Особенности формирования сварного шва жаропрочного сплава ХН45ВМТЮБР в зависимости от режимов лазерной сварки

Жаропрочные сплавы, применяемые при производстве газотурбинных двигателей (ГТД), часто имеют пониженную свариваемость, что проявляется в образовании трещин и необратимом снижении жаропрочности [5-7]. Повышение качества сварных швов жаропрочных сплавов возможно за счет сокращения времени высокотемпературного нагрева путем снижения погонной энергии [3, 4]. В результате этого уменьшается растворение упрочняющих фаз в околошовной зоне и выпадения этих фаз в процессе охлаждения в шве [9, 10]. По базовой технологии узлы из жаропрочного сплава ХН45ВМТЮБР, такие как внутренний корпус (рис. 1), свариваются дуговой сваркой неплавя-щимся электродом в среде защитных газов (90% аргон+10% гелий) [8].

Дуговая сварка имеет ряд недостатков:

• -    повышенное тепловложение в свариваемый материал изделия;

• -    значительная зона термического влияния;

• -    возникновение больших сварочных напряжений, вызывающих коробление изделия;

Рис. 1. Внутренний корпус

• -    низкий уровень автоматизации и более слабый контроль за параметрами сварки.

Альтернативой в этом случае может служить лазерная сварка, обладающая рядом достоинств:

• -    минимальное тепловое влияние, незначительная зона термического влияния и связанная с этим меньшая вероятность образования трещин и коробления изделия;

• -    высокое качество, равномерность, повторяемость и прочность металла сварных швов;

• -    гибкость в управлении лазерным пучком с возможностью использования волоконной оптики и сварки труднодоступных областей, не достижимых никаким другими методами;

• -    высокая скорость сварки и, соответственно, производительность процесса; простота и автоматизации процесса сварки [11-13].

На форму и размеры сварного шва влияют следующие факторы:

• -    тип источника нагрева (лазерное излучение, электронный луч, сварочная или плазменная дуга, газовое пламя и т.д.);

• -    мощность источника нагрева;

• -    скорость сварки;

• -    теплофизические свойства свариваемых материалов;

• -    исходная температура свариваемых материалов (сварка идет без или с подогревом материала);

• -    размеры и форма свариваемых заготовок.

В большинстве случаев лазерная и электроннолучевая сварка проводятся в режиме так называемого «кинжального» проплавления, при котором формируется глубокий сварной шов с верхней «грибовидной» частью [15]. Сварной шов в режиме кинжального проплавления образуется за счет испарения материала и образования плазмы на поверхности. Высокие температуры на поверхности и давление паров обуславливают расширение верхней области сварного шва по сравнению с его нижней частью, формируя тем самым «грибовидную» форму шва.

В данной работе приводятся результаты исследований влияния мощности и скорости лазерной сварки на размеры и форму сварного шва жаропрочного сплава ХН45ВМТЮБР.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Имитация сварки образцов проводилась на лазерном СО ₂ -комплексе TruLaserCELL 7020 (TRUMPF - Германия) импульсно-периодическим излучением с фокусирующей линзой F = 270 мм. Защитным газом служил гелий с расходом 12 – 14 л/мин, который подавался специальным соплом впереди лазерного луча. Диаметр луча колебался в пределах 0,3 – 0,35 мм. Мощность лазерного излучения изменялась в пределах 2,5 - 4,0 кВт при скоростях лазерной сварки 16,6 мм/с; 25,0 мм/с; 33,3 мм/с и 41,6 мм/с. Свариваемые образцы (заготовки) размером 150х270мм толщиной 6,0 мм из сплава ХН45ВМТЮБР [14] вырезались из листового материала, рис. 2.

После сварки для исследований образцы по всей длине сварного шва разрезались на участки длиной 15 мм.

Химический состав и процентное содержание по массе легирующих элементов исследуемого сплава приведены в табл. 1.

Форма и размеры лазерных сварных швов определялись на основе данных металлографических исследований поперечных сечений сварных швов всех образцов. Металлографические исследования проводилось в двух поперечных сечениях: в начале и в конце каждого сварного шва при помощи металлографического микроскопа Axio Observer фирмы СarlZeiss.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ

На рис. 3 показана схема обозначения параметров сварного шва. Результаты измерений параметров сварных швов в зависимости от режимов сварки представлены в табл. 2.

Рис. 3. Схема обозначения параметров лазерного сварного шва:

e – ширина сварного шва, e ₁ – ширина корня сварного шва (парового канала); q – выпуклость сварного шва; q ’ – вогнутость сварного шва; h – глубина сварного шва; h ₁ – глубина парового канала

Рис. 2. Фрагмент образца из сплава ХН45ВМТЮБР со сварными лазерными швами

Из анализа данных таблицы 2 по формированию сварного шва сплава ХН45ВМТЮБР в зависимости от мощности и скорости движения лазерного пучка видно:

• 1.    В указанном диапазоне скоростей ширина шва e падает с увеличением скорости лазерной сварки от 3.55 мм до 2,2 мм. В то же время, при скорости сварки v _св = 41,6 мм/с ширина шва становится равной 2,1 – 2,2 мм во всем диапазоне мощностей лазерного излучения от 2,5 кВт до 4,0 кВт. То есть зависит, в основном, от скорости сварки или времени формирования «грибовид-ности» шва [15], которое определяет размер и форму сварного шва в верхней его части.

• 2.    Глубина сварного шва h также уменьшается с ростом скорости сварки в диапазоне от 16,6 мм/с до 41,6 мм/с от 3,1 до 2,5 мм при мощности

  Таблица 1. Химический состав сплава ХН45ВМТЮБР, ТУ14-1-1059-2004 [14]

• 3.    При мощности ЛИ 3 кВт (плотность мощности 4,25×10¹⁰ Вт/м²) начинает резко возрастать глубина парового канала от 2,6 мм до 4,5 мм при мощности ЛИ 4 кВт.

• 4.    Изменение параметров сварного шва в начале и в конце дорожки сварного шва наиболее заметны при мощностях лазерного излучения равным 2,5 - 3,0 кВт. При этом в большинстве случаев параметры сварного шва (прежде всего, ширина и глубина) возрастают в конце дорожки, что обусловлено ростом температуры нагрева материала в процессе сварки. С ростом скорости сварки до 33,3 мм/с и 41,6 мм/с различия в параметрах сварного шва в начале и в конце дорожки минимальны, поскольку за счет

Элемент	Ni	Cr	Al	Mo	W	Ti	Nb	Si	Cu	V	Fe
Содержание, %	43,0-47,0	14,0-6,0	0,9-1,4	4,0-5,2	2,5-3,5	1,9-2,4	0,8-1,5	<0,3	<0,25	<0,1	Остальное

Таблица 2. Зависимость параметров сварного шва от Р _ЛИ и v _св

	Мощность лазерного излучения кВт
Р ди	2.5				3,0				3,5				4,0
	Скорость сварки мм/с
Параметры, мм	16,6	25	33,3	41,6	16,6	25	33,3	41,6	16,6	25	33,3	41,6	16,6	25	33,3	41,6
е н	3,55	3,32	2,58	2,2	4,15	3,65	2,67	2,1	4,35	3,60	2,39	2,2	3,32	2,75	2,65	2,1
e K	3.75	3.23	2,80	2,1	4,29	3,10	2,70	2,2	4,5	3,35	2,67	2,23	4,0	3,22	2,72	2,33
e 1H	1,1	0,92	0,7	0,6	1,00	1,0	1,0	0,6	1,23	1,1	0,93	0,85	1,28	1,05	0,95	0,83
e 1K	1,12	0,93	0,75	0,55	1,34	1,19	0,85	0,84	1,40	1,18	1,0	0,82	1,44	1,3	1,0	0,85
h H	3,0	2,85	2,6	2,55	3,7	3,4	3,6	3,75	4,6	4,0	4,5	4,4	5,5	4,5	5,3	5,25
h K	3,1	2,85	2,5	2,55	4,1	4,4	3,8	3,8	4,4	5,0	4,6	4,55	7,6	5,8	5,95	5,5
h 1H	1,7	1,85	1,7	1,7	2,4	2,3	2,6	2,6	2,9	2,8	3,3	3,4	4,2	3,35	4,1	4,5
h 1K	1,8	1,9	1,6	1,9	2,7	3,15	2,8	3,0	3,2	3,6	3,6	3,7	5,5	4,1	4,8	4,6
q H	0,35	0,25	0,2	0,1	0,4	0,4	0,55	0,3	0,7	0,5	0,7	0,45	0,7	0,4	0,5	0,4
q K	0,3	0,25	0,2	0,2	0,5	0,3	0,4	0,3	0,4	0,4	0,4	0,35	-	0,1	0,45	0,45

Примечание: Нижний индекс Н в параметрах сварного шва соответствует началу дорожки сварного шва, а индекс К – соответственно концу дорожки

ЛИ 2,5 кВт. При этом, глубина парового канала практически не изменяется, а изменение размеров сварного шва связано с изменением верхней его «грибовидной» части. С ростом мощности ЛИ и уменьшением скорости сварки глубина проплавления возрастает и достигает своего максимума – более 6 мм при мощности 4,0 кВт и скорости сварки – 16, 6 мм/с.

Увеличение глубины сварного шва обусловлено ростом глубины парового канала h ₁ , табл. 2.

сокращения времени воздействия глубина прогрева уменьшается.

