close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Формирование структуры и свойств низкоуглеродистой стали при лазерной сварке полосы в непрерывных агрегатах

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Лазарева Анна Ивановна
ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ
НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКЕ ПОЛОСЫ
В НЕПРЕРЫВНЫХ АГРЕГАТАХ
Специальность 05.16.01 – Металловедение и термическая обработка
металлов и сплавов
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Магнитогорск – 2018
2
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»
Научный руководитель
доктор технических наук, профессор
Копцева Наталья Васильевна
Официальные оппоненты: Громов Виктор Евгеньевич, доктор физикоматематических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Сибирский государственный индустриальный университет», заведующий кафедрой
Федосеева Елена Михайловна, кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», доцент
Ведущая организация
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский национальный исследовательский
технический
университет
им. А.Н. Туполева – КАИ»
Защита состоится «13» ноября 2018 г. в 15:00 на заседании диссертационного совета Д 212.111.05 на базе ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу:
455000, г. Магнитогорск, проспект Ленина, 38, МГТУ, малый актовый
зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» и
на сайте http://www.magtu.ru/.
Автореферат разослан «_______» ___________________ 2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Полякова Марина Андреевна
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. На одном из основных
предприятий черной металлургии Российской Федерации ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ММК) отлажено производство холоднокатаной продукции, позволяющей в полной мере
обеспечить импортозамещение в автомобильной и строительной отраслях промышленности, а также при производстве товаров широкого
потребления.
Его особенностью явилось применение в линиях агрегата непрерывного отжига, совмещенного с агрегатом горячего цинкования
(АНО/АНГЦ), агрегата непрерывного горячего цинкования (АНГЦ-3)
и агрегата инспекции полосы (АИ) листопрокатного цеха № 11
(ЛПЦ-11) ММК укрупнения рулонов холоднокатаных полос методом
лазерной сварки. Этот способ соединения металлов является одним из
наиболее часто применяемых методов, который был по достоинству
оценен многими производителями металлопродукции разных стран,
что отражено в работах Н. Лонгфилда, Т. Леишаута, Х. Мохбачера,
С. Катаямы, А.Г. Григорьянца, А.Г. Игнатова, С.В. Курынцева и др.
В России опыт применения лазерной сварки холоднокатаных
полос в условиях технологических потоков отсутствовал, что затрудняло ее освоение и эффективное использование.
В мировой практике особое внимание уделяется обеспечению
устойчивости технологического процесса, что во многом определяется
качеством сварного соединения. Если качество сварного соединения
неудовлетворительное, то в линии непрерывного агрегата полоса может оборваться, что приведет к полной остановке технологического
процесса на длительное время до полного ее извлечения. Кроме того,
при непрерывности движения полосы по агрегату на значительных
скоростях (180-200 м/мин) практически отсутствует запас времени на
дополнительную сварку в случае неудовлетворительного качества
сварного шва. В связи с этим актуальность работы обоснована необходимостью проведения комплексного исследования условий формирования при лазерной сварке полосы качественного технологического
сварного шва, пригодного для транспортирования в линии непрерывного агрегата.
Актуальность работы подтверждена ее соответствием тематике
государственного
задания
в
сфере
научной
деятельности
№ 11.1525.2014К от 18.07.2014 г. и договора с ММК № 201380 от
04.05.2012 г.
Целью работы является выявление закономерностей формирования структуры и свойств сварных соединений в стальной полосе,
обеспечивающих ее безобрывную транспортировку после лазерной
4
сварки в непрерывных агрегатах комплекса холодной прокатки ММК.
Для достижения цели диссертационного исследования необходимо решить следующие задачи:
1. Исследовать закономерности структурообразования и формирования свойств сварного соединения при лазерной сварке полосы
из низкоуглеродистой и сверхнизкоуглеродистой стали, микролегированной титаном и ниобием, в условиях непрерывного агрегата
АНО/АНГЦ.
2. Установить
влияние
основных
пространственноэнергетических параметров лазерной сварки на структуру и свойства
сварных соединений из низкоуглеродистых сталей и сверхнизкоуглеродистой стали, микролегированной титаном и ниобием.
3. Определить влияние предварительного и последующего
нагревов при лазерной сварке, а также рекристаллизационного отжига
полосы в непрерывном агрегате на структуру и свойства сварных соединений.
4. Дать рекомендации по технологическим режимам лазерной
сварки полосы из низкоуглеродистой стали различного размерномарочного сортамента, обеспечивающих ее безобрывную транспортировку в линиях непрерывных агрегатов листопрокатного цеха № 11
(ЛПЦ-11) ПАО «ММК».
