Особенности получения качественных сварных швов при электронно-лучевой сварке высокопрочных сталей большой толщины

Исследованы особенности формирования и кристаллизации металла шва при электронно-лучевой сварке высокопрочных сталей с глубоким проплавлением. Показана возможность повышения степени структурной однородности и предупреждения появления специфических дефектов при сварке с осцилляцией электронного пучка...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2012
Hauptverfasser:	Беленький, В.Я., Трушников, Д.Н., Младенов, Г.М., Ольшанская, Т.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2012
Schriftenreihe:	Автоматическая сварка
Schlagworte:	Производственный раздел
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/101087
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Особенности получения качественных сварных швов при электронно-лучевой сварке высокопрочных сталей большой толщины / В.Я. Беленький, Д.Н. Трушников, Г.М. Младенов, Т.В. Ольшанская // Автоматическая сварка. — 2012. — № 2 (706). — С. 47-50. — Бібліогр.: 7 — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-101087
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1010872016-05-31T03:02:22Z Особенности получения качественных сварных швов при электронно-лучевой сварке высокопрочных сталей большой толщины Беленький, В.Я. Трушников, Д.Н. Младенов, Г.М. Ольшанская, Т.В. Производственный раздел Исследованы особенности формирования и кристаллизации металла шва при электронно-лучевой сварке высокопрочных сталей с глубоким проплавлением. Показана возможность повышения степени структурной однородности и предупреждения появления специфических дефектов при сварке с осцилляцией электронного пучка. Features of formation and solidification of weld metal in electron beam welding of high-strength steels with deep penetration were investigated. Both the possibility of increasing the degree of structural inhomogeneity and prevention of appearance of specific defects in welding with electron beam oscillation are shown. 2012 Article Особенности получения качественных сварных швов при электронно-лучевой сварке высокопрочных сталей большой толщины / В.Я. Беленький, Д.Н. Трушников, Г.М. Младенов, Т.В. Ольшанская // Автоматическая сварка. — 2012. — № 2 (706). — С. 47-50. — Бібліогр.: 7 — рос. 0005-111X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/101087 621.791.72 ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Производственный раздел Производственный раздел
spellingShingle	Производственный раздел Производственный раздел Беленький, В.Я. Трушников, Д.Н. Младенов, Г.М. Ольшанская, Т.В. Особенности получения качественных сварных швов при электронно-лучевой сварке высокопрочных сталей большой толщины Автоматическая сварка
description	Исследованы особенности формирования и кристаллизации металла шва при электронно-лучевой сварке высокопрочных сталей с глубоким проплавлением. Показана возможность повышения степени структурной однородности и предупреждения появления специфических дефектов при сварке с осцилляцией электронного пучка.
format	Article
author	Беленький, В.Я. Трушников, Д.Н. Младенов, Г.М. Ольшанская, Т.В.
author_facet	Беленький, В.Я. Трушников, Д.Н. Младенов, Г.М. Ольшанская, Т.В.
author_sort	Беленький, В.Я.
title	Особенности получения качественных сварных швов при электронно-лучевой сварке высокопрочных сталей большой толщины
title_short	Особенности получения качественных сварных швов при электронно-лучевой сварке высокопрочных сталей большой толщины
title_full	Особенности получения качественных сварных швов при электронно-лучевой сварке высокопрочных сталей большой толщины
title_fullStr	Особенности получения качественных сварных швов при электронно-лучевой сварке высокопрочных сталей большой толщины
title_full_unstemmed	Особенности получения качественных сварных швов при электронно-лучевой сварке высокопрочных сталей большой толщины
title_sort	особенности получения качественных сварных швов при электронно-лучевой сварке высокопрочных сталей большой толщины
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2012
topic_facet	Производственный раздел
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/101087
citation_txt	Особенности получения качественных сварных швов при электронно-лучевой сварке высокопрочных сталей большой толщины / В.Я. Беленький, Д.Н. Трушников, Г.М. Младенов, Т.В. Ольшанская // Автоматическая сварка. — 2012. — № 2 (706). — С. 47-50. — Бібліогр.: 7 — рос.
