Study of welded joints of high-temperature alloys CR15NI45MO5W1TI2AL1NB3P made by electron-beam welding

Full Text

Введение За последние годы в авиационной технике заметно расширилось применение жаропрочных сплавов в тяжело нагруженных крупногабаритных силовых узлах и агрегатах, работающих главным образом в условиях малоцикловых нагрузок при высоком уровне напряжений. Наибольший интерес при этом представляют стали и сплавы с пределом прочности 1000…1200 МПа. Одним из основных и наиболее эффективных методов соединения деталей в конструкциях ответственного назначения является сварка. Сварные соединения характеризуются определенным комплексом механических и эксплуатационных свойств, которые могут существенно отличаться от свойств основного металла. Надежность и долговечность сварных конструкций, как правило, определяются качеством и структурой металла шва и зоны термического влияния и конструктивным оформлением места соединения. Для получения неразъемных соединений жаропрочного сплава ХН45МВТЮБР-ИД перспективно применение ЭЛС, которая обеспечивает минимальную ширину шва и высокое качество сварного соединения. Однако процесс ЭЛС имеет ряд трудностей и нерешенных проблем в получении бездефектных сварных соединений, к числу которых можно отнести возможность образования в металле сварных соединений трещин, пор, прожогов, вызывающих снижение надежности и эксплуатационных характеристик изделия. Особенностями процесса ЭЛС являются надежная вакуумная защита расплавленного и разогретого металла от газов воздуха, возможность сварки за один проход деталей больших толщин, малые размеры шва и зоны термического влияния. Все эти особенности предопределяют целесообразность применения ЭЛС [1, 2]. Целью данной работы является изучение и повышение стабильности формирования сварных соединений сплава ХН45МВТЮБР-ИД толщиной 4,5 мм за счет изменения различных энергетических и технологических параметров (тока луча, тока фокусировки, скорости сварки) и выбора оптимального режима электронно-лучевой сварки для данного сплава без технологического подкладного кольца [3]. Для достижения указанной цели решались следующие задачи: - изучался механизм проплавления сплава электронным пучком; - выполнялись экспериментальные исследования влияния параметров режима сварки на качество и стабильность формирования сварных соединений при электронно-лучевой сварке; - исследовалась структура и свойства сварных соединений. Материалы и методы исследования Отработку режима сварки производили на образце-имитаторе натурного узла (рис. 1). Образец-имитатор был разбит на 7 равных участков. Рис. 1. Эскиз образца-имитатора: 1 - нижняя часть; 2 - верхняя часть Материал свариваемого образца-имитатора - сплав ХН45МВТЮБР-ИД, поставляемый по ТУ 14-1-3905-85. Основные структурные составляющие данного сплава - твердый раствор + интерметаллидные соединения типа (Ni, Me)3 (Al, Me) - γ׳-фаза + карбиды типа Me23С6, карбид титана - TiC, нитрид титана - TiN [4, 5]. Химический состав сплава должен соответствовать ГОСТ 5632-72 (табл. 1). Таблица 1 Химический состав сплава ХН45МВТЮБР-ИД, % масс. Хром Никель Молибден Алюминий Титан Ниобий Углерод 14,0-16,0 43,0-47,0 4,0-5,0 0,9-1,4 1,9-2,4 2,5-3,5 ≤0,1 Электронно-лучевая сварка выполнялась на установке ЭЛУ-11 (рис. 2), укомплектованной универсальным сварочным манипулятором и электронно-лучевой аппаратурой ЭЛТА-60.15 мощностью 15 кВт, в которую входят электронная пушка с катодом косвенного подогрева и инверторный высоковольтный источник питания. Контроль фокусировки электронного пучка производили на поверхности образца по наибольшей яркости пучка при токе луча 1 мА (Io). Рабочее расстояние от пушки до образца составило 300 мм [6]. Рис. 2. Принципиальная схема установки для электронно-лучевой сварки: 1 - электронно-лучевая пушка; 2 - камера установки; 3 - смотровое окно; 4 - образец-имитатор; 5 - манипулятор Установка предназначена для сварки электронным лучом в вакууме кольцевых швов на изделиях, расположенных в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а также сварки изделий с продольными швами. Она позволяет производить сварку цилиндрических изделий под углом наклона планшайбы относительно горизонтальной оси вверх на 90о. Установка позволяет сваривать углеродистые стали толщиной до 45 мм, титан и его сплавы до 55 мм, алюминий и его сплавы толщиной до 60 мм при скоростях сварки 0,5-40 мм/с. Образец-имитатор для устранения остаточной намагниченности подвергали дополнительному размагничиванию, и он поступал на сварку с уровнем намагниченности не более 300 мкТл. Контроль производили микротеслометром МФ-24ФМ. Рентгенографический контроль сварного шва производили на установке «Экстравольт 225/Р3000» с рентгеновской трубкой ТНХ225. Рентгеновский аппарат предназначен для промышленной дефектоскопии и представляет собой стационарный аппарат для проведения анализа промышленных изделий методом рентгеновской дефектоскопии в промышленных и научных лабораториях, а также в цеховых условиях. Для металлографического анализа микроструктуры образцов использовался оптический микроскоп Axio Vert A1 с анализатором микроструктуры поверхностных твердых тел Thixomet при различных увеличениях, а также электронный микроскоп JEOL-6390A. Исследованием производили с 600-кратным увеличением. Микротвердость