Введение к работе
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
сварки в непрерывных агрегатах комплекса холодной прокатки ММК. Для достижения цели диссертационного исследования необходимо решить следующие задачи:
-
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.
-
Установить влияние основных пространственно-энергетических параметров лазерной сварки на структуру и свойства сварных соединений из низкоуглеродистых сталей и сверхнизкоугле-родистой стали, микролегированной титаном и ниобием.
-
Определить влияние предварительного и последующего нагревов при лазерной сварке, а также рекристаллизационного отжига полосы в непрерывном агрегате на структуру и свойства сварных соединений.
-
Дать рекомендации по технологическим режимам лазерной сварки полосы из низкоуглеродистой стали различного размерно-марочного сортамента, обеспечивающих ее безобрывную транспортировку в линиях непрерывных агрегатов листопрокатного цеха № 11 (ЛПЦ-11) ПАО «ММК».
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
-
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.
-
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-
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:
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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 «Medunarodnyj nauno-issledovatel'skij urnal» (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
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.