series	Автоматическая сварка
work_keys_str_mv	AT belenʹkijvâ osobennostipolučeniâkačestvennyhsvarnyhšvovpriélektronnolučevojsvarkevysokopročnyhstalejbolʹšojtolŝiny AT trušnikovdn osobennostipolučeniâkačestvennyhsvarnyhšvovpriélektronnolučevojsvarkevysokopročnyhstalejbolʹšojtolŝiny AT mladenovgm osobennostipolučeniâkačestvennyhsvarnyhšvovpriélektronnolučevojsvarkevysokopročnyhstalejbolʹšojtolŝiny AT olʹšanskaâtv osobennostipolučeniâkačestvennyhsvarnyhšvovpriélektronnolučevojsvarkevysokopročnyhstalejbolʹšojtolŝiny
first_indexed	2025-07-07T10:24:51Z
last_indexed	2025-07-07T10:24:51Z
_version_	1836983405143654400
fulltext	УДК 621.791.72 ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ КАЧЕСТВЕННЫХ СВАРНЫХ ШВОВ ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКЕ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ БОЛЬШОЙ ТОЛЩИНЫ В. Я. БЕЛЕНЬКИЙ, д-р техн. наук, Д. Н. ТРУШНИКОВ, канд. техн. наук, чл.-кор. АН Болгарии Г. М. МЛАДЕНОВ, Т. В. ОЛЬШАНСКАЯ, канд. техн. наук (Перм. нац. исслед. политехн. ун-т, г. Пермь, РФ) Исследованы особенности формирования и кристаллизации металла шва при электронно-лучевой сварке высокоп- рочных сталей с глубоким проплавлением. Показана возможность повышения степени структурной однородности и предупреждения появления специфических дефектов при сварке с осцилляцией электронного пучка. К л ю ч е в ы е с л о в а : электронно-лучевая сварка, высоко- прочные стали, большие толщины, металл шва, первичная структура, дефекты швов, Х-образная траектория При изготовлении ответственных изделий для тя- желого и транспортного машиностроения (оси, ва- лы и другие тяжелонагруженные детали) широко применяют высокопрочные легированные стали перлитного класса 34ХН1М, 38Х2НМ, 40ХН2МА. Однако их плохая свариваемость при использо- вании дуговых способов сварки значительно ог- раничивает возможности конструирования свар- ных изделий. В настоящее время большое распространение находит электронно-лучевая сварка (ЭЛС), кото- рая позволяет не только получать швы с высокими значениями отношения глубины сварного шва к его ширине, но и обеспечивает минимальные раз- меры зоны термического влияния и высокий уро- вень механических характеристик сварных соеди- нений. Для прогнозирования режимов ЭЛС при- меняют статистическое и численное моделирование [1–3]. В то же время ЭЛС имеет ряд недостатков: образование специфических дефектов в кор- невой части сварного шва, нестабильность глубины проплавления, сложность восп- роизведения режима фокусировки элект- ронного пучка. В настоящей работе исследованы осо- бенности получения качественных свар- ных швов при ЭЛС высокопрочных сталей большой толщины. На первом этапе исследований свари- вали цилиндрические образцы из стали 38Х2НМ с толщиной стенки 30 мм на электронно-лучевой установке с энергети- ческим агрегатом ЭЛА-60/60 статическим электронным пучком при мощности 12 кВт на скорости 14 м/ч. Для контроля и воспроизведения параметров фокусировки электронного пучка использовали разработанный авторами метод, основанный на регистрации высокочастотной составляющей тока несамостоятельного разряда в плазме. Этот разряд возбуждается в плазме, формируемой в зоне воз- действия на металл мощного концентрированного электронного пучка, с помощью коллектора элек- тронов, который расположен над зоной сварки и имеет положительный потенциал 20…30 В отно- сительно свариваемого изделия [4, 5]. В процессе экспериментов из спектра тока несамостоятель- ного разряда в плазме выделялась составляющая с частотой 10…20 кГц. По экстремальным зна- чениям амплитуды этой составляющей устанав- ливали «острую» фокусировку электронного пуч- ка, обеспечивающую максимальную глубину проплавления при заданных значениях ускоряю- щего напряжения и тока пучка. На рис. 1 показаны макрошлифы зоны проп- лавления, полученные при сварке статическим элек- тронным