измерялась на микротвердомере ПМТ-3, нагрузка на индентор составляла 50 г. Измерения микротвердости проводились в поперечном сечении, начиная от верхнего края образца и до нижнего края. Результаты исследования и их обсуждение При исследовании замерялись геометрические параметры шва, полученного при различных значениях тока луча, тока фокусирующей линзы и скорости сварки. Результаты измерения геометрических параметров относительно каждого режима сварки приведены в табл. 2. Таблица 2 Результаты ЭЛС № образца Скорость сварки, мм/с Ток луча, мА Ток фокусировки, мА Ускоряющее напряжение, кВ Ширина верхней области сварного шва, мм Глубина сварного шва, мм Выявленные дефекты 1 7 28 765 60 4,95 2,5 Непровар 2 28 776 5,9 3,6 Непровар 3 28 780 5,95 4,3 Непровар, поры 4 30 783 4,8 4,5 Отсутствуют 5 11 34 776 5,85 4,5 Проплав 6 32 780 6,3 4,5 Проплав 7 32 783 5,55 4,5 Проплав Из табл. 2 видно, что на образце № 1 из-за недостаточного тока луча и тока фокусировки образовались непровар и нехарактерная форма шва. На образце № 2 ток фокусировки по сравнению с образцом № 1 увеличили на 11 мА, вследствие этого глубина проплавления увеличилась, но опять же образовался непровар, ширина шва увеличилась на 1 мм. На образце № 3 по сравнению с образцами № 1 и № 2 получили более характерную для ЭЛС форму шва, а также большую глубину проплавления по сравнению с предыдущими образцами, но все равно с данными параметрами проварить на всю глубину не удалось, ширина шва осталась такой же. На образце № 4 ток фокусировки по сравнению с предыдущими образцами был 783 мА, а ток луча - 30 мА. Этого оказалось достаточно для того, чтобы проварить образец на всю глубину и уменьшить ширину шва. На образцах № 5, № 6 и № 7 по сравнению с предыдущими образцами шов имеет более правильную форму, кромки проварились на всю глубину, но на всех образцах имеется проплав, что обусловлено завышенным током луча [7]. Исследование физико-механической однородности сварного соединения на образцах в целом оценивали методом измерения микротвердости основных его составляющих: основного металла, сварного шва в трех уровнях (на поверхности, в середине и в корне шва) и околошовной зоны (ОШЗ). Результаты замера приведены в табл. 3. Из табл. 3 следует, что характер распределения значений микротвердости по зонам сварного соединения качественно идентичен. Микротвердость ОШЗ имеет минимальные значения ввиду образования переходной зоны от сварного шва к основному металлу. Это обусловлено переходом карбидов и интерметаллидов из твердого раствора на границах зерен в результате изменения структуры от действия температуры [8]. Таблица 3 Результаты замера микротвердости № образца Материал основы, кгс/мм2 ОШЗ, кгс/мм2 Сварной шов, кгс/мм2 На поверхности В середине В корне шва 1 337 276 286 311 310 2 353 302 262 299 317 3 364 278 288 314 322 4 349 306 291 307 306 5 304 281 314 306 300 6 366 289 311 290 302 7 334 299 296 295 316 Из полученных результатов следует, что бездефектное соединение получается при скорости сварки 7 мм/с на образце № 4. Оптимальные геометрические параметры сварного шва сплава ХН45МВТЮБР-ИД представлены в табл. 4. Таблица 4 Оптимальные параметры для сварки Ток сварки, мА Ток фокусировки, мА Параметры сварного шва Ширина ванны, мм Глубина провара, мм 30±1 783 4,8 4,0 Микроструктура с геометрическими параметрами сварного шва на режимах табл. 4 представлена на рис. 3. Рис. 3. Сварной шов Данные параметры сварки обеспечивают необходимую глубину проплавления для полного провара с минимальной шириной ванны и исключают образование дефектов. На электронном микроскопе была исследована микроструктура сварного шва образца № 4, представленная на рис. 4. По центру сварного шва видна столбчатая дендритная структура литого сплава. В микроструктуре сварного шва наблюдается повышенная травимость в околошовной зоне и увеличенное до 7-8 баллов зерно по сравнению с основным материалом, где величина зерна соответствует 9-му баллу шкалы ГОСТ 5639-82. а б Рис. 4. Микроструктура образца № 4: а - в околошовной зоне; б - в сварном шве Заключение В работе исследованы образцы сварных швов из жаропрочного сплава ХН45МВТЮБР-ИД, полученные электронно-лучевой сваркой на установке ЭЛУ-11. Определены геометрические размеры сварных швов, исследована макро- и микроструктура зон сварки и измерена микротвердость. Результаты комплексных исследований позволяют выбрать оптимальный режим электронно-лучевой сварки. По результатам проделанной работы можно сделать следующие выводы: 1. Сварные швы сформированы с мелкодисперсной дендритной структурой. 2. Исследование сварных швов на микроскопе позволило выявить такие дефекты, как непровар и поры. 3. Замеры микротвердости показали качественно одинаковые результаты по всем зонам сварного шва. 4. Глубина сварного шва увеличивается с возрастанием тока луча, который определяется мощностью в электронном пучке. 5. Оптимальным режимом электронно-лучевой сварки является режим с параметрами: скорость сварки 7 мм/с, ток луча 30 мА, ток фокусировки 783 мА, при котором образец № 4 проварился полностью и не было выявлено дефектов.

About the authors

S L Isaev

Samara State Technical University

Postgraduate Student 244, Molodogvardeyskaya str., Samara, 443100, Russian Federation

References

Supplementary files