Структура и прочность неразъемных соединений, полученных методом лазерной сварки
.RU

Структура и прочность неразъемных соединений, полученных методом лазерной сварки


СТРУКТУРА И ПРОЧНОСТЬ НЕРАЗЪЕМНЫХ СОЕДИНЕНИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ


Н.Б. Пугачева1, С.В. Смирнов1, Д.И. Вичужанин1, Ю.В. Афонин2, А.М. Оришич 2, А.Н. Черепанов2

1Институт машиноведения УрО РАН, Екатеринбург, Россия,

2Институт теоретической и прикладной механики им. А.С. Христиановича СО РАН, Новосибирск, Россия
nat@imach.uran.ru

Качество сварных швов аустенитных конструкционных сталей и титановых сплавов снижается за счет опасности появление холодных трещин, которые могут возникнуть как сразу после сварки, так и в процессе длительного хранения. Нередко перед конструкторами возникает необходимость осуществления сварки титанового сплава с конструкционной сталью. При этом возникает ряд технологических сложностей, связанных с существенными различиями теплофизических свойств соединяемых материалов. Проплавление титановых сплавов происходит гораздо интенсивнее по сравнению со сталями. При лазерной сварке конструкций из нержавеющей стали наиболее опасна химическая неоднородность шва, которая может служить основной причиной снижения механических свойств и стойкости к образованию холодных трещин. Для получения качественных швов при сварке титанового сплава с нержавеющей сталью перспективным представляется использование некоторых промежуточных слоев, позволяющих сгладить различия между соединяемыми материалами, например медной пластины. Сама по себе медь отличается высокой пластичностью и малой прочностью, однако при перемешивании соединяемых титанового сплава и аустенитной стали в расплаве меди возможно формирование сварного шва достаточно высокой прочности.

Сварку листов толщиной 3 мм из титанового сплава ВТ1 и нержавеющей стали 12Х18Н10Т проводили с помощью СО2 лазера при разных величинах скорости движения луча, тока, мощности и разной степени фокусировки. В качестве переходного слоя, участвующего в формировании сварного шва, использованы медные пластины толщиной 1 мм. Кроме того использовали дополнительные технологические приемы: отжиг пропановой горелкой, провар с двух сторон, добаки нонопорошков TiN, Y2O3 и Cr. Методами оптической металлографии (микроскоп NEOPHOT 21), а также растровой электронной микроскопии на приборе ТESCAN VEGA II XMU (Чехия), оснащенном системами рентгеновского волнодисперсионного микроанализа INCA WAVE 700, энергодисперсионного микроанализа INCA ENERGY 450 с ADD детектором фирмы OXFORD (Великобритания) и программным обеспечением INCA исследованы микроструктура, распределение элементов, локальный химический состав материала сварных швов и прилегающих к ним диффузионных зон. Фазовый состав сварных швов определяли с поверхности поперечных шлифов на рентгеновском дифрактометре Shimadzy в kα излучении хрома. Измерения микротвердости по сварному шву проведены на приборе LEICA VMHT AUTO (Германия) при нагрузках от 10 до 50 г. Испытания на статическое растяжение осуществляли на сервогидравлической испытательной машине INSTRON 8801 в соответствии с ГОСТ 6996-66 «Сварные соединения. Методы определения механических свойств». Скорость растяжения составляла 1 мм/мин.

Режим лазерной сварки оказал существенное влияние на структуру и прочность соединений. Максимальной прочностью при статическом растяжении характеризуются швы с промежуточным медным слоем и добавкой нанопорошков TiN+Y2O3+Cr (см. таблицу, режим 5), хотя это значение немного ниже прочности титанового сплава ВТ1 (образец 11). Нанопорошки присутствуют в материале сварного шва, что подтверждают результаты рентгеноструктурного фазового и локального микрорентгеноспектрального анализов. Содержание TiN составило не более 1 мас. %, Y2O3 – не более 0,05 мас. %, Cr присутствует в сварном шве за счет диффузии из нержавеющей стали, поэтому выявить влияние нанодобавок этого элемента не представлялось возможным. Немного ниже значения прочности сварного шва, полученного по такому же режиму, но без нанопорошков - σв около 335 МПа – микроструктура шва приведена на рисунке 1 а. Среднее значение микротрведости материала шва составило НV 0,05 330. Максимально однородные по химическому составу и распределению значений микротвердости швы образуются после отжига пропановой горелкой (рисунок 1 б). Значения временного сопротивления немного ниже (σв=319 МПа), чем до отжига.