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
1. Впервые установлен структурно-фазовый состав и выявлены
закономерности формирования кристаллических зон, характер распределения микротвердости и особенности области разупрочнения в
лазерных сварных соединениях холоднокатаной полосы из низкоуглеродистой стали марок 08пс, 10пс, 08Ю и сверхнизкоуглеродистой стали 006/IF, микролегированной титаном и ниобием при сварке в условиях непрерывных агрегатов. Показано, что основное влияние на протяженность области разупрочнения в сварном соединении оказывает
зона перекристаллизации, которая увеличивает протяженность области разупрочнения в 2-3 раза.
2. Определены основные пространственно-энергетические параметры лазерной сварки и получены количественные зависимости,
показывающие их влияние на протяженность кристаллических зон и
области разупрочнения, размеры структурных элементов и распределение микротвердости. Доказано, что для улучшения качества сварного соединения при сварке полос толщиной 0,4-0,7 мм мощность лазера
должна быть выбрана из диапазона 2,3-3,3 кВт при скорости сварки
6,5-7,0 м/мин и расстоянии расфокусировки 4,0-5,0 мм, а при толщине
свариваемых полос 0,8-1,0 мм мощность лазера рекомендуется увели-
5
чивать до 3,3-3,5 кВт при скорости сварки 7,0-7,5 м/мин и расстоянии
расфокусировки 6,0-6,5 мм.
3. Установлено, что рекристаллизационный отжиг непрерывной полосы из низкоуглеродистой стали марок 08пс, 10пс, 08Ю и
сверхнизкоуглеродистой стали 006/IF, микролегированной титаном и
ниобием, приводит к снижению микротвердости и величины остаточных напряжений в зоне лазерного сварного шва и в околошовной зоне
и более однородному их распределению.
Практическая значимость диссертационной работы состоит в
следующем:
1. Выявлено, что предварительный нагрев кромок свариваемых
полос незначительно снижает микротвердость в зоне сварного шва и в
околошовной зоне и несколько увеличивает протяженность кристаллических зон, поэтому его мощность необходимо уменьшать.
2. Установлено, что при последующем нагреве сварных соединений наблюдается рост зерна в зоне перегрева, снижение микротвердости в зоне сварного шва и в околошовной зоне и резкое увеличение
протяженности зон перекристаллизации, рекристаллизации и области
разупрочнения при мощности выше 4,5 кВт, что увеличивает вероятность обрыва полосы в линиях непрерывных агрегатов.
3. Установлены основные параметры лазерной сварки полосы
из сталей 08пс, 10пс, 08Ю и 006/IF (мощность лазера, скорость сварки, расстояние расфокусировки), а также мощности предварительного
и последующего нагревов, обеспечивающие получение сварного соединения с наименьшей протяженностью области разупрочнения и
исключающие обрыв полосы при транспортировке в линиях непрерывных агрегатов.
4. На основании полученных данных были рекомендованы
наиболее приемлемые режимы лазерной сварки полос из низкоуглеродистых сталей и сверхнизкоуглеродистой стали, микролегированной
титаном и ниобием, которые позволили получать лазерные сварные
соединения полос, пригодные для безобрывного транспортирования в
линиях непрерывных агрегатов комплекса холодной прокатки
ЛПЦ-11 ПАО «ММК», что подтверждено актом внедрения.
Положения, выносимые на защиту, и основные результаты:
1. Особенности структурно-фазового состава и свойств сварных соединений, характеризующие строение и протяженность кристаллических зон, распределение микротвердости и протяженность
области разупрочнения в сварных соединениях, формирующихся при
лазерной сварке непрерывной полосы из низкоуглеродистой стали
марок 08пс, 10пс, 08Ю и сверхнизкоуглеродистой стали 006/IF, микролегированной титаном и ниобием, в условиях непрерывных агрегатов.
6
2. Качественные и количественные закономерности, показывающие влияние основных пространственно-энергетических параметров
лазерной сварки (мощность лазера, скорость сварки, расстояние расфокусировки), а также предварительного и последующего нагревов и
рекристаллизационного отжига на формирование микроструктуры и
протяженность кристаллических зон, размеры структурных элементов,
распределение микротвердости и протяженность области разупрочнения лазерных сварных соединений в непрерывной полосе из сталей
08пс, 10пс, 08Ю и 006/IF.
3. Основные пространственно-энергетические параметры лазерной сварки, уменьшающие протяженность зоны перекристаллизации и улучшающие качество сварных соединений: для полос толщиной 0,4-0,7 мм мощность лазера 2,3-3,3 кВт, скорость сварки
6,5-7 м/мин при расстоянии расфокусировки 4,0-5,0 мм; при толщине
свариваемых полос 0,8-1,0 мм мощность лазера 3,3-3,5 кВт, скорость
сварки 7-7,5 м/мин при расстоянии расфокусировки 6,0-6,5 мм.
