Лазерный мир

Е. Н. Бердникова, к.т.н., В.Н. Сидорец // Инновационные технологии и экономика в машиностроении
Национальный исследовательский томский политехнический университет, 2014, Издательство: национальный исследовательский томский политехнический университет (Томск), материалы V международная научно-практическая конференция «инновационные технологии и экономика в машиностроении», Юрга, 22-23 мая 2014 г.

Введение. При проектировании и изготовлении конструкций ответственного назначения основное внимание уделяется их эксплуатационной надежности и долговечности, что предопределяет использование высокопрочных материалов и высокое качество сварных соединений. В настоящее время при изготовлении ответственных сварных конструкций применяют высокопрочные стали с пределом текучести более 700 МПа, обеспечивающие высокий уровень механических свойств. На сегодняшний день все большее применение получил один из прогрессивных высокоскоростных способов сварки — лазерная сварка, который позволяет получать качественные соединения [1-3]. Однако в результате воздействия термического цикла сварки структура и фазовый состав металла швов и зоны термического влияния (ЗТВ) могут существенно меняться и, соответственно, влиять на уровень механических свойств и трещиностойкость сварных соединений [4-6]. Поэтому возникает необходимость поиска решений путем проведения комплексных технологических и материаловедческих экспериментов.
Известно, что наиболее значимые критерии, характеризующие, надежность соединений – это предел текучести металлов и сплавов и их сопротивляемость замедленному разрушению. Так при сварке высокопрочных сталей основные проблемы связаны с предотвращением образования холодных трещин в сварных соединениях, что обусловлено формированием (особенно в ЗТВ) крупнозернистых структур закалочного типа, являющихся концентраторами внутренних напряжений и потенциальными
причинами трещинообразования. Поэтому актуальной задачей на сегодняшний день является исследование структуры сварных соединений, а также определение условий трещинообразования.
Целью работы является исследование особенностей фазовых и структурных изменений в металле высокопрочной стали по зонам сварных соединений (шов, ЗТВ), полученных при использовании лазерной сварки и оценка влияния формирующейся структуры на уровень прочности и трещиностойкости этих соединений.
Методика исследований. В качестве объекта исследований выбраны сварные соединения бейнитно-мартенситной стали 14ХГН2МДАФБ (0,183% С; 1,19% Cr; 0,98% Mn; 2,07% Ni; 0,22% Mo 0,08% V; 0,33% Si; не более 0,018% P и 0,005% S) с σ0,2 > 700МПа толщиной 6 мм. Сварные соединения получали лазерной сваркой (скорость сварки Vсв ~ 54 м/ч [15 мм/с]) с применением излучения Nd:YAG-лазера модели DY 044 (Rofin Synar, Германия) с длиной волны λ = 0,808/0,940 мкм (диаметр фокального пятна 1,2 мм) без использования присадочных материалов. Мощность лазерного излучения составляла 4,4 кВт при расходе защитных газов (18% СО2 + 82% Аr) Q = 14 л/мин [~ 233 см3/с].
Исследования структурно-фазовых изменений в металле шва и ЗТВ проводили с помощью световой микроскопии (оптические микроскопы «Versamet-2» и «Neophot-32»), микротвердость измеряли на микротвердомере М-400 фирмы «Leco» при нагрузке 100 г. Фрактографические исследования проводили методами растровой электронной микроскопии (сканирующий электронный микроскоп SEM-515 фирмы «PHILIPS», Нидерланды) на разрушенных образцах сварных соединений, полученных в результате испытаний на ударный изгиб.
Результаты. В результате металлографических исследований структурно-фазовых составляющих: бейнита (Б); мартенсита (М); феррита (Ф); размера зерен или пакетов (DЗ); коэффициента формы кристаллитов (æ = l / h),  формирующихся в металле швов и различных участках ЗТВ, а также соответствующих изменений микротвердости (HV) установлено следующее.
Структура основного металла стали 14ХГН2МДАФБ бейнитно-ферритная (Б-Ф) с размером зерен DЗ ~ 5…24 мкм и микротвердостью HV(Б-Ф) = 2560 МПа, рис.1, а. Фазовый состав металла шва бейнитнный (Б) с некоторой долей мартенсита (М) при DЗ ~ 60…100120…350 мкм и коэффициенте формы зерна æ ~ 2…3 и HV(Б-М) = 3940…4290 МПа, рис.1, б. Фазовый состав метала ЗТВ в участке перегрева бейнитный (верхний и преимущественно нижний бейнит) с равноосной зеренной структурой при DЗ ~ 20…50 мкм и HV(Б) = 3830…3850 МПа, рис.1, в. В участке перекристаллизации ЗТВ структура измельчается в 2…4 раза при HV= 3700…3970 МПа, рис.1, г. Таким образом, при переходе от шва к ЗТВ фазовый состав металла изменяется, увеличивается объемная доля структур нижнего бейнита, измельчается зеренная структура при незначительном (в среднем на 5%) снижении микротвердости.

Полное содержание статьи: http://www.lib.tpu.ru/fulltext/c/2014/C30/V1/001.pdf