Лазерный мир

Деревягина Л.С., Гордиенко А.И., Оришич А.М., Маликов А.Г. // сборник Международная конференция «Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии», посвященная 90-летию со дня рождения основателя и первого директора ИФПМ СО РАН академика Виктора Евгеньевича Панина в рамках Международного междисциплинарного симпозиума «Иерархические материалы: разработка и приложения для новых технологий и надежных конструкций», 5-9 октября 2020 года, Томск, Россия : тезисы докладов. Томск, 2020. С. 348-349

Известно, что, низкоуглеродистые микролегированные трубные стали после применения специальных термомеханических обработок обладают повышенным комплексом механических свойств. Однако высокая прочность и вязкость разрушения трубных изделий могут существенно снижаться при проведении процесса сварки. Это связано с тем, что при нагреве и быстром охлаждении в зоне сварного шва формируется неоднородная градиентная структура. Одним из методов сварки является лазерная сварка. Было показано, что благодаря высокой концентрации энергии лазерного пучка на небольшой площади нагрева протяженность зоны сплавления (ЗС) и зон термического влияния (ЗТВ) значительно меньше по сравнению с другими методами сварки [1]. Однако за счет больших скоростей охлаждения в лазерном сварном соединении достигается более высокий уровень твердости. Детальные исследования структур околошовной зоны трубных сталей после лазерной сварки и сведения об их связи с механическими свойствами в литературе ограничены. В связи с этим, цель настоящей работы – исследовать особенности формирования ЗТВ в стали Х80 под воздействием лазерной сварки в низкоуглеродистой стали и оценить механические свойства полученных сварных соединений.

Низкоуглеродистая сталь категории прочности X80 имела следующий химический

состав, % (масс.): 0.055 С; 1.59 Мn; 0.073 Si; 0.025 Сr; и комплекс микролегирующих добавок Ni+V+Ti+Nb+Сu. Заготовки стали были поставлены после контролируемой прокатки с окончанием прокатки в (γ+α)-области, после чего следовало ускоренное охлаждение до температур бейнитного превращения с последующей выдержкой для протекания бейнитного превращения. Лазерную сварку пластин стали осуществляли на автоматизированном лазерном технологическом комплексе «Сибирь-1» за один проход. Комплекс оснащен непрерывным СО2-лазером с мощностью до 8 кВт. Мощность лазерного излучения Р составляла 1.2 кВт, скорость сварки V – 1 мм/мин., заглубление фокуса ∆f – 2 мм от верхней поверхности листа. Для защиты сварного шва и корня шва использовали инертный газ (гелий).

Микроструктуры в зоне сварного шва исследовали с использованием оптического микроскопа Zeiss Axiovert 25. Травление шлифов для металлографических исследований проводили в 3% спиртовом растворе HNO3. Измерение микротвердости по Виккерсу проводили на протравленных образцах вдоль горизонтальной оси сварного шва с помощью микротвердомера ПМТ-3 при нагрузке 100 грамм. Механические испытания на статическое растяжение образцов с центральным сварным швом с размерами рабочей части 15´3´1 мм проводили на установке типа Поляни. Ударные испытания на изгиб образцов с V-образным надрезом проводили на маятниковом копре INSTRON MPX 450 в диапазоне температур испытаний от + 20°C до –70°C. Размеры образцов со сварным швом составляли 8 × 3 × 55 мм. Надрез наносили таким образом, чтобы он пересекал и зону сплавления (ЗС) и ЗТВ.

Исходная микроструктура стали X80 состояла из смеси ферритных, бейнитных зерен и областей троостита. Средний размер ферритных зерен равнялся 4.5 мкм, а бейнитных 1-1.5 мкм. Объемная доля перлита составила 6%.

В результате лазерной сварки стали получен узкий сварной шов шириной 2100 мкм (Рис.1, а, показана половина сварного шва). В центре сварного шва располагается ЗС с шириной ≈ 550 мкм. В ЗС мартенсит является основной структурно-фазовой составляющей. Структура имеет дендритный характер. Это связано с высокой температурой нагрева этой зоны (выше температуры плавления) и чрезвычайно высокой скоростью охлаждения.

В ЗТВ выделялись четыре зоны (Рис.1, а). Первая зона располагается рядом с ЗС, ее ширина составляла ≈ 190 мкм с каждой стороны. Структура первой зоны отличается от ЗС, в ней отсутствует дендритная структура, меньше размер зерен, а длина мартенситно- бейнитных реек ограничена границами зерен. Следующая вторая зона с шириной ≈ 300 мкм отличается от первой зоны меньшим размером зерен и выраженным отсутствием игольчатости в структуре. Такая дисперсность зерен объясняется тем, что нагрев по мере удаления от ЗС становиться меньше и соответствует нижней области существования кристаллической γ-фазы. Это приводит к более дисперсной структуре аустенита. Более низкая скорость охлаждения способствует формированию преимущественно бейнитной структуры вместо мартенситной. В третьей зоне, ширина которой ≈ 240 мкм, видны светлые ферритные области, чередующиеся с темными, что свидетельствует о разогреве этой зоны до области существования (γ+α)-фаз. Четвертая зона состоит в основном из ферритных зерен с небольшой долей бейнитных зерен.

После четвертой зоны структура характерна для исходной феррито/бейнитно/ троститной структуры. Однако, наблюдается небольшой рост зерен, по сравнению с исходной структурой. Это свидетельствует о протекании частичного процесса отпуска.

В результате высокой скорости охлаждения после лазерной сварки и формирования мартенситной структуры в зоне сварного шва происходит значительный рост микротвердости. Максимальные величины микротвердости наблюдали в ЗС (290-300 HV). По мере удаления от зоны сплавления микротвердость плавно снижается.

Прочностные характеристики при растяжении образцов со сварным швом составляют 93-97% от основного материала, а пластичность остается на уровне значений исходного материала.

После испытаний образцов со сварным швом на ударный изгиб обнаружено, что общий уровень величин ударной вязкости разрушения KCV снизился по сравнению с исходным состоянием. Однако величины KCV находятся на достаточно высоком уровне (KCV+20℃ = 180Дж/см2, KCV-70℃ = 170Дж/см2). Следует отметить, что при понижении температуры испытаний величины KCV не снижаются, а находятся примерно на одном уровне. Что свидетельствует о сохранении вязкопластичных свойств и хладостойкости образцов со сварным лазерным швом.

Работа выполнена в рамках Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы, направление III.23. 1.1. и проекта РФФИ

№16-48-700257р_а.

1. Weidong Li, Lixia Ma, Peng Peng, Qiang Jia, Zhandong Wan, Ying Zhu, Wei Guo. Microstructural evolution and deformation behavior of fiber laser welded QP980 steel joint // Materials Science & Engineering A. 2018. V. 717. P. 124–133.

Полное содержание: http://vital.lib.tsu.ru/vital/access/services/Download/vtls:000786908/SOURCE1?view=true