пучком. На макрошлифе видна характер- © В. Я. Беленький, Д. Н. Трушников, Г. М. Младенов, Т. В. Ольшанская, 2012 Рис. 1. Макроструктура (×2) металла шва в поперечном (а) и продоль- ном (б) сечениях 2/2012 47 ная для режима сварки с «острой» фокусировкой кинжальная форма проплавления с расширенной верхней и сужающейся в средней и корневой час- тях шва. На продольном шлифе имеются специ- фические корневые дефекты — пикообразование и пустоты в корневой части зоны проплавления. По результатам исследований первичной стру- ктуры металла сварного шва установлено наличие четырех характерных зон, расположенных по вы- соте шва, которые характеризуются различными направлениями и геометрической формой первич- ных кристаллитов (см. рис. 1, б). Первая зона (валик сварного шва) состоит из крупных полиэдрических кристаллитов. Средний диаметр кристаллитов, определенный методом се- кущих, составил в поперечном сечении 0,25, в продольном — 0,32 мм, глубина этой зоны 1,5…2,0 мм. Первая и вторая структурные зоны формиру- ются в верхней расширенной части сварного шва. Макроструктура этих зон незначительно отлича- ется от структуры, образующейся при дуговых способах сварки. Вторая зона состоит из столбчатых кристал- литов, направленных перпендикулярно линии сплавления в поперечном сечении шва и прак- тически вертикально к его поверхности в про- дольном направлении. Средний размер кристал- литов в поперечном сечении шва составляет 0,9×0,3, в продольном — 2,5×0,3 мм; глубина вто- рой зоны — 3,5…5,5 мм. Третья зона в поперечном сечении шва состоит из столбчатых кристаллитов, которые срастаются в центре шва. Их оси направлены параллельно поверхности шва и перпендикулярно линии сплавления. В продольном сечении эти кристал- литы имеют полиэдрическое строение (рис. 2, а). Средний диаметр кристалла составляет 0,15 мм, его длина 0,66 мм, угол сходимости фронтов кристаллизации с обеих сторон минимальный. Та- ким образом, срастание кристаллитов в центре шва, уменьшение их размеров по сравнению с кристаллитами первой и второй зон показывают, что скорость кристаллизации в этой части шва значительно выше. Увеличение скорости кристал- лизации, безусловно, связано с более интенсив- ным теплоотводом, зависящим от объема расп- лавленного металла в различных зонах сварного шва. Глубина третьей зоны составляет 3,75…4,75 мм. Отличие четвертой зоны от третьей состоит в том, что, кроме столбчатых кристаллитов, име- ющих такую же направленность, в центральной части этой зоны в поперечном сечении появля- ются мелкие полиэдрические кристаллиты (рис. 2, б). В продольном сечении в центре шва эти крис- таллиты имеют столбчатое строение — длинные и узкие с максимальной длиной по направлению сварки до 15 мм. Оси кристаллитов направлены практически параллельно. В четвертой зоне зафиксировано значительное измельчение струк- туры по высоте шва. Так, в нижней части шва в поперечном сечении длина и ширина кристал- литов изменяются соответственно от 0,97 до 0,27 и от 0,13 до 0,08 мм. В продольном сечении по центру шва длина кристаллитов уменьшается от 15 до 1,6 мм, а ширина — от 0,41 до 0,12 мм. Глубина этой зоны составляет 12,5…15,0 мм. Та- ким образом, приведенные результаты свидетель- ствуют о том, что скорость кристаллизации с уве- личением глубины зоны повышается. В швах, выполненных ЭЛС, выявлены специ- фические дефекты (пикообразование и полости), которые образуются только в четвертой зоне, на- иболее крупные — на границе третьей и четвертой зон. Исследования металла сварного шва показали, что его структура представляет мелкодисперсную ферритно-карбидную смесь с оторочкой доэвтек- тоидного феррита по границам дендритов. Пер- вичная структура по зонам шва также значительно отличается. В верхней расширенной части свар- ного шва структура металла имеет явно выражен- ный дендритный характер с довольно широкой сеткой феррита (рис. 3, а). В середине шва струк- тура его металла ячеисто-дендритная, размер зер- на уменьшается практически в два раза (рис. 3, б). В корневой части шва образуется мелкозер- нистая структура, которая по типу приближается к ячеистой (рис. 3, в). Измерения размера зерна (ширина дендритов и ячеек) по высоте шве по- казали, что в первых трех зонах сущес- твенного уменьшения размера дендри- тов не выявлено. Среднее значение ши- рины дендритов в этих зонах находится в пределах 21…24 мкм. Резкое измель- чение структуры происходит по глуби- не четвертой зоны — от 6 до 20 мкм. В целом можно отметить, что при ЭЛС статическим остросфокусирован- ным электронным пучком металл свар-Рис. 2. Характер срастания кристаллов (×7) в третьей (а) и четвертой (б) зонах 48 2/2012 ного шва характеризуется значительной структур- ной и механической неоднородностью. Кроме то- го, в корневой части шва формируются специ- фические дефекты, резко снижающие эксплуата- ционные характеристики сварного соединения. Второй этап включал исследование формиро- вания сварного соединения при ЭЛС стали 38Х2НМ с осцилляцией электронного пучка, ко- торую осуществляли с целью оказания управля- ющего воздействия на процессы кристаллизации металла и получение более качественных сварных соединений. При выборе параметров осцилляции (частоты и амплитуды развертки) использовали теоретические оценки, предложенные в работе [6]. Изучение сварных швов, полученных при свар- ке с колебаниями электронного луча поперек и вдоль шва, а также с вращением электронного луча, показало, что указанные траектории развер- тки электронного пучка не обеспечивают сущес- твенного повышения структурной однородности металла сварного шва, а отсутствия корневых де- фектов достигают только при большой амплитуде осцилляции, что приводит к значительному сни- жению глубины проплавления и увеличению ши- рины сварного шва. Значительный интерес с точки зрения форми- рования сварных швов с однородной структурой и отсутствием корневых дефектов при оптималь- ной конфигурации зоны проплавления представ- ляют осцилляции электронного пучка по Х-об- разной траектории [7]. В связи с этим исследовали формирование сварных швов при ЭЛС стали 38Х2НМ с разверткой электронного пучка по Х- образной траектории. Сварку выполняли на параметрах режима, ана- логичных используемым при экспериментах по сварке этой стали статическим электрон- ным пучком. Фокусировка электронного пучка так же, как и в экспериментах со статическим пучком, оптимизировалась по параметрам высокочастотной состав- ляющей тока несамостоятельного разряда в плазме, формируемой в зоне воздейс- твия пучка. Развертку электронного пучка по Х- образной траектории осуществляли путем изменения фазового сдвига ϕ гармоничес- ких колебаний пучка в двух взаимно перпенди- кулярных плоскостях по закону Δϕ = π2 ⎡⎢ ⎣ 1 – sign(sin 12ωt)⎤⎥ ⎦ , где sign(U) = ⎧⎨ ⎩ 1 при U ≥ 0 –1 при U > 0 ; ω — частота коле- баний; t — время. Частота развертки выбрана в соответствии с теоретическими оценками, взятыми из работы [6], и составляла 600 Гц, а амплитуда развертки ис- ходя из условия обеспечения оптимальной кон- фигурации зоны проплавления с минимальным увеличением ширины сварного шва — 1,8 мм. Исследование макростуктуры сварного шва, полученного при ЭЛС с Х-образными колебани- ями, показало существенное изменение конфигу- рации зоны проплавления, что проявляется в уменьшении уширения в верхней части сварного шва и формировании зоны проплавления прак- тически постоянной ширины. Зона проплавления имеет такие же характерные зоны, как и при свар- ке без осцилляции электронного пучка, но при этом резко уменьшается уровень колебаний глу- бины проплавления, полностью отсутствуют спе- цифические корневые дефекты, изменяется струк- тура третьей и четвертой зон (рис. 4). В третьей зоне кристаллиты приобретают овальную форму, почти