Таблица - Результаты испытаний на статическое растяжение сварных швов аустенитной стали и титанового сплава с промежуточной медной пластиной



№ образца

, МПа

, МПа

δ, %

Ψ, %

Режим сварки

1

335

305

0,56

-

V=1; I=12 А; Р=2.35 кВт; F=-2

2

319

273

-

-

V=1; I=12 А; Р=2.35 кВт; F=-2; отжиг пропановой горелкой

3

229

-

-

-

V=1; I=12 А; Р=2,4 кВт; F=+1

4

0,8

0,2

-

-

V=1; I=10 А; Р=1,7 кВт; F=0

5

375

290

1,06

-

V=1; I=12 А; Р=2,4 кВт; F=-2, нанопорошки TiN, Y2O3 и Cr

6

2,2

1,8

-

-

V=1; I=10 А; Р=1,7 кВт; F=-2; нанопорошки TiN и Cr;

провар с двух сторон

7

215

-

0,13

-

V=1,5; I=10 А; Р=1,8 кВт; F=2; пластина Та толщиной 0,1 мм со стороны ВТ1

8

275

-

-

-

V=0,6; I=10 А; Р=1,7 кВт; F=-2

9

217

-

-

-

V=0,4; I=8 А; Р=1,7 кВт; F=-2

10

179

-

-

-

V=0,3; I=7 А; Р=1 кВт; F=-2

11

485

375

20

55

Образец вырезан из листа сплава ВТ1

12

690

390

55

65

Образец вырезан из листа стали 12Х18Н10Т



Среднее значение микротвердости материала сварного шва после отжига снизилась до НV 0,05 300, а диффузионной зоны на границе с титановым сплавом практически не изменилось (НV 0,05 535 до отжига и 510 после отжига), при этом максимальное значение снизилось от НV 0,05 720 до 704, а минимальное повысилось от НV 0,05 280 до 310, что свидетельствует о частичном растворении интерметаллидов и переходе элементов в твердый раствор. В диффузионной зоне на границе с аустенитной сталью процессы растворения интерметаллидов более заметны, это отразилось на выравнивании значений микротвердости по ширине и высоте диффузионной зоны: среднее значение микротвердости материала этой зоны составило НV 0,05 536 без отжига и 512 после отжига. При этом максимальное значение По данным локального микрорентгеноспектрального анализа диффузионная зона на границе с титановым сплавом содержит максимальное количество кислорода (около 6 мас. %).

Использование двухсторонней сварки не привело к улучшению качества шва, скорее наоборот, способствовало образованию трещины, по которой произошло быстрое разрушение образца (обр. № 6 в таблице). Уменьшение мощности, тока и скорости прохождения луча привело к формированию неоднородных по химическому составу сварных швов с изогнутыми границами, ширина которых существенно изменяется по высоте (рисунок 2). Прочность этих соединений значительно ниже по сравнению с полученными лазерным лучом большей мощности (режимы 8, 9 и 10), с уменьшением значений V, J и Р значения временного сопротивления сварного шва снижается.



12Х18Н10Т

12Х18Н10Т




а


ВТ1


б


Рисунок 1 – Микроструктура сварных швов с промежуточной медной пластиной: а - структура шва, полученная по режиму 7; б – мелкодисперная однородная структура после отжига пропановой горелкой (режим 2)


Во всех исследованных сварных швах обнаружено интенсивное диффузионное взаимодействие соединяемых материалов с медными пластинами. На границе с нержавеющей сталью и титановым сплавом образуются достаточно широкие (около 0,35 мкм) диффузионные зоны, которые способствуют плавному перераспределению свойств между соединенными материалами. Через расплавленный металл сварочной ванны происходит диффузионное перераспределение титана до нержавеющей стали, и железа – до титанового сплава. На границе с титановым сплавом диффузионная зона содержит от 30 до 72 мас. % меди, от 3 до 22 мас. % железа, около 1,5 мас. % никеля, около 1,5 мас. % хрома и от 20 до 56 мас. % титана. По данным локального химического и фазового рентгеноструктурного анализов эта диффузионная зона образовалась, главным образом, за счет растворения меди в титане, что привело к увеличению параметров решетки последнего.

