1499

Таблица 3 . 2

Экспериментальные данные размеров кристаллитов первичной структуры по глубине сварного шва

При этом в результате ЭЛС с круговыми и Х-образными колебаниями электронного пучка не наблюдается резкого изменения типа первичной микроструктуры. Микроструктуру металла шва можно характеризовать как ячеисто-дендритную.

На рис. 3.7 показано влияние разных видов траектории осцилляции электронного пучка при оптимальных режимах на характер изменения размера зерна металла шва по глубине. В целом колебания электронного пучка в процессе сварки приводят к уменьшению размера зерна. Наиболее сильно это проявляется в сварных швах при продольной (кривая 2) и круговой (кривая 3) траекториях, при Х-образной развертке пучка размер зерна по глубине шва изменяется более плавно (кривая 4).

Колебания электронного пучка вдоль стыка также оказывают влияние на уровень механических свойств по глубине сварного шва. Неоднородность механических свойств косвенно можно оценить по уровню и характеру изменения твердости по глубине сварных швов (рис. 3.8). При сварке без колебаний пучка микротвердость по глубине шва возрастает (кривая 1), продольные колебания приводят к более равномерному изменению

331

микротвердости по глубине шва, однако общий уровень микротвердости повышается. Круговые (кривая 3) и поперечные (кривая 5) колебания приводят к уменьшению общего уровня микротвердости, но распределение по глубине неравномерное. При X-образных колебаниях пучка микротвердость практически не изменяется по глубине шва и ее уровень ниже, чем уровень микротвердости сварного шва, полученного при сварке без осцилляции пучка.

Наиболее полное представление об однородности твердости дают статистические характеристики обработки экспериментальных данных: средние значения твердости, среднеквадратичное отклонение (СКО) и гистограммы частотных распределений значений твердости (рис. 3.9).

Наименьшие средние значения твердости H имеют сварные швы, полученные при поперечных колебаниях электронного пучка, однако разброс значений твердости (СКО) здесь самый большой. Более однородное распределение значений твердости (СКО) наблюдается в сварных швах с круговой и Х-образной развертками пучка, среднее значение твердости H при этом ниже среднего значения твердости сварного шва, полученного без осцилляции пучка.

Таким образом, использование осцилляции электронного пучка оказывает непосредственное влияние на процесс формирования первичной и вторичной структуры металла шва при ЭЛС высокопрочных сталей. Это происходит в соответствии с изменениями формы шва. Сварка с применением развертки электронного пучка по Х-образной и круговой траекториям позволяет в большей степени изменять форму сварных швов и, как следствие, управлять процессом структурообразования. При сварке с Х-образной разверткой электронного пучка выравнивается характер процесса кристаллизации по глубине и ширине шва и формируется более однородная макро-, микроструктура и твердость.

333

3.2.3. Сварка аустенитных коррозионно-стойких сталей

Впромышленности широко используются аустенитные коррозионно-стойкие стали. К сталям этой группы относятся стали, содержащие около 18 % хрома и 10 % никеля: стали

08Х18Н10Т, 03Х18Н11, 12Х18Н10Т, 08Х18Н12Б и др.

Основным элементом, обусловливающим высокую коррозионную стойкость этих сталей, является хром, который делает сталь стойкой во многих окислительных средах в широком диапазоне концентраций и температур. Наличие хрома в количестве 9–12 % обеспечивает аустенитную структуру, достаточно высокие технологические свойства и уникальный комплекс эксплуатационных характеристик. Это позволяет использовать стали этого класса в качестве коррозионно-стойких, жаростойких, жаропрочных и криогенных материалов.

Взависимости от температурно-временных условий обработки в хромоникелевых аустенитных сталях могут происходить следующие фазово-структурные превращения: выделение избыточных карбидных фаз при нагреве в интервале температур 450–900 ° С; образование в аустенитной основе феррита при температурах выше 1200 ° С, а также при охлаждении и пластической деформации. Это приводит к повышенной чувствительности этих сталей квоздействию сварочного термического цикла.