полиэдрическую, а в четвертой — увели- чивается центральный участок с полиэдрически- ми кристаллитами. Столбчатые кристаллы этой зоны изменяют свою форму и становятся оваль- ными. По всей длине шва размеры кристаллитов уменьшаются (рис. 4, б). Рис. 3. Микроструктуры (×300) металла в верхней (а), средней (б) и нижней (в) частях сварного шва Рис. 4. Макроструктуры (×1) сварного шва, полученные в поперечном (а) и продольном (б) сечениях при сварке с Х-образными колебаниями 2/2012 49 Таким образом, при ЭЛС высокопрочных ста- лей эффективным технологическим приемом яв- ляется осцилляция электронного пучка по Х-об- разной траектории при «острой» фокусировке пучка. В этом случае обеспечивается получение металла сварного шва с высоким уровнем струк- турной и механической однородности, а также от- сутствуют специфические дефекты в корне шва. Работа выполнена при поддержке гранта Рос- сийского Фонда фундаментальных исследований РФФИ-Урал № 11-08-96016 и финансовой под- держке Министерства образования Пермского края (РФ). 1. Mladenov G., Vutova K., Wojcicki S. Experimental investi- gation of the weld depth and thermal efficiency during elect- ron beam welding // Vacuum. — 1998. — 51, iss. 2, Oct. — P. 231–233. 2. Koleva E. Electron beam weld parameters and thermal effici- ency improvement // Ibid. — 2005. — 77, iss. 4, 11 March. — P. 413–421. 3. Ерофеев В. А., Логвинов Р. В., Нестеренков В. М. Осо- бенности использования эквивалентного источника теп- лоты при учете деформаций и напряжений в процессе электронно-лучевой сварки // Сварка и диагностика. — 2010. — № 4. — С. 22–26. 4. Yazovskikh V. M., Trushnikov D. N., Belen’kii V. Y. The mechanism of secondary emission processes in electron beam welding with the modulation of the electron beam // Welding Intern. — 2004. — 18, iss. 95. — P. 724–729. 5. Formation of a secondary-emission signal in electron beam welding with continuous penetration / D. N. Trushnikov, V. Ya. Belen’kii, V. M. Yazovskikh, L. N. Krotov // Ibid. — 2007. — № 21. — P. 384–386. 6. Беленький В. Я. Оценка оптимальной частоты осцил- ляции электронного луча при сварке // Физ. и химия об- раб. материалов. — 1989. — № 1. — С. 106–111. 7. Беленький В. Я. Развертка электронного пучка по Х-об- разной траектории как средство уменьшения дефектов в корне шва при электронно-лучевой сварке // Автомат. сварка. — 1986. — № 9. — С. 35–37. Features of formation and solidification of weld metal in electron beam welding of high-strength steels with deep penetration were investigated. Both the possibility of increasing the degree of structural inhomogeneity and prevention of appearance of specific defects in welding with electron beam oscillation are shown. Поступила в редакцию 20.12.2011 СВАРКА и РЕЗКА - 2012 12-я Международная специализированная выставка 10–13 апреля 2012 Минск ЗАО «Минск-Экспо» Тематика выставки: • материалы для сварки, наплавки и пайки • оборудование и технологии сварки, резки, наплавки, пайки и термообработки • источники питания и системы управления сварочным оборудованием • оборудование для орбитальной сварки и обработки труб • электронно-лучевая, лазерная, плазменная сварка и резка • автоматизированные комплексные системы и агрегаты для сварки и резки • приборы для неразрушающего контроля сварных соединений • научное и информационное обеспечение сварки • система подготовки, переподготовки и аттестации сварщиков • охрана труда и экологическая безопасность в сварочном производстве • сертификация сварочного оборудования Одновременно с выставкой «Сварка и Резка» будут работать выставки «Защита от коррозии. Покрытия» и «Машиностроение». Контакты: тел./факс: +375 17 226 98 58, E-mail: e_fedorova@solo.by 50 2/2012

Особенности получения качественных сварных швов при электронно-лучевой сварке высокопрочных сталей большой толщины

Institution

Ähnliche Einträge