Сварка высокопрочных и сверхпрочных сортов стали

Применение высокопрочных и сверхпрочных сортов стали позволяющее уменьшить массу переносного оборудования, подъемных устройств и других механизмов получило широкое распространение используя облегченные элементы конструкций, инженеры могут расширить возможности механизмов и повысить их энергоэффективность. Тем не менее, тепловой цикл сварки ослабляет определенные свойства свариваемого материала. Таким образом, предпринимаются попытки минимизировать этот эффект за счет разработки методов, отличающихся низким тепловложением. В данной статье предлагается краткое описание экспериментов, проведенных с использованием метода импульсной сварки MAG, целью которых являлось уменьшение тепловложения при сварке и, следовательно, улучшение механических свойств сварного шва. Это направление развития имеет особое значение для сварки высокопрочных и сверхпрочных сортов стали, которые более чувствительны к тепловому циклу, по сравнению с обычными сортами конструкционной стали.

В машиностроении определение размеров сварных соединений является одним из наиболее критических факторов, от которых зависят эксплуатационные характеристики изделия. Разработчик изделия и инженер, ответственный за определение размеров швов, совместно определяют необходимые свойства и характеристики шва. При сварке стали сверхпрочных марок точный контроль тепловложения является ключевым фактором обеспечения соответствия техническим условиям на сварное соединение. Чрезмерное тепловложение приводит к образованию полосы, которая мягче свариваемого материала, формирующей околошовную зону, что приводит к снижению ударной вязкости и прочности сварного шва, в то время как очень низкое тепловложение повышает риск дефектов шва.

На высоколегированной стали, а также толстолистовой высокопрочной стали различных марок также могут быть заметны признаки водородного растрескивания, которого можно частично избежать, используя предварительный нагрев и повышенную рабочую температуру. Работу сварщиков и инженеров-сварщиков можно облегчить, совершенствуя методы и оборудование сварки.

При сварке высокопрочной тонколистовой стали практически отсутствует минимальное значение тепловложения. Напротив, при слишком высоком тепловложении появляются проблемы:

чрезмерное тепловложение ухудшает механические характеристики сварного шва. Импульсную сварку MAG можно использовать для получения тепловложения, которое ниже получаемого при работе с полукруглой дугой или с дугой со струйным переносом металла.

Импульсная сварка

При импульсной сварке MAG перенос сварочного металла контролируется при помощи импульсного тока. Этот метод можно использовать для переноса сварочного металла без короткого замыкания даже при очень слабом сварочном токе, обычно используемом для сварки короткой дугой или полукруглой дугой со струйным переносом металла.

Капля сварочного металла отделяется от проволоки при подаче импульса, как видно на Рисунке 1. На этом рисунке также показаны основные параметры импульсной сварки MAG:

  • импульсный ток;
  • базовый ток;
  • частота;
  • длительность импульса.


Рисунок 1. Перенос металла на разных фазах тока при импульсной сварке MAG (снимки получены при помощи высокоскоростной камеры в сварочной лаборатории Kemppi).

 

Испытания сварных соединений

Испытания сварных соединений проводились в сварочной лаборатории Kemppi с использованием аппарата Kempactpulse 3000 для автоматизированной сварки. Для испытаний были использованы: износостойкая сталь Ruukki Raex 400 Е и отпущенная сталь Test Grade S 1000 QL. Их характеристики указаны в Таблице 1.

Таблица 1. Характеристики испытуемых материалов

 

Типом соединения, выполнявшимся при проведении испытаний сварных соединений, было стыковое соединение при помощи одного и двух наплавленных валиков поочередно под углом разделки кромок 40 град. без воздушного зазора для корневого прохода или подкладного кольца (см. Рисунок 2).


Рисунок 2. Угол разделки кромок соединения встык.

 

Необычно острый угол разделки кромок был использован для максимального уменьшения тепловложения. Температура между двумя наплавленными валиками составляла менее 50 ‘С.
Были использованы близко соответствующие сварочный металл (Union Х 96, EN 12534: G Mn4Ni2.5CrMo) и защитный газ (MISON 18, EN 439-Я М21: Ar + 18% CO2 + 0,03% NO). Использовалась сплошная электродная проволока диаметром 1,0 мм, а стандартный предел текучести сварочного металла составлял Rp0,2 > 930 Н/мм2. Химический состав сварочной проволоки (согласно данным производителя) указан в Таблице 2.

 

Таблица 2. Химический состав сплошной проволоки Union Х 96 (согласно данным, предоставленным производителем).

 

С целью обеспечения сопоставимости сварка материалов для испытаний
проводилась на трех разных энергетических уровнях с использованием идентичных сварочных параметров. В Таблице 3 показаны значения энергии дуги, измеренные с помощью осциллоскопа.

 

Таблица 3. Значения энергии дуги и количество валиков, используемые при испытании сварных соединений

На Рисунках 3 и 4 показаны примеры макроснимков швов, выполненных с одним и двумя валиками.

 


Рисунок 3. Пример шва с одним валиком. Е = 0,94 кДж/мм. Испытуемый материал: Raex 400, 6 мм.

 


Рисунок 4. Пример шва с двумя валиками. Е = 0,34 кДж/мм. Испытуемый материал: S100 QL, 6 мм.

 


Характеристики, необходимы для сварного соединения, определенные ранее, представлены на чертежной доске инженера

 

Результаты

Испытания материала сварных швов были проведены в лаборатории разрушающих испытаний компании Ruukki. В ходе испытаний измерялись профили твердости сварных швов, значения ударной вязкости по Шарпи, а также значения прочности швов.