Диффузионная зона на границе с нержавеющей сталью представляет собой твердый раствор меди и титана в железе, параметр решетки аустенита при этом увеличился на 0,1 Å по сравнению с основой аустенитной стали. Концентрация железа по толщине диффузионной зоны уменьшается при удалении от границы с нержавеющей сталью до 48 мас. %, хрома – до 10 мас. %, никеля до 4 мас. %, а меди и титана увеличивается до 17 и 13 мас. %, соответственно.



12Х18Н10Т

ВТ1


Рисунок 2 – Микроструктура неоднородного по строению сварного шва с промежуточной медной пластиной, полученного по режиму 10 (см. таблицу).



Основу сварных швов составляет твердый раствор всех элементов в решетке меди, в котором равномерно или строчечно располагаются интерметаллиды TiCu3, TiFe2, TiCr2. Частицы интерметаллидов имеют размеры от 1 до 200 мкм. Крупные частицы представляют собой конгломераты слившихся друг с другом мелких частиц (рисунок 3 а). Границы крупных частиц неровные, состоят из многочисленных «отростков» и мелких частиц. Особенно это заметно на границе сварного шва с титановым сплавом, где интерметаллиды формируют зубчатую границу (рисунок 3 б), которая упрочняет материал шва и препятствует развитию трещин.

Отжиг пропановой горелкой или повторный нагрев и расплавление при двухстороннем шве приводят к растворению мелких частиц и выравниванию границ между интерметаллидами и твердыми растворами, а также границ между швом и соединяемыми сплавами.






Рисунок 3 – Морфология интерметаллидов в сварном шве титанового сплава и аустенитной стали с промежуточной медной пластиной, полученном по режиму 5 (см. таблицу): а) граница со сталью; б) граница с титановым сплавом


Добавление к медной тонкой пластины тантала привело к частичному растворению последней при сварке с образованием интерметаллидов TaCr2, увеличивших значения микротвердости шва до НV 0,05 800. Однако при выбранном режиме не удалость полностью растворить всю танталовую пластину.

Проведенные исследования показали перспективность использования для лазерной сварки титановых сплавов с нержавеющей сталью медных пластин в качестве промежуточного переходного слоя. Отмечено интенсивное диффузионное взаимодействие соединяемых материалов и медной пластины в процессе воздействия лазерного луча, что обеспечивает плавное изменение микротвердости по ширине сварного шва, а также прочное соединение листов. Дисперсные частицы интерметаллидов в материале швов оказывают упрочняющее действие, что позволяет получить прочные соединения. Введение нанопорошков TiN, Y2O3 и Cr вносит дополнительный вклад в прочность швов за счет измельчения микроструктуры.

Работа выполнена в рамках интеграционного проекта ИМАШ УрО РАН и ИТПМ им. С.А. Христиановича СО РАН.


^ THE INFLUENCE OF THE MODE OF LASER WELDING ON STRUCTURE AND ONE-PIECE CONNECTIONS OF THE TITAN AND AUSTENITIC STEELS WITH ПРОМЕЖУТОСНОЙ THE COPPER PLATE

1N.B. Pugacheva, 1S.V. Smirnov, 1D.I. Vichuganin, 2Yu.V. Afonin, 2A.M. Orishich, 2A.N.Cherepanov, 1Zadvorkin S.M., 1Shershneva L.S.