Взависимости от режима сварки, и прежде всего от скорости процесса, металл сварного шва у этих сталей характеризуется ячеистой, дендритной или смешанной формой кристаллов, с обогащением междендритных участков примесями, образующими легкоплавкие эвтектики [2]. Подавление микрохимической неоднородности и ликвации в распределении примесей возможно за счет увеличения скорости сварки, что обеспечивает высокие скорости кристаллизации и подавление ликвационных процессов.

Воздействие сварочного термического цикла в зависимости от его температурно-временных параметров может сопровож-

335

даться образованием в различных участках зоны термического влияния структур, отличающихся от исходной структуры свариваемой стали из-за незавершенности полиморфных превращений на стадии охлаждения. Кроме того, структура металла и зоны термического влияния может отличаться высокой степенью неоднородности в формировании элементов субструктуры.

При разработке технологии ЭЛС следует использовать всевозможные технологические приемы, способствующие измельчению кристаллов и устранению столбчатой структуры, что позволяет повысить стойкость металла против образования в нем горячих трещин.

3.2.4. Сварка высокопрочных сталей с бронзами

При изготовлении ответственных изделий в машиностроении, судостроении, аэрокосмической и других отраслях промышленности возникает необходимость получения неразъемных соединений высокопрочных сталей с медью и ее сплавами. Однако плохая свариваемость сталей с медными сплавами при использовании дуговых методов сварки, связанная в первую очередь с низкой взаимной растворимостью меди и железа, различиями в структуре и теплофизических свойствах соединяемых металлов, ограничивает возможности конструирования сварных изделий.

ЭЛС является весьма эффективным способом при решении задачи получения качественных сварных швов при сварке сталей с медными сплавами, и в частности с бронзами [4–6], однако в случае, когда одна из деталей в таком биметаллическом сварном соединении изготовлена из высокопрочной легированной стали, возникают трудности формирования бездефектных сварных швов с требуемыми характеристиками.

В существующих технологиях ЭЛС высокопрочных сталей с бронзой обязательным является предварительный подогрев расфокусированным электронным пучком сварного стыка со стороны детали из бронзы, и при отсутствии осцилляции элек-

336

тронного пучка последующий сварочный проход осуществляется со смещением электронного пучка со стыка в сторону детали из бронзы.

Данная технология не обеспечивает высокой воспроизводимости качества сварных соединений, так как даже незначительные технологические отклонения параметров приводят к возникновению трещин в сварных соединениях (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Дефекты в сварном соединении стали 09Х16Н4Б сбронзой БрХ-08

Наиболее вероятной причиной возникновения трещин в сварных швах является возникновение растягивающих напряжений в процессе непрерывного охлаждения при температурах ниже температуры начала мартенситного превращения стали (~360 ° С). Для снижения таких напряжений при сварке традиционно применяется предварительный подогрев свариваемого стыка до температуры 200–250 ° С. Кроме того, образование трещин может быть связано с «расклинивающим» действием расплава бронзы при его проникновении в микронадрывы в стали по границам зерен с одновременным действием термических напряжений растяжения (эффект Ребиндера).

337

Для оценки возможности предварительного подогрева стыка до указанных температур было проведено численное моделирование нагрева кольцевого стыка стали с бронзой расфокусированным электронным пучком в среде FEMLAB-Toolbox MATLAB [6]. В качестве иллюстрации на рис. 3.11 приведены результаты расчета температур в образце, имитирующих свариваемые заготовки, после завершения операции прогрева заготовок расфокусированным электронным пучком (мощность пучка 1,8 кВт, скорость перемещения пятна нагрева по металлу 2,1 мм/с, общее время подогрева 340 с, смещение пятна нагрева 6 мм в сторону заготовки из бронзы).