В табл. 3 представлены результаты расчетов расхода мощности лазерного излучения P _ЛИ на миллиметр глубины проплавления сварного шва и энергии лазерного излучения W _ЛИ на длине дорожки l =80 миллиметров сварного шва при различных скоростях сварки и мощностях лазерного излучения в начале и конце шва.

Из табл. 3 видно, что расход мощности для проплавления 1 мм глубины при мощности лазерного излучения P _ЛИ = 2,5 кВт с ростом скорости сварки от 16,6 мм/с до 41,6 мм/с увеличивается в 1,2 раза, в то же время расход энергии W на сварку шва длиной 80 мм уменьшается вначале сварного шва в 2,27 раза, а в конце шва - в 2,21 раза.

При мощностях лазерного излучения P _ЛИ = 3,0, 3,5 и 4,0 кВт расход мощности для проплавления 1 мм глубины с ростом скорости сварки от 16,6 мм/с до 41,6 мм/с изменяется очень слабо, что может быть связано с незаметным уширением парового канала.

Однако изменение расхода энергии W на сварку шва длиной 80 мм остается значитель-

Таблица 3. Отношение P _ЛИ /h , кВт/мм и энергии W _ЛИ на 80 мм длины сварного шва

Pди, кВт 2.5 3,0 3,5 4,0 Параметры Скорость сварки vсв, мм/с 16,6 25 33,3 41,6 16,6 25 33,3 41,6 16,6 25 33,3 41,6 16,6 25 33,3 41,6 h н, мм 3,0 2,85 2,60 2,55 3,70 3,40 3,60 3,75 4,60 4,0 4,50 4,40 5,50 4,50 5,30 5,25 h к, мм 3,10 2,85 2,50 2,55 4,10 4,40 3,80 3,80 4,40 5,0 4,60 4,55 7,60 5,80 5,95 5,50 h 1н, мм 1,7 1,85 1,7 1,7 2,4 2,3 2,6 2,6 2,9 2,8 3,3 3,4 4,2 3,35 4,1 4,5 h 1к, мм 1,8 1,9 1,6 1,9 2,7 3,15 2,8 3,0 3,2 3,6 3,6 3,7 5,5 4,1 4,8 4,6 P/hн, кВт/мм 0,83 0,88 0,96 0,98 0,81 0,88 0,83 0,80 0,76 0,88 0,78 0,79 0,73 0,90 0,76 0,76 P/h, кВт/мм 0,81 0,88 1,0 0.98 0,73 0,68 0,79 0,79 0,80 0,70 0,76 0,77 0,53 0,70 0,67 0,73 Wпи, кДж/мм 0,15 0,10 0,08 0,06 0,18 0,12 0,09 0,07 0,21 0,14 0,11 0,08 0,24 0,16 0,12 0,10 ным: При мощности лазерного излучения PЛИ = 3,0 кВт уменьшается вначале сварного шва в 2,7 раза, по данным конца сварного шва – в 2,42 раза; при мощности лазерного излучения PЛИ = 3,5 кВт уменьшается вначале сварного шва в 2,6 раза, по данным конца сварного шва – в 2,42 раза; при мощности лазерного излучения PЛИ = 4,0 кВт уменьшается вначале сварного шва в 2,55 раза, по данным конца сварного шва – в 1,93 раза

АНАЛИЗ ФОРМЫ, РАЗМЕРОВИ МАКРОСТРУКТУРЫ ЛАЗЕРНЫХ ШВОВ

На рис. 4 представлена структура основного металла.

В основном свариваемом сплаве наблюдается довольно однородная структура, форма зерен в основном четырехгранная ближе к ромбической с четкими границами.

На рис. 5 представлена макроструктура и форма сварных швов в конце свариваемой дорожки, полученных при скорости сварки v _св = 16,6 мм/с и различных мощностях.

Структура сварного шва в верхней его области в переходной зоне от «грибовидной» [15] части к паровому каналу (рис. 5а) характеризуется неоднородностью и наличием крупной

Рис. 4. Макроструктура основного металла сплава ХН45ВМТЮБР поры диаметром до 0,35 – 0,4 мм, образующейся после конденсации и кристаллизации металла в зоне парового канала [15]. Образование микротрещин в ЗТВ и сварном шве практически не наблюдается.

В конце сварного шва длиной 80 мм при мощности P _ЛИ = 4,0 кВт и скорости сварки v _св = 16,6 мм/с произошло сквозное проплавление образца толщиной 6 мм, при этом пор в сварном шве практически не наблюдается.