1Institute of Engineering Science UB RAS, Ekaterinburg, Russia,

2Khristianovich’s Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS, Novosibirsk, Russia

Abstract

Possibility of reception of qualitative one-piece connections of titanic an alloy and аустенитная a constructional steel at the expense of use at laser welding of an intermediate transitive copper layer is shown. Welding spent on different modes, with use of additional processing methods: annealing пропановой a torch, провара from two parties, additives нонопорошков TiN, Y2O3 and Cr. For additional hardening of a welded seam to a copper plate added a tantalum plate. The microstructure, phase and chemical structures of the received welded connections, character of distribution of microhardness on height and width of welded seams are investigated. Mechanical tests for a static stretching of samples with welded seams are conducted. The relief and a local chemical compound of a surface of destruction of samples after mechanical tests is investigated. It is shown that at laser welding of a titanic alloy and stainless steel through an intermediate copper plate the maximum value of time resistance of an alloy of a seam reaches 375 МПа

srednij-otdel-g-n-shaposhnikov-predsedatel-e-g-yakubasova.html
srednij-ural-prosit-federalnie-dengi-na-dorogi-i-titanovuyu-dolinu-23-11-201-1-soderzhanie-glavnie-novosti-sporta-5.html
srednij-vozrast-programma-dlya-doshkolnih-obrazovatelnih-uchrezhdenij-vipusk-2.html
srednyaya-godovaya-zarabotnaya-plata-lic-nanyatih-po-trudovomu-dogovoru-inahodyashihsya-na-gosudarstvennoj-sluzhbe-v-razbivke-po-sektoram-ekonomiki.html
srednyaya-napolnyaemost-klassov-publichnij-doklad-mou-tanarinskij-licej-za-2010-2011-uchebnij-god.html
srednyaya-obsheobrazovatelnaya-shkola-1-s-uglublennim-izucheniem-otdelnih-predmetov-g-novogo-oskola-belgorodskoj-oblasti.html
  • uchebnik.bystrickaya.ru/valerij-lejbin-slovar-spravochnik-po-psihoanalizu-izdatelstva-stranica-17.html
  • reading.bystrickaya.ru/konkurs-sostoit-iz-treh-etapov-distancionnogo-zaochnogo-i-ochnogo-vdistancionnom-i-zaochnom-etapah-chislo-uchastnikov-ne-ogranichenno.html
  • holiday.bystrickaya.ru/moskva-molodaya-gvardiya-1987-stranica-12.html
  • textbook.bystrickaya.ru/informacionnaya-karta-korrekcionnogo-obrazovatelnogo-uchrezhdeniya-stranica-2.html
  • zadachi.bystrickaya.ru/nizshaya-mifologiya-keltov.html
  • credit.bystrickaya.ru/plavayushij-valyutnij-kurs-obshie-ponyatiya-o-makroekonomike-voprosi-k-glave.html
  • upbringing.bystrickaya.ru/metodicheskaya-razrabotka-dlya-provedeniya-seminara-po-uchebnoj-discipline-medicina-katastrof-dlya-studentov-4-kursa-stomatologicheskogo-i-5-h-kursov-lechebnogo-i-pediatricheskogo-fakultetov-tema-43.html
  • institute.bystrickaya.ru/glava-1-razvitie-tela-i-mozga-desyatiletnij-yubilej-perspektivi-203-prilozhenie-zametki-ob-abortah-207-prilozhenie.html
  • education.bystrickaya.ru/4-cel-zadachi-celevie-indikatori-i-pokazateli-rezultatov-realizacii-programmi.html
  • college.bystrickaya.ru/32-dejnost-na-otdel-nadzor-za-zakonnost-zashita-na-obshestveniya-interes-i-pravata-na-grazhdanite-nzzoipg.html
  • kolledzh.bystrickaya.ru/5temi-rolevih-i-delovih-igr-uchebno-metodicheskij-kompleks-specialnost-080102-mirovaya-ekonomika-moskva-2009.html