Профили твердости сварных соединений показаны на Рисунках 5 и 6. Цифры четко показывают различия между отпущенной сталью и износостойкой сталью. Износостойкая сталь более чувствительна к нагреванию, что приводит к размягчению на каждом уровне энергии дуги, в то время как профиль твердости отпущенной стали почти однороден при энергии дуги 0,44 кДж/мм. Воздействие наименьшей энергии дуги (0,34 кДж/мм) на оба испытуемых материала приводило к образованию полосы, которая тверже свариваемого материала, формирующего металл шва. Это было вызвано повышенным управлением металла шва и быстрым остыванием. Воздействие наибольшей энергии дуги (0,94 кДж/мм) вызывало наибольшее размягчение.


Рисунок 5. Профили твердости отпущенной стали Test Grade S 1000 QL при различной энергии дуги.

 


Рисунок 6. Профили твердости износостойкой стали Raex 400 при различной энергии дуги.

 

Испытания на ударную прочность проводились с использованием маятникового копра (по Шарпи, до 300 Дж). Для испытаний твердости по отскоку был использован образец для испытаний размерами 5х1х55 мм. Результаты, показанные на Рисунках 7 и 8, представляют собой средние значения испытаний трех образцов.

 

Результаты испытаний на ударную вязкость показывают, что швы с наименьшими значениями тепловложения не характеризовались лучшими значениями ударной вязкости. Причину этого, по всей вероятности, можно установить при помощи исследования профилей твердости и микроструктуры. В профилях твердости зоны в сварочном металле и зоне роста зерна можно наблюдать локальную область повышенной твердости, являющуюся результатом быстрого остывания. Это область (являющаяся наиболее критическим местом в подверженной тепловому воздействию зоне соединения) затвердела и стала более хрупкой, чем другие части соединения.

На Рисунке 7 показано, что для отпущенной стали наилучшие значения ударной вязкости достигались при значениях энергии дуги 0,44 и 0,94 кДж/мм. Результаты испытаний швов Raex 400 на ударную вязкость показаны на Рисунке 8. Воздействие наибольшей энергии дуги (0,94 кДж/мм) явно приводило к худшим значениям ударной вязкости и твердости.


Рисунок 7. Результаты испытаний отпущенной стали Test Grade S 1000 QL на ударную вязкость по Шарпи.

 


Рисунок 8. Результаты испытаний износостойкой стали Raex 400 на ударную вязкость по Шарпи.

 

Для каждого шва было проведено по два испытания на разрыв. Их результаты показаны в Таблице 4.

Таблица 4. Результаты испытаний на разрыв

Результаты испытаний на разрыв соответствуют результатам испытаний на твердость. Профили твердости показали размягчение при наибольшей энергии дуги (0,94 кДж/мм), а результаты испытаний отпущенной стали также показали, что прочность этих соединений, сваренных при набольшей энергии дуги (0,94 кДж/мм), не была на одном уровне с прочностью свариваемого металла. Однако значение прочности шва отпущенной стали Test Grade S 1000 QL было очень близким к техническим условиям на прочность свариваемого металла даже в случае воздействия наибольшей энергии дуги.

 

Заключение

Требуемые характеристики сварного шва определяются на раннем этапе, у чертежной доски инженера, когда принимаются решения, оказывающие влияние на сложность сварочных работ и диапазон доступных параметров сварки. Передовые методы, такие как импульсная сварка MAG облегчают достижение требуемого результата. Однако нельзя забывать, что оптимальные параметры сварки и значения энергии дуги для различных марок стали, произведенных с использованием различных методов, могут отличаться даже если марки стали имеют одинаковое значение прочности. Низкая энергия дуги, необходимая для сварки твердых марок стали, может быть достигнута за счет использования метода сварки MAG, который имеет множество преимуществ перед низкоэнергетической дуговой лазерной сваркой, гибридной или плазменной сваркой: оборудование для сварки MAG отличается невысокой стоимостью и простотой эксплуатации, а также занимает прочные позиции в отрасли. Естественно, сварку MAG можно использовать и для ручной сварки, которая часто является единственным вариантом в случае монтажной сварки и в других областях применения.

Сварка высокопрочной стали не требует использования каких-либо специальных методов. Все доступные методы можно применять, если соблюдать технические условия на швы и не забывать об особых свойствах используемой марки стали. Выбор метода сварки для каждого задания также зависит от свариваемого материала и имеющегося для конкретной работы оборудования.

 

Выводы

Для марок испытуемой стали наилучшие механические характеристики были достигнуты при использовании энергии дуги О, 44 кДж/мм. Однако энергия дуги, используемая при сварке отпущенной стали Test Grade S 1000 QL, могла бы быть немного больше, и это не вызвало бы значительного ухудшения механических характеристик сварного соединения.

Износостойкая сталь Raex 400 оказалась более чувствительной к тепловложению: энергия дуги 0,94 кДж/мм привела к 15 % потере твердости и прочности соединения по причине размягчения.

Результаты испытаний показывают, что низкое тепловложение, необходимое для сварки высокопрочной стали, может быть достигнуто за счет использования оборудования для сварки MAG. При сварке высокопрочной, высоколегированной стали низкая энергия дуги или использование толстых листов могут привести к отвердению и появлению нежелательных микроструктур, способных снизить пластичность шва.

Яни Кумпулайнен
Магистр естественных наук,
инженер-сварщик

Журнал Kemppi ProNews

 

Категории: Новости Hi-Tech

Добавить комментарий