Рис. 3.11. Температурное поле в образце после завершения предварительного подогрева стыка расфокусированным электронным пучком

Проведенные численные оценки показали, что при предварительном подогреве свариваемого стыка расфокусированным электронным пучком достижение к моменту начала выполнения сварочного прохода необходимых значений температур является достаточно сложной задачей ввиду интенсивного теплоотвода в заготовку из бронзы, обладающей высокой теплопроводностью.

338

В работе [7] была исследована возможность обеспечения необходимого термического цикла непосредственно в процессе сварки с использованием динамического позиционирования электронного пучка, обеспечивающего возможность ввода тепла в свариваемые заготовки в нескольких участках, расположенных друг от друга на некотором расстоянии.

Сварка производилась на электронно-лучевой установке с энергетическим агрегатом ЭЛА-60/6ВЧ производства фирмы SELMI (Украина). Для обеспечения высоких скоростей отклонения электронного пучка при динамическом позиционировании управления отклонением электронного пучка отклоняющие катушки электронной пушки подключались к специально разработанным широкополосным усилителям тока с верхней границей полосы пропускания 200 кГц. На входы этих усилителей через цифроаналоговый интерфейс подавались сигналы с компьютерной системы, которая работала под управлением разработанной программы, обеспечивающей заданные пространст- венно-временные характеристики теплового воздействия на свариваемые заготовки.

Для контроля и воспроизведения параметров фокусировки электронного пучка использовался разработанный авторами метод, основанный на регистрации высокочастотной составляющей тока несамостоятельного разряда в плазме. Этот разряд возбуждается в плазме, формируемой в зоне воздействия на металл мощного концентрированного электронного пучка, с помощью коллектора электронов, который устанавливается над зоной сварки и имеет положительный потенциал 20–30 В относительно свариваемого изделия. В процессе экспериментов из спектра тока несамостоятельного разряда в плазме выделялась составляющая с частотой в диапазоне 10–20 кГц и по экстремальным значениям амплитуды этой составляющей устанавливалась «острая» фокусировка электронного пучка, которая обеспечивала максимальную глубину проплавления для заданных ускоряющего напряжения и тока пучка.

339

При проведении экспериментальных работ выполнялись сварочные проходы по кольцевому стыку диаметром 120 мм и толщиной 8 мм, составленному из бронзы БрХ-08 и стали 09Х16Н4Б. В стыке применялось соединение «в замок», при этом заготовка, обеспечивающая подкладку под стыком, изготавливалась из стали. Мощность электронного пучка в экспериментах составляла 4 кВт.

Перед проведением сварки электронный пучок наводился на стык свариваемых заготовок, а при выполнении сварочных проходов осуществлялось динамическое позиционирование электронного пучка. Динамическое позиционирование обеспечивало пространственно-временное разделение пучка на 4 тепловых источника: 3 концентрированных источника, которые формировали 3 канала проплавления в металле, расположенных вдоль линии стыка, и 1 распределенный источник, имеющий форму прямоугольного растра и смещенный от стыка в сторону бронзовой заготовки для обеспечения ее дополнительного подогрева. В процессе экспериментов были установлены оптимальные временные параметры динамического позиционирования электронного пучка: общее время цикла 230 мкс, время формирования каждого концентрированного теплового источника 60 мкс, время формирования растрового распределенного источника 50 мкс. Сварочные проходы производились с полным проплавлением металла и формированием обратного валика сварного шва. Скорость сварки составляла 5 мм/с. С целью исключения образования холодных трещин при замедленном разрушении металла после извлечения сваренных образцов из технологической вакуумной камеры элек- тронно-лучевой установки производился их отпуск при температуре Т = 400 ° С.

В результате проведения экспериментальных работ было установлено, что данная технология электронно-лучевой сварки с динамическим позиционированием электронного пучка позволяет получить бездефектные сварные соединения бронзы БрХ-08

340