Степень достоверности результатов подтверждается применением современных методов исследования микроструктуры и
свойств лазерных сварных соединений (световая и растровая электронная микроскопия, количественный микроскопический анализ,
рентгеноспектральный микроанализ, рентгеноструктурный анализ,
дюрометрический метод) и непротиворечивостью полученных результатов имеющимся данным других исследователей и современным теоретическим представлениям металловедения и термической обработки. Результаты проведенного комплекса исследований подтверждены
их использованием в промышленных условиях при получении качественных сварных швов, обеспечивающих безобрывную транспортировку полосы через линии непрерывных агрегатов в ЛПЦ-11 ММК.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены на следующих конференциях: VIII заочная конференция «Meždunarodnyj
naučno-issledovatel'skij žurnal» (On-line журнал, 2012 г.), XIII, XIV, XVII
Международные научно-технические Уральские школы-семинары молодых ученых-металловедов (г. Екатеринбург, 2012, 2013, 2016 гг.), XIII и
XIV научно-технические конференции молодых работников (Международный этап) (г. Магнитогорск, 2013, 2014 гг.), Всероссийская молодежная научная конференция «Инновации в материаловедении» (г. Москва,
2013 г.), X Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов (г. Москва, 2013 г.), 71, 72, 75 Международные
научно-технические конференции «Актуальные проблемы современной
науки, техники и образования» (г. Магнитогорск, 2013, 2014, 2017 гг.),
2-я и 3-я Международные научно-практические конференции «Инновационные технологии в материаловедении и машиностроении» (г. Пермь,
2014, 2016 гг.), XVIII International Scientific Conference “New Technologies
7
and Achievements in Metallurgy, Material Engineering and Production
Engineering” (г. Ченстохова, Польша, 2017 г.).
Личный вклад автора состоит в непосредственном участии в
разработке идей, постановке цели и задач исследования, в организации и проведении экспериментов, рассмотрении и трактовке полученных результатов, в формулировании основных положений, выводов и
подготовке публикаций по результатам исследований. Все основные
данные получены автором самостоятельно или при его участии.
Публикации. По теме диссертации изданы 16 научных публикаций, четыре из которых опубликованы в рецензируемых изданиях из
перечня ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 134
страницах текста (без приложений), состоит из 5 глав, содержит ссылки
на 124 литературных источника и включает 68 рисунков, 7 таблиц, 1 приложение на 2 страницах.
Благодарности.
Автор выражает благодарность сотрудникам НИИ Наносталей
при ФГБОУ ВО «МГТУ им. Г.И. Носова», кафедры технологий металлургии и литейных процессов и кафедры технологий обработки материалов за помощь в проведении исследований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении показана актуальность темы диссертационного исследования, изложены научная новизна, практическая значимость работы и
основные положения, выносимые на защиту, представлена степень достоверности и личный вклад автора.
В первой главе выполнен аналитический обзор работ российских и
иностранных авторов по теме диссертации. Показано, что в настоящее время данные по лазерной сварке материалов в условиях непрерывных технологических потоков, в том числе низкоуглеродистой и сверхнизкоуглеродистой стали, практически отсутствуют. Сформулирована цель и поставлены
задачи диссертационного исследования.
Во второй главе дана характеристика материалов и рассмотрены
методики экспериментов. Работу выполняли на образцах лазерных сварных соединений холоднокатаных полос из сталей 08пс, 10пс, 08Ю и
006/IF, химический состав которых представлен в таблице 1. Лазерную
сварку концов полос реализовывали в линии непрерывного агрегата
АНО/АНГЦ СО2-лазером непрерывного действия за один проход. Предварительный и последующий нагревы проводили индукционными нагревателями, расположенными на сварочной тележке.
Микроструктуру сварных соединений, полученных при лазерной
сварке полос, исследовали в центре коллективного пользования
8
НИИ Наносталей на световом микроскопе Zeiss Axio Observer и на сканирующем электронном микроскопе JEOL JSM-6490LV. Количественный анализ выполняли с использованием программного комплекса
Thixomet PRO. Объем выборки составил от 300 до 500 единиц, относительная погрешность измерений не превышает 5-7 %.
Таблица 1 – Химический состав исследуемых сталей
Марка стали
C
Si
Количество химических элементов, %
Mn
S
P
N
Al
Ti
Nb
10пс
0,110 0,080 0,520 0,030 0,034 0,004 0,042
-
-
08пс
0,080 0,040 0,410 0,020 0,025 0,005 0,048
-
-
08Ю
0,070 0,020 0,330 0,022 0,020 0,005 0,060
-
-
006/IF
0,005 0,009 0,134 0,007 0,007 0,006 0,050 0,050 0,046
Рентгеноспектральный микроанализ осуществляли на микроскопе
JEOL JSM-6490 LV с применением системы энергодисперсионного анализа
INCA Energy 450. Рентгеноструктурный анализ реализовывали на дифрактометре SHIMADZU XRD-7000 с использованием Кα излучения хромового
анода при напряжении 40 кВ и силе тока 30 мА. Определение остаточных
напряжений проводили в программном пакете XRD: Stress Analysis с автоматическим выводом результатов.
