1499

толщины стыка. Одновременную двустороннюю сварку осуществляют как с общей, так и с раздельными сварочными ваннами;

–развертку электронного пучка: продольную, поперечную, Х-образную, круговую, по эллипсу, дуге и так далее, с амплитудой порядка диаметра луча и различными частотами для создания более благоприятных газо- и гидродинамических условий формирования канала (резонансные режимы нагрева). Двойное преломление электронного пучка в процессе развертки позволяет, например, расширить корневую часть канала, что необходимо для подавления корневых дефектов;

–расщепление электронного пучка (за счет отклоняющей системы) для одновременной сварки двух и более стыков либо для формирования сварного шва несколькими каналами проплавления;

–модуляцию тока электронного пучка с различными частотами для управления тепловложением в сварной шов;

–« косметическое» заглаживание – повторный проход для ремонта видимых дефектов шва как с внешней, так и с внутренней стороны. В некоторых случаях «косметические» проходы осуществляют с присадочной проволокой.

3.2. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

3.2.1. Сварка углеродистых и низкоуглеродистых низколегированных сталей

Для изготовления сварных конструкций широко применяются углеродистые стали. Температурная область их применения составляет диапазон от –40 до 400 ° С в зависимости от состава и структурного состояния, обеспечиваемого термообработкой.

Основные требования, предъявляемые к свойствам сварных соединений из этих сталей: обеспечение равнопрочности

321

с основным металлом и отсутствие дефектов в сварном шве и зоне термического влияния. К ответственным сварным соединениям предъявляются дополнительные требования по величине ударной вязкости. Свойства сварных соединений при ЭЛС этих сталей в значительной степени определяются параметрами сварочного термического цикла: скоростью нагрева, длительностью пребывания выше температуры интенсивного роста зерна аустенита при нагреве и охлаждении, скоростью и длительностью охлаждения в интервале температур распада аустенита 800–500 ° С [2]. Для анализа кинетики фазовых превращений в этих сталях при ЭЛС используют анизотермические диаграммы распада аустенита, с помощью которых определяют характеристические длительности охлаждения до появления в металле сварного соединения отдельных структурных составляющих: перлита, сорбита, троостита, мартенсита. Далее, сопоставляя эти значения со значениями длительности пребывания при данном термическом цикле сварки в интервале температур 800–500 ° С, определяют ожидаемый структурный состав металла шва и зоны термического влияния.

При ЭЛС углеродистых сталей металл шва и зоны термического влияния имеет, как правило, феррито-перлитную структуру, причем основной особенностью структуры считается наличие в металле сварного соединения игольчатого феррита. Кроме того, в зависимости от вида термического цикла на этапе охлаждения возможно образование различных структур перлитного типа (сорбит, троостит). При скорости ЭЛС менее 5 м/ч распад аустенита сопровождается образованием феррито-цементитной структуры перлита, а при увеличении скорости сварки при той же толщине свариваемого металла формируется более жесткий термический цикл с увеличением скорости охлаждения металла сварного соединения, что приводит к образованию сначала сорбита, а затем троостита. В целом стали такого типа имеют хорошие показатели свариваемости и при соблюдении определенных условий мо-

322

гут быть успешно сварены в широком диапазоне значений толщины и режимов ЭЛС.

Наряду с углеродистыми сталями в различных конструкциях применяются низкоуглеродистые низколегированные стали перлитного класса, позволяющие при их применении снизить металлоемкость конструкций на 20–50 %. Это стали марок 14Г, 18Г2, 19Г, 09Г2С, 10ХСНД, 15ХСНД. Наиболее эффективные средства повышения качества этих сталей – их упрочнение за счет легирования кремнием и марганцем и обеспечение дисперсности структуры путем термической или термомеханической обработки. Технология ЭЛС этих сталей разрабатывается с учетом того, что при уменьшении погонной энергии сварки и увеличения скорости охлаждения металла шва и зоны термического влияния возрастает вероятность распада аустенита с образованием закалочных структур (бейнита и мартенсита). При этом снижается сопротивляемость металла сварных соединений возникновению холодных трещин и хрупкому разрушению. При увеличении погонной энергии наблюдается рост зерен аустенита и образуется грубая ферритоперлитная структура с пониженной величиной ударной вязкости. Всвязи с этим рекомендуемая область режимов ЭЛС– это режимы со средними значениями погонной энергии и скорости сварки.

3.2.2. Сварка высокопрочных сталей

Для изготовления ответственных сварных конструкций широко применяются среднелегированные высокопрочные стали, которые содержат до 0,45 % углерода и легированы никелем, хромом, вольфрамом, молибденом и ванадием. Оптимальное сочетание прочности, пластичности и ударной вязкости получают после закалки и низкого отпуска. Типичные представители этих сталей, – стали 38Х2Н2М, 38ХН3М, 42Х2ГСНМА и некоторые другие с пределом прочности 1050–2000 МПа.