  • occupation.bystrickaya.ru/napraviha-prva-kopka-na-nova-kooperaciya-mediya-monitoring-po-tema-arhitektura-22-09-05.html
  • lesson.bystrickaya.ru/postroenie-informacionno-upravlyayushej-sistemi-s-elementami-iskusstvennogo-intellekta.html
  • prepodavatel.bystrickaya.ru/tablica-13-chastota-visokih-urovnej-markerov-bakterialnogo-novie-lechebno-diagnosticheskie-i-organizacionnie-tehnologii.html
  • predmet.bystrickaya.ru/sekreti-sozdaniya-zolotogo-zapasa-koe-chto-o-metodah-rascheta-optimalnoj-velichini-tovarnih-zapasov.html
  • assessments.bystrickaya.ru/bolshoj-kulinarnij-slovar-stranica-11.html
  • control.bystrickaya.ru/doshkolnoe-detstvo-period-vklyuchayushij-mladshij-doshkolnij-3-5-let-i-starshij-doshkolnij-vozrasta-5-7-let.html
  • pisat.bystrickaya.ru/svodnaya-tablica-po-metodicheskomu-obespecheniyu-programmi-vtorogo-goda-obucheniya.html
  • uchebnik.bystrickaya.ru/verhovnij-sud-rossijskoj-federacii-opredelenie-ot-22-dekabrya-2010-g-69-g10-14.html
  • control.bystrickaya.ru/biosfera-sfera-zhiznedeyatelnosti-lyudej.html
  • znaniya.bystrickaya.ru/publichnij-otchet-o-rabote-mou-gimnaziya-9-v-2009-2010-uchebnom-godu-kizil-yanvar-2011-goda.html
  • write.bystrickaya.ru/glava-4-predstavlenie-fraz-izobretanie-proektirovanie-razrabotka-i-soprovozhdenie-tom-intellektualnie-sistemi.html
  • grade.bystrickaya.ru/obse-organizaciya-po-bezopasnosti-i-sotrudnichestvu-v-evrope-ukazatel-avtorov-18.html
  • abstract.bystrickaya.ru/2-emansipaciya-problemi-pravovogo-regulirovaniya-rabochaya-uchebnaya-programma-disciplini-soglasovano-dekan-yuridicheskogo-fakulteta.html
  • ucheba.bystrickaya.ru/prilozhenie-f-termini-i-opredeleniya-v-stadii-akkreditacii-v-sisteme-lesnogo-popechitelskogo-soveta-rossijskij.html
  • prepodavatel.bystrickaya.ru/trebovaniya-k-opisaniyu-postavlyaemogo-tovara-dokumentaciya-ob-aukcione-g-sankt-peterburg-2007-g.html
  • znaniya.bystrickaya.ru/rabochaya-programma-disciplina-teoriya-antikrizisnogo-upravleniya-predpriyatiem-specialnost-080503-antikrizisnoe-upravlenie.html
  • notebook.bystrickaya.ru/iii-uchet-v-ooo-almi-amortizacii-osnovnih-sredstv-nematerialnih-aktivov-i-ih-iznosa.html
  • holiday.bystrickaya.ru/na-uchastie-v-aukcione-i-instrukciya-po-eyo-zapolneniyu-3-stranica-6.html
  • occupation.bystrickaya.ru/o-narushenii-prav-detej-na-pensionnoe-obespechenie-po-sluchayu-poteri-kormilca-priznannogo-bezvestno-otsutstvuyushim.html
  • obrazovanie.bystrickaya.ru/proekt-plana-sistemi-uchebnih-i-vneuchebnih-zanyatij-po-skvoznoj-teme-family.html
  • gramota.bystrickaya.ru/zadachi-kotorie-reshali-nashi-predki-12-ispolzovanie-nityanih-modelej-dlya-izucheniya-obemnih-tel-12-treugolniki-v-prirode-i-zhizni-cheloveka-13.html
  • nauka.bystrickaya.ru/urovni-razvitiya-kontrolya-osnovnaya-obrazovatelnaya-programma-nachalnogo-obshego-obrazovaniya-na-2011-2015-uchebnij-god.html
  • uchenik.bystrickaya.ru/kompleksnie-chisla-uchebno-metodicheskij-kompleks-po-discipline-algebra-specialnost-032200-00-fizika-i-matematika.html
  • esse.bystrickaya.ru/razdel-2-klyuchevie-riski-i-vozmozhnosti-otchet-o-socialnoj-otvetstvennosti-i-korporativnoj-ustojchivosti-oao-enisejskaya.html
  • © bystrickaya.ru
    Мобильный рефератник - для мобильных людей.