Испытания микротвердости выполняли
по методу Виккерса на
твердомере
Buehler
Micromet согласно схеме, представленной на
рисунке 1.
Рисунок 1 – Схема расположения точек
В третьей главе
измерения микротвердости
приведены результаты
металлографических исследований формирования микроструктуры и
твердости сварных соединений, полученных в условиях непрерывного
агрегата АНО/АНГЦ методом лазерной сварки полосы из низкоуглеродистой стали марок 08пс, 10пс, 08Ю и сверхнизкоуглеродистой стали
006/IF, микролегированной титаном и ниобием.
Выявлено, что в микроструктуре зоны кристаллизации шва лазерных сварных соединений полосы из сталей 08пс, 10пс и 08Ю наблюдается преимущественно реечный бейнит (Б) и квазиполигональный (массивный) феррит (Ф) (рисунок 2, а), появление которых объясняется высокими скоростями охлаждения при лазерной сварке. Микроструктура
остальных зон состоит из феррита и небольшого количества перлита. При
этом в зоне перегрева наблюдаются крупные зерна феррита (рисунок 2,
9
б). Доказано, что зона перекристаллизации состоит из двух участков: зона полной перекристаллизации (нормализации) с мелкозернистой ферритно-перлитной структурой (рисунок 2, в), в которой металл незначительно перегревается выше верхней критической точки АС3 и претерпевает полную фазовую перекристаллизацию, и зона частичной перекристаллизации с разнозернистой ферритно-перлитной структурой (рисунок 2, г).
В ней металл нагревается до температуры в интервале АС1-АС3, что приводит к его частичной перекристаллизации с образованием мелких зерен
феррита. При этом металл, не успевший перекристаллизоваться, претерпевает рекристаллизацию и дальнейший рост ферритных зерен в процессе нагрева. В микроструктуре зоны рекристаллизации наряду с рекристаллизованными присутствуют деформированные ферритные зерна (рисунок 2, д) и небольшое количество перлитных участков. В зоне основного металла структура типична для деформированной холоднокатаной
низкоуглеродистой стали (рисунок 2, е).
Б
Ф
10 мкм
а
10 мкм
б
10 мкм
10 мкм
в
10 мкм
10 мкм
г
д
е
Рисунок 2 – Строение зоны кристаллизации шва (а), зоны перегрева (б),
зоны нормализации (в), зоны частичной перекристаллизации (г), зоны
рекристаллизации (д) и зоны основного металла (е) лазерного сварного
соединения полосы из стали 10пс
Сделано заключение, что наиболее опасным участком сварного
соединения из-за своего разнозернистого строения и нестабильных
механических свойств является зона перекристаллизации, и при дальнейшем прохождении полосы через линию непрерывного агрегата
именно в ней может произойти обрыв.
Установлено, что расположение кристаллических зон в поперечном сечении вблизи каждой из поверхности листа (ряд 1 и ряд 3) (см. рисунок 1), а также по центральной линии сечения (ряд 2) (см. рисунок 1)
10
одинаково. Однако в разных марках стали при различной толщине полос
и разных режимах сварки протяженность кристаллических зон различна.
Строение кристаллических зон сварных соединений из стали
006/IF в основном имеет аналогичный характер. Результаты рентгеноспектрального микроанализа сварных соединений полосы из стали 006/IF
показали наличие во всех зонах, за исключением зоны кристаллизации
шва, частиц (размером до 10 мкм) комплексных нитридов титана и ниобия, обогащенных титаном, и нитридов титана. В микроструктуре зоны
кристаллизации
шва
подобные частицы отсутствуют, поскольку
были растворены в
жидком металле сварочной ванны.
При этом в зоне
перегрева, где металл
нагревается до температуры 1100-1200 ºС,
образуется
участок
протяженностью
до
а
0,2
мм
аномально
крупных зерен феррита, выросших в направлении теплоотвода. В
микроструктуре
этой
зоны
присутствуют
только крупные частицы нитридов титана.
Комплексные частицы
нитридов титана и ниоб
бия не обнаруживаютРисунок 3 – Распределение микротвердости
ся, т.к. растворяются
в различных участках по толщине лазерного
под воздействием тепла
сварного соединения полосы
сварочной ванны. При
из стали 10пс (а) и стали 006/IF (б)
последующем
охлаждении после лазерной
сварки из-за высоких скоростей охлаждения дисперсные частицы нитридов не успевают выделяться и не сдерживают рост зерна. В зоне перекристаллизации время пребывания металла при температуре 1100 ºС в связи
с большими скоростями теплоотвода очень невелико, вследствие чего
протяженность зоны перекристаллизации очень маленькая и составляет
около 0,06 мм.