Макро- и микроструктура сварного шва, полученного при ЭЛС этих сталей, обладает значительной структурной и механи-

323

ческой неоднородностью по глубине [3]. Например, при сварке 38Х2Н2М, 38ХН3М с глубиной проплавления 15–30 мм формируется 4 характерных зоны первичной макроструктуры, значительно различающихся формой и размерами кристаллитов (рис. 3.2). Первая и вторая структурные зоны расположены в верхней расширенной части сварного шва, третья и четвертая − в нижней клиновидной части шва. Первая зона – валик сварного шва – состоит из крупных полиэдрических кристаллитов, размер зоны 1,5–2,0 мм. Вторая зона состоит из столбчатых кристаллитов, оси кристаллитов направлены ортогонально линии сплавления в поперечном сечении шва и практически вертикально в продольном сечении шва. Глубина зоны колеблется в пределах 3,5–5,5 мм. Третья зона состоит из столбчатых кристаллитов. В поперечном сечении шва оси кристаллитов направлены перпендикулярно линии сплавления, в продольном сечении шва кристаллиты имеют полиэдрическое строение. На рис. 3.2, в представлено горизонтальное сечение шва по 3-й зоне, здесь оси кристаллитов направлены почти навстречу друг другу, т.е. перпендикулярно продольной оси шва. Глубина 3-й зоны составляет 3,75–4,75 мм. Четвертая зона – наиболее глубокая и отличается от 3-й наличием в центре шва длинных столбчатых кристаллитов, растущих в направлении сварки, параллельно горизонтальной плоскости. В поперечном сечении шва центральные осевые кристаллиты имеют равноосное полиэдрическое строение (см. рис. 3.2, а). В продольном сечении (см. рис. 3.2, б) они имеют столбчатое строение: длинные и узкие кристаллиты смаксимальной длиной до 15 мм. Оси роста кристаллитов направлены параллельно поверхности шва и совпадают с направлением сварки. На рис. 3.2, г показано горизонтальное сечение шва по 4-й зоне. Здесь отчетливо видно, что рост столбчатых кристаллитов, направленных от линии сплавления к центру, прерывается перпендикулярно растущими центральными кристаллитами. Изменение направления роста столбчатых кристаллитов по глубине сварного шва связано с изменением характера процесса кристаллизации.

324

чение структуры по высоте шва свидетельствует о повышении скорости охлаждения и кристаллизации, что, безусловно, связано с более интенсивным теплоотводом, зависящим от объема расплавленного металла в различных зонах сварного шва.

в

Рис. 3.4. Микроструктура металла в верхней (а), средней (б) и нижней (в) частях сварного шва (× 300)

Осцилляция электронного пучка относительно стыка по различным видам траекторий в процессе сварки приводит не только к устранению характерных дефектов, но и к изменениям в формировании характерных структурных зон, форм и размеров кристаллитов первичной структуры, особенно в 3-й и 4-й зонах, а также к микроструктурной и механической неоднородности по глубине сварного шва. Эффект от развертки проявляется в изме-

327

нении мгновенной и усредненной по периоду распределения плотности мощности электронного пучка. Благодаря этому при сварке металлов большой толщины удается расширить диаметр канала проплавления, тем самым изменить форму сварного шва

иповлиять на схему и процесс кристаллизации металла шва. В табл. 3.1 приведены режимы сварки сталей 38Х2Н2М, 38ХН3М

и35Х с различной разверткой электронного луча.

В сварных швах, полученных ЭЛС с поперечными колебаниями пучка, глубина 3-й зоны, где столбчатые кристаллиты срастаются в центре шва, увеличивается, в 4-й зоне центральные столбчатые кристаллиты с определенной периодичностью прерываются узкими участками равноосных кристаллитов. Глубина этих участков, как и глубина 3-й зоны, увеличивается с увеличением амплитуды и частоты колебаний.

При продольных колебаниях в 3-й зоне столбчатые кристаллиты не срастаются встык, а переплетаются, причем не по оси симметрии шва. С увеличением амплитуды и частоты продольных колебаний глубина 3-й зоны увеличивается. В 4-й зоне колебания электронного пучка вдоль оси шва приводят к полному подавлению образования центральных осевых столбчатых кристаллитов. Макроструктура в продольном сечении шва представляет собой равноосную полиэдрическую структуру с четко выраженными кристаллизационными слоями практически по всей глубине.

328

При круговых колебаниях электронного пучка в макроструктуре сварных швов уменьшается глубина 3-й зоны, а в 4-й зоне в центральной части шва вместо столбчатых кристаллитов образуются равноосные. При увеличении амплитуды и частоты круговых колебаний пучка одновременно с уменьшением глубины 3-й зоны расширяется зона с равноосной структурой в центральной части шва.

Колебания электронного пучка по Х-образной траектории позволяют в широких пределах изменять форму шва и влиять на структуру металла шва. При увеличении амплитуды осцилляции пучка (частота развертки 400–600 Гц) форма шва изменяется от клиновидной до практически прямоугольной формы, в осевой части шва увеличивается ширина зоны с равноосной структурой, в корне шва структура становится практически равноосной

(рис. 3.5).

Рис. 3.5. Макроструктура сварного шва при сварке с Х-образными колебаниями в поперечном (а) и продольном сечениях (б)

329

Изменение размеров первичных кристаллитов (длины и ширины) по глубине сварного шва, выполненных с различной траекторией осцилляции электронного пучка при оптимальных режимах, представлено на рис. 3.6 и в табл. 3.2. Измерение длины иширины кристаллитов проводилось на поперечных шлифах сварных швов послеспециальноготравлениянапервичнуюструктуру.

Как видно из представленных данных, осцилляция электронного пучка при сварке приводит к меньшим изменениям длины кристаллитов по глубине сварного шва. На ширину кристаллитов вид траектории луча влияет по-разному. Меньшая неоднородность первичной структуры металла сварного шва наблюдается при сварке с Х-образной траекторией колебаний электронного луча.

Рис. 3.6. Изменение длины l (а) и ширины b (б) кристаллитов по глубине сварного шва h, полученного при сварке:

1 – без колебаний электронного пучка; 2 – с поперечными колебаниями; 3 – с продольными колебаниями; 4 – с круговыми колебаниями; 5 – с Х-образными колебаниями

330