности, так как кобальт уменьшает степень закрепления дислокаций атомами внедрения, повышая их подвижность. Кроме того, кобальт повышает уровень точек Ас^ и Мн, способствуя процессам самоотпуска при охлаждении после сварки и снижая склонность к образованию холодных трещин. Однако известно, что введение кобальта в металл шва высокопрочной стали может приводить к появлению в структуре шва протяженных зерен, размер которых возрастает с увеличением содержания кобальта.

Характер изменения формы кристаллизации при изменении содержания кобальта в металле шва исследован на листовом металле толщиной 3 мм. Установлено, что при скорости сварки 5 м/ч, что соответствует ручной сварке, и при содержании в металле шва 0,7%Со в структуре присутствует осевой кристаллит, состоящий из отдельных кристаллов с близкой кристаллографической ориентацией дендритов, ширина которых в среднем составляет 0,53 мм при длине ячеек 1,7 мм (рис. 4).

а) б)

в)

Рис. 4. Первичная структура

Увеличение содержания кобальта до 0,9% вызывает изменение схемы кристаллизации, способствуя «выклиниванию» осевого кристаллита и образованию зубчатого стыка боковых кристаллитов в центре шва. Такая схема кристаллизации затрудняет развитие разрушения и обусловливает повышение механических свойств сварных соединений (рис. 4, б).

Наличие в металле шва >1,5%Со вызывает значительное расширение осевого кристаллита и увеличение длины входящих в него дендритов, что приводит к снижению вязкости вследствие облегчения распространения разрушения (рис. 4, в).

Содержание ~1%Со оказывает положительное влияние на повышение стойкости к образованию горячих трещин (рис. 5, б), а также характеристик прочности и пластичности (рис. 5, а).

а)

б)

о КСУ, кси,

в.шва'

МПа Дж/см2 Дж/см2

1900 40 60 х.................

1800 30 50

1700 20 40

0,5 1 1,5 Содержание Со, %

, мм/мин

0,5 1

Содержание Со, %

Рис. 5. Влияние кобальта на прочность и пластичность металла шва

Положительное влияние кобальта может быть объяснено исследованиями интервала кристаллизации (рис. 6) [4]. С увеличением содержания Со до 0,9% интервал кристаллизации сужается в 1,5-2 раза, что благоприятно сказывается не только на повышении стойкости к образованию горячих трещин, но и на измельчении первичной структуры. При этом уменьшается скачок кристаллизации, что оказывает влияние на уменьшение длины первичных дендритов, и соответственно кристаллитов. Уменьшение интервала кристаллизации, а также снижение температуры ликвидус приводит к тому , что по линии сплавления отсутствуют оплавленные зерна, что повышает технологическую прочность [5].

1450-

0,5 1 1,5 2

Содержание Со, %

Рис. 6. Зависимость величины интервала кристаллизации от содержания Со в присадке:

о,^ - температуры ликвидус и солидус соответственно

На основании полученных результатов по влиянию основных легирующих элементов на технологическую прочность и механические свойства разработан состав присадочного металла для аргоно-дуговой сварки высокопрочных легированных сталей, обеспечивающий прочность металла шва авшва^1800 МПа при КСИ=55-60 Дж/см . Кроме того, сварные соединения, выполненные с этой присадкой, имеют высокие значения усталостной прочности: при напряжении 800 МПа (при ^=0,1; ^=5 Гц) количество циклов до разрушения составляет 100x10 [6, 7].

Изломы сварных соединений вязкие, мелкоямочные (рис. 7) [8].

ЛИТЕРАТУРА

1. Беляев Л.Н., Петраков А.Ф., Покровская Н.Г., Шалькевич А.Б. Новые высокопрочные стали //МиТОМ, 1997, № 8, с. 12-14.

2. Высокопрочная конструкционная сталь. Пат. 2155820 (РФ) //МКИ с22с38/52.

3. Покровская Н.Г., Лазько В.Е., Сачков В.В., Остроухова Н.И., Ковальчук В.Г. Влияние никеля на формирование структуры сварных швов конструкционной стали //Сварочное производство, 1978, № 6, с. 8-10.

4. Прохоров Н.Н. Горячие трещины при сварке. - М.: Машгиз, 1962, 183 с.

5. Голиков И.Н., Масленков С.Б. Дендритная ликвация в сталях и сплавах. - М.: Металлургия, 1977, 222 с.

6. Старова Л.Л., Лукин В.И., Лазько В.Е. Разработка сварочной проволоки для сварки высокопрочной стали со смешанным карбидно-интерметаллидным упрочнением //Сварочное производство, 2001, № 6, с. 25-27.

7. Лазько В.Е., Старова Л.Л., Ковальчук В.Г. и др. Сварочные проволоки для высокопрочных сталей //Сварочное производство, 1993, № 10, с. 15-17.

8. Грабина В.Ф., Денисенко А.В. Металловедение сварки низко- и среднелегирован-ных сталей. - Киев: Наукова думка, 1978, 272 с.