Распределение микротвердости (рисунок 3) в лазерных сварных
11
соединениях полос симметрично по отношению к оси сварного шва и
соответствует расположению и протяженности кристаллических зон.
Наибольшее значение микротвердости наблюдается на оси сварного шва в зоне его кристаллизации, что определяется преимущественно
бейнитной структурой этой кристаллической зоны и составляет от
2140 до 3022 МПа в зависимости от химического состава стали, толщины
полосы и режима сварки. На некотором расстоянии от оси сварного шва
наблюдается снижение твердости, минимальное значение которой соответствует зоне перегрева. По мере продвижения к основному металлу
микротвердость возрастает, достигая значения твердости холоднокатаного металла. Снижение твердости в зоне сварного шва и околошовной
зоне по сравнению с основным металлом в исследованных марках стали
составляет от 8 до 38 %, а в стали 006/IF – до 15 %.
В четвертой главе представлены результаты исследования влияния основных параметров лазерной сварки на формирование микроструктуры и свойств лазерных сварных соединений.
Увеличение мощности лазера может привести к образованию дефектов сварного соединения, поэтому для уменьшения количества вводимой тепловой энергии принято одновременно увеличивать скорость
сварки. Установлено, что при сварке полосы из стали 10пс повышение
мощности лазера от 1,6 до 3,3 кВт при одновременном увеличении скорости сварки от 6,5 до 7 м/мин приводит к уменьшению средней длины
реек бейнита в зоне кристаллизации шва от 17,0 до 12,0 мкм, диаметра
рекристаллизованных зерен в зоне рекристаллизации – от 3,7 до 2,4 мкм.
При этом распределение микротвердости становится более однородным
как в зоне кристаллизации шва, так и в околошовной зоне, что благоприятно влияет на свойства сварных соединений.
Наблюдается рост протяженности зон кристаллизации шва и перегрева, поскольку в условиях увеличения скорости сварки вводимая тепловая энергия концентрируется в области сварочной ванны и тратится
главным образом на увеличение глубины проплавления полос и приводит
к перегреву большего участка околошовной зоны до температуры, значительно превышающей температуру АС3. Это уменьшает количество тепловой энергии, отводимой через зоны перекристаллизации и рекристаллизации в основной металл, тем самым одновременно уменьшая их протяженности и протяженность области разупрочнения (рисунок 4, а). При
этом протяженность зоны перекристаллизации уменьшается в десятки
раз, а протяженность зоны перегрева увеличивается незначительно – в
2-3 раза, оставаясь по протяженности гораздо меньше протяженности
зоны перекристаллизации, что улучшает качество сварного соединения.
Увеличение расстояния расфокусировки от 4 до 7,6 мм приводит к
увеличению диаметра лазерного пятна на свариваемой поверхности и
уменьшению скорости теплоотвода в область основного холоднокатаного
12
металла из-за рассеяния энергии, вследствие чего происходит возрастание средней длины реек бейнита от 19,0 до 25,0 мкм, а среднего диаметра
рекристаллизованных зерен – от 2,7 до 3,9 мкм. Увеличение расстояния
расфокусировки приводит к увеличению протяженности всех кристаллических зон сварного соединения и области разупрочнения (рисунок 4, б),
что объясняется увеличением диаметра фокального пятна, вследствие
чего тепловому воздействию подвергается больший участок кромок свариваемых полос. При этом распределение микротвердости становится
менее однородным как в зоне кристаллизации шва, так и в околошовной
зоне.
а
б
Рисунок 4 – Влияние мощности лазера (а) и расстояния расфокусировки
(б) на протяженность кристаллических зон лазерных сварных соединений
полосы толщиной 0,4 мм из стали 10пс
Аналогичные результаты были получены для других толщин холоднокатаной полосы и для других исследуемых сталей. На основе ана-
13
лиза полученных результатов были рекомендованы наиболее приемлемые режимы лазерной сварки, позволяющие получать сварные соединения с небольшой протяженностью зоны перекристаллизации
(таблица 2).
Таблица 2 – Рекомендуемые значения параметров лазерной сварки
для получения сварных соединений полосы из стали марок 08пс, 10пс,
08Ю и 006/IF
Толщина
Рекомендуемая
Рекомендуемая
Рекомендуемое
свариваемых мощность лазера, скорость сварки, расстояние расфополос, мм
кВт
м/мин
кусировки, мм
0,4-0,7
2,3-3,3
6,5-7,0
4,0-5,0
0,8-1,0
3,3-3,5
7,0-7,5
6,0-6,5
В пятой главе рассмотрено влияние предварительного и последующего нагревов при
лазерной сварке, а также рекристаллизационного отжига на микроструктуру и свойства
сварных
соединений
непрерывных полос из
сталей 08пс, 10пс,
08Ю и 006/IF.