На рис. 6 представлены форма, размеры и дефекты сварных швов, полученных при мощ-

a

б

a

Рис. 6. Форма и размер лазерного сварного шва в начале шва: а – Р = 3,0 кВт, v _св = 25 мм/с; б – Р = 3,5 кВт, v_св = 25 мм/с

Рис. 5. Макроструктура и форма лазерного шва в конце зоны сварки при скорости v _св = 16,6 мм/с: а – P _ЛИ= 3 кВт; б – Р = 4 кВт

б

ности лазерного излучения Р = 3,0 кВт, Р = 3,5 кВт и скорости сварки v _св = 25 мм/с.

В сварном шве, сформированном при мощности лазерного излучения 3 кВт, строго по оси сварного шва наблюдаются светлые дефекты сферической формы, в целом увеличивающиеся по размеру с приближение к корню шва. Данные дефекты, расположенные по оси сварного шва, уменьшают его прочность, особенно при динамических нагрузках.

В верхней части сварного шва, полученного при мощности лазерного излучения 3,5 кВт, имеется пора сферической формы размером до 100 мкм, в центральной части имеется вытянутый вдоль оси сварного шва дефект, напоминающий пору.

В целом, при обеих указанных мощностях лазерного излучения формируется выпуклый сварной шов.

В зоне термического влияния ниже «грибовидной» зоны наблюдается образование микротрещин, прорастающие до края сварного шва, что может быть связано с высоким уровнем напряжений, возникающих под действием значительных градиентов температур.

На рис. 7 представлены формы, размер и макроструктура сварных швов, сформированных при скорости сварки v _св = 41.6 мм/с.

Сварные швы выпуклые, в которых наблюдаются поры различной формы, расположенные ближе к корню шва. В зоне термического влияния, как и в предыдущем случае, под «грибовидной» частью сварного шва возникают микротрещины, а в сварном шве (ближе к корню) наблюдаются поры.

Следует остановиться на формировании сварного шва в начале и в конце дорожки. На рис. 8 и 9 представлена форма сварного шва в начале и в конце дорожки при различных мощностях и скоростях движения лазерного пучка. При скорости 25 мм/с «грибовидная» форма сварного шва в начале дорожки более выражена, чем в конце дорожки (рис. 8) Отношение ширины сварного шва к ширине парового канала e / e₁ составляет 3,65 в начале дорожки, в то время как в конце дорожки оно равно 2,6 (табл. 2). Очевидно, что уменьшение «грибовидности» верхней части сварного шва обусловлено повышенным тепловложением в конце дорожки и, соответственно, расширением парового канала при скоростях сварки 25 мм/с и ниже. При скорости сварки 41,6 мм/с различия в форме и параметрах сварного шва (рис. 9, табл.2) в начале и в конце дорожки практически отсутствуют, что обусловлено сокращением времени воздействия и, соответственно, уменьшением области прогрева материала.

а

Рис. 7. а - конец шва P = 3 кВт, v _св = 41,6 мм/с; б - конец шва - Р = 2.5 кВт, v _св = 41.6 мм/с

б

а

б

Рис. 8. Форма сварного шва при мощности ЛИ P _ЛИ = 3 кВт и скорости сварки v _св = 25 мм/с: а – начало сварного шва, б – конец сварного шва

a

б

Рис. 9. Форма сварного шва при мощности ЛИ P _ЛИ = 4 кВт и скорости сварки v _св = 41,6 мм/с: а – начало сварного шва, б – конец сварного шва

ВЫВОДЫ

• 1.    При лазерной сварке жаропрочного сплава ХН45ВМТЮБР практически во всех режимах лазерного воздействия, формируются выпуклые швы. Вогнутая поверхность шва возникает при сквозном проплавлении при скорости сварки v _св = 16,6 мм/с и мощности Р _ЛИ = 4.0 кВт.

• 2.    Глубина сварного шва начинает расти при мощностях лазерного излучения выше 3 кВт во всем диапазоне скоростей сварки от 16,6 мм/с до 41,6 мм/с за счет роста глубины парового канала.

• 3.    В сварных швах при мощности лазерного излучения 3 кВт и выше наблюдаются поры сферической формы и образование микротрещин в ЗТВ, размеры которых колеблются в пределах 0,1 - 0,3 мм.

• 4.    Расход мощности лазерного излучения на проплавление 1 мм глубины сварного шва изменяется в пределах 0,7 – 1,0 кВт и в сильной степени зависит от мощности и скорости сварки v _св . Наименьший расход мощности (0,53 – 0,73 кВт/мм) достигается при Р _ЛИ = 4.0 кВт и скоростях сварки v _св = 16,6 мм/с – 41,6 мм/с.

• 5.    При скоростях движения лазерного пучка сплава ХН45ВМТЮБР 25 мм/с и ниже за счет роста тепловложения в материал в процессе сварки наблюдаются различия в форме и параметрах сварного шва в начале и в конце дорожки. С ростом скорости сварки выше 25 мм/с эти различия уменьшаются, что особенно заметно при скорости сварки 41,6 мм/с.