Показано, что при
а
увеличении мощности
предварительного нагрева микротвердость
сварного соединения
незначительно снижается, а протяженность
кристаллических зон
несколько увеличивается. Поэтому в случае
получения
некачественного сварного соб
единения рекомендоваРисунок 5 – Влияние рекристаллизационного
ли снижать мощность
отжига на величину остаточных напряжений
предварительного нав лазерном сварном соединении полосы
грева.
из стали 08пс (а) и 006/IF
Повышение мощности последующего нагрева свариваемых полос приводит к снижению
микротвердости в зоне кристаллизации шва и в околошовной зоне, а также
14
к росту зерна в зоне перегрева. При повышении мощности последующего
нагрева выше 4,5 кВт происходит резкое увеличение протяженности зон
перекристаллизации, рекристаллизации и области разупрочнения, что
ухудшает качество сварных соединений. Поэтому для уменьшения риска
обрыва полосы в линии непрерывного агрегата рекомендовали проводить
последующий нагрев при мощности не выше 4,5 кВт.
После рекристаллизационного отжига полос в агрегате АНО/АНГЦ в
зоне кристаллизации шва наблюдается ферритно-цементитная структура,
образовавшаяся в результате отпуска структуры, сформировавшейся в этой
зоне при лазерной сварке. Кроме того, в околошовной зоне происходит некоторый рост зерен феррита в зонах перекристаллизации и рекристаллизации, а также рекристаллизация основного металла, в результате чего зона
рекристаллизации объединяется с зоной основного металла.
После лазерной сварки максимальные значения сжимающих остаточных напряжений соответствуют оси шва (рисунок 5). На границе зоны
кристаллизации шва и зоны перегрева напряжения меняются на растягивающие, далее в зоне перегрева снова меняются на сжимающие, которые
уменьшаются на протяжении зоны перекристаллизации. Затем сжимающие
напряжения продолжают уменьшаться до значения остаточных напряжений
основного металла.
После рекристаллизационного отжига микротвердость стали и величина остаточных напряжений снижаются, а их распределение становится
более однородным по сравнению с состоянием после проведения лазерной
сварки.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
Основные результаты работы развивают положения металловедения,
относящиеся к исследованиям фазовых и структурных превращений, происходящих в сварном шве и околошовной зоне при лазерной сварке с предварительным и последующим нагревом и рекристаллизационном отжиге
полосы из низкоуглеродистых сталей и сверхнизкоуглеродистой стали,
микролегированной титаном и ниобием, и сводятся к следующему.
1. Выявлены особенности структурно-фазового состава кристаллических зон лазерных сварных соединений полос из низкоуглеродистой стали марок 08пс, 10пс, 08Ю и сверхнизкоуглеродистой стали 006/IF, показывающие, что зона кристаллизации шва состоит преимущественно из реечного бейнита и квазиполигонального (массивного) феррита, зона перегрева – из крупных зерен феррита и небольшого
количества перлита, а зона перекристаллизации – из двух участков:
полной перекристаллизации (нормализации) и частичной перекристаллизации, имеющих ферритно-перлитную структуру. В микроструктуре зоны рекристаллизации наряду с рекристаллизованными при-
15
сутствуют деформированные ферритные зерна с небольшим количеством
перлитных участков.
2. Установлено, что распределение микротвердости в лазерных
сварных соединениях во всех исследованных сталях 08пс, 10пс, 08Ю и
006/IF симметрично по отношению к оси сварного шва. Определено,
что наибольшее значение микротвердости соответствует оси сварного
шва и связано с наличием в зоне кристаллизации шва преимущественно бейнитной структуры. На некотором расстоянии от оси сварного
шва наблюдается снижение твердости, минимальное значение которой
соответствует зоне перегрева, затем твердость возрастает до значений
твердости основного холоднокатаного металла. При этом разупрочнение в лазерных сварных соединениях полос из стали марок 08пс, 10пс
и 08Ю по сравнению с твердостью основного металла составляет до
38 %, а в стали 006/IF – до 15 %.
3. Определено, что увеличение мощности лазера при одновременном повышении скорости сварки приводит к увеличению протяженности зон кристаллизации шва (от 0,2 до 0,33 мм) и перегрева
(от 0,1 до 0,3 мм) из-за увеличения количества тепловой энергии, вводимой в зону сварки, а также к уменьшению протяженности зон перекристаллизации (от 0,75 до 0,02 мм) и рекристаллизации (от 1,6 до
0,16 мм) вследствие уменьшения количества тепла, отводимого из
этих зон в основной металл. При этом размер структурных элементов
кристаллических зон (бейнитных реек и рекристаллизованных зерен)
уменьшается, а характер распределения микротвердости по сечению
сварного соединения становится более однородным, что положительно влияет на качество сварных соединений.
4. Выявлено, что увеличение расстояния расфокусировки приводит к росту протяженности зон кристаллизации шва (от 0,24 до
0,41 мм), перегрева (от 0,12 до 0,23 мм), перекристаллизации (от 0,09
до 1,95 мм) и области разупрочнения (от 0,54 до 4,0 мм), поскольку
из-за увеличения диаметра фокального пятна тепловому воздействию
подвергается больший участок кромок свариваемых полос. При этом
происходит увеличение длины бейнитных реек и диаметра рекристаллизованных зерен, а распределение микротвердости становится менее
однородным, что ухудшает качество сварного соединения.
5. Установлено, что самой опасной кристаллической зоной, в
которой при транспортировке в линии непрерывного агрегата наиболее вероятен обрыв полосы, является зона перекристаллизации, имеющая разнозернистое строение, нестабильные механические свойства
и протяженность, существенно изменяющуюся по сравнению с другими кристаллическими зонами при изменении условий сварки. Доказано, что для уменьшения протяженности зоны перекристаллизации и
улучшения качества сварного соединения при сварке полос толщиной
16
0,4-0,7 мм мощность лазера должна быть выбрана из диапазона
2,3-3,3 кВт при скорости сварки 6,5-7 м/мин и расстоянии расфокусировки 4,0-5,0 мм, а при толщине свариваемых полос 0,8-1,0 мм мощность лазера рекомендуется увеличивать до 3,3-3,5 кВт при скорости
сварки 7-7,5 м/мин и расстоянии расфокусировки 6,0-6,5 мм.
6. Показано, что при предварительном нагреве свариваемых
кромок и последующем нагреве сварных соединений полос из сталей
08пс, 10пс, 08Ю и 006/IF происходит небольшое снижение микротвердости в зоне сварного шва и в околошовной зоне и при мощности
последующего нагрева выше 4,5 кВт резкое увеличение протяженности зон перекристаллизации, рекристаллизации и области разупрочнения, что ухудшает качество лазерных сварных соединений. Установлено, что рекристаллизационный отжиг непрерывных полос с лазерными сварными соединениями в линии непрерывного агрегата
АНО/АНГЦ снижает микротвердость и величину остаточных напряжений, делая их распределение более однородным. При этом зона рекристаллизации объединяется с основным рекристаллизованным металлом, вследствие чего протяженность области разупрочнения
уменьшается на величину протяженности зоны рекристаллизации.
7. Рекомендованы наиболее приемлемые режимы лазерной
сварки полос из низкоуглеродистых сталей и сверхнизкоуглеродистой
стали, микролегированной титаном и ниобием, которые позволили
получать лазерные сварные соединения полосы, пригодные для безобрывного транспортирования в линиях непрерывных агрегатов ЛПЦ-11
ПАО «ММК», что подтверждено актом внедрения.
Основные публикации по теме диссертационного исследования.
В журналах, рекомендованных ВАК РФ:
1. Голубчик, Э.М. Исследование влияния режимов лазерной
сварки на формирование микроструктуры и свойств сварного соединения листовой стали 08пс и 10пс в условиях комплекса холодной
прокатки ОАО «ММК» / Э.М. Голубчик, Н.В. Копцева, А.И. Мешкова
(А.И. Лазарева), Ю.Ю. Ефимова, О.А. Никитенко // Прокатное производство. – 2013. – № 7. – С. 13-17.
2. Голубчик, Э.М. Влияние отжига на формирование микроструктуры и свойств сварных соединений, полученных при лазерной
сварке полос из низкоуглеродистых сталей / Э.М. Голубчик,
Н.В. Копцева, А.И. Мешкова (А.И. Лазарева), Ю.Ю. Ефимова // Вестник Магнитогорского государственного технического университета
им. Г.И. Носова. – 2013. – № 2 (42). – С. 56-59.
3. Лазарева, А.И. Влияние пространственно-энергетических
параметров лазерной сварки на структуру и микротвердость сварного
17
соединения полосы из стали 10пс / А.И. Лазарева, Н.В. Копцева,
Ю.Ю. Ефимова, О.А. Никитенко, Э.М. Голубчик // Заготовительные
производства в машиностроении. – 2016. – № 3. – С. 13-17.
4. Лазарева, А.И. Исследование влияния термической обработки на качество сварных соединений в условиях агрегатов второй очереди листопрокатного цеха № 11 ОАО «ММК» / А.И. Лазарева,
Н.В. Копцева, Д.А. Горленко, Ю.Ю. Ефимова, О.А. Никитенко,
Э.М. Голубчик // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. – 2016. – Том 18. – № 4. – С. 60-73.
Другие публикации:
5. Мешкова, А.И. (Лазарева, А.И.) Исследование кристаллических зон сварного соединения, полученного при лазерной сварке листовой стали марки 08пс / А.И. Мешкова (А.И. Лазарева), Ю.Ю. Ефимова, О.А. Никитенко, Е.В. Сивилькаева, Н.В. Копцева // Meždunarodnyj naučno-issledovatel'skij žurnal. ISSN2303 – 9868. – 2012. – Часть 1. –
№ 5 (5). – С. 130-132.
6. Мешкова, А.И. (Лазарева, А.И.) Исследование распределения микротвёрдости в сварном соединении при лазерной сварке металлопроката из низкоуглеродистой стали / А.И. Мешкова (А.И. Лазарева), Ю.Ю. Ефимова, О.А. Никитенко // Сборник научных трудов
XIII Международной научно-технической Уральской школы-семинара
молодых ученых-металловедов. – Екатеринбург: УрФУ. – 2012. –
С. 40-42.
7. Голубчик, Э.М. Исследование процесса лазерной сварки металлопроката в условиях комплекса холодной прокатки ОАО «ММК» /
Э.М. Голубчик, Н.В. Копцева, Ю.Ю. Ефимова, О.А. Никитенко,
А.И. Мешкова (А.И. Лазарева) // Обработка сплошных и слоистых
материалов. – 2012. – № 38. – С. 58-65.
8. Мешкова, А.И. (Лазарева, А.И.) Исследования процессов
структурообразования сварных соединений холоднокатаного металлопроката в условиях комплекса холодной прокатки ОАО «ММК» /
А.И. Мешкова (А.И. Лазарева), Н.В. Копцева // Всероссийская молодежная научная конференция с международным участием «Инновации
в материаловедении» / Сборник материалов. – М: ИМЕТ РАН. –
2013. – С. 207.
9. Мешкова, А.И. (Лазарева, А.И.) Формирование сварного соединения полосы из стали марки DC04 в условиях листопрокатного
цеха № 11 в ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» /
А.И. Мешкова (А.И. Лазарева), Н.В. Копцева // X Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов / Сборник материалов. – М: ИМЕТ РАН. – 2013. – С. 453-455.
10. Мешкова, А.И. (Лазарева, А.И.) Структурообразование при
18
сварке полосы из стали марки DC01 на стыкосварочных машинах лазерного типа фирмы Miebach в ОАО «ММК / А.И. Мешкова (А.И. Лазарева), Ю.Ю. Ефимова, О.А. Никитенко // Сборник научных трудов
XIV Международной научно-технической Уральской школы-семинара
молодых ученых-металловедов. – Екатеринбург: УрФУ. – 2013. –
С. 16-18.
11. Мешкова, А.И. (Лазарева, А.И.) Влияние положения фокального пятна лазера на формирование структуры и свойств сварных соединений в условиях нового стана холодной прокатки ОАО «ММК» /
А.И. Мешкова (А.И. Лазарева), Н.В. Копцева, Ю.Ю. Ефимова,
О.А. Никитенко, Э.М. Голубчик // Обработка сплошных и слоистых
материалов. – 2014. – № 2 (41). – С. 28-32.
12. Лазарева, А.И. Исследование распределения микротвердости
в сварных соединениях при различной мощности лазера при сварке
полосы из стали марки 10пс в листопрокатном цехе № 11 в
ОАО «ММК» / А.И. Лазарева, Н.В. Копцева // Материалы II Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в материалловедении и машиностроении (ИТММ-2014). –
Пермь: Изд-во ПНИПУ. – 2014. – С. 76-80.
13. Лазарева, А.И. Исследование влияния термической обработки
на качество сварных соединений в условиях агрегатов второй очереди
листопрокатного цеха № 11 ОАО «ММК» / А.И. Лазарева, Н.В. Копцева,
Д.А. Горленко, Ю.Ю. Ефимова, О.А. Никитенко // Материалы III Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в материаловедении и машиностроении (ИТММ-2016). –
Пермь: Изд-во ПНИПУ. – 2016. – С. 88-91.
14. Лазарева, А.И. Исследование остаточных напряжений в сварных соединениях полосы из стали марки 10пс в условиях агрегата
АНО/АГЦ в ОАО «ММК» / А.И. Лазарева, Д.А. Горленко, О.А. Никитенко // Сборник научных трудов XVII Международной научнотехнической Уральской школы-семинара молодых ученых-металловедов. – Екатеринбург: УрФУ. – 2016. – Том 2. – С. 12-15.
15. Лазарева, А.И. Влияние нагрева на структуру и микротвердость
лазерных сварных соединений полосы из низкоуглеродистой стали /
А.И. Лазарева, Н.В. Копцева, О.А. Никитенко // XVIII International
Scientific Conference “New Technologies and Achievements in Metallurgy,
Material Engineering and Production Engineering”. – Czestochowa. – 2017. –
С. 63-66.
16. Лазарева, А.И. Исследование влияния предварительного и последующего нагревов на формирование лазерного сварного соединения
полосы из низкоуглеродистой стали / А.И. Лазарева, Н.В. Копцева,
О.А. Никитенко, Э.О. Жидялис // Актуальные проблемы современной
науки, техники и образования. – 2017. – Том 1. – С. 129-132.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа