RU2606144C2

RU2606144C2 - Method for welding thick-walled large-size parts

Info

Publication number: RU2606144C2
Application number: RU2012134699A
Authority: RU
Inventors: Виктор Никонорович Семенов; Елизавета Александровна Ходакова
Original assignee: Виктор Никонорович Семенов
Priority date: 2012-08-14
Filing date: 2012-08-14
Publication date: 2017-01-10
Also published as: RU2012134699A

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: invention relates to a method for automatic welding thick-walled large-size parts from Ni-Cr-based alloy and can be used in production of a liquid-propellant engine. Proposed method comprises V-shaped cutting edges of welded parts, installation of welded parts on the substrate, multilayer welding using a filler wire from Ni-Cr-based alloy with diameter of 2–2.5 mm. Then, the welded joint is being hardened at 1,050±10 °C. Then, part is being cooled at a rate of 30–40 °C/min, and during cooling when temperature of 700–780 °C is achieved, the part is being held for 60±10 and, then, cooled.

EFFECT: invention allows preventing cracks in heat-affected zone of welded parts.

1 cl, 3 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к технологии получения сварного соединения жаропрочных дисперсионно-твердеющих сплавов на основе Ni-Сr без трещин в зоне термического влияния (ЗТВ) и может быть использовано при автоматической сварке конструкций из крупногабаритных толстостенных деталей, применительно в производстве жидкостных ракетных двигателей (ЖРД).The invention relates to a technology for producing a welded joint of heat-resistant dispersion hardening alloys based on Ni-Cr without cracks in the heat-affected zone (HAZ) and can be used for automatic welding of structures from large-sized thick-walled parts, as applied to the production of liquid rocket engines (LRE).

Известен способ сварки деталей из сплавов на основе Ni-Cr, раскрытый в патенте RU 2053078 (кл. В23К 11/06, 1996), согласно которому проводят сборку свариваемых элементов, предварительную контактную роликовую сварку по их торцам и последующую приварку к арматуре. При этом перед сборкой на внешнюю и внутреннюю поверхности каждого элемента наносят слои никелевого покрытия. Однако данный способ применим для сварки тонкостенных элементов, например сильфонов, с деталями сложной конфигурации, а не для крупногабаритных толстостенных деталей.There is a known method of welding parts from alloys based on Ni-Cr, disclosed in patent RU 2053078 (class B23K 11/06, 1996), according to which the assembly of the elements to be welded, preliminary contact roller welding at their ends and subsequent welding to the reinforcement. In this case, before assembly, layers of a nickel coating are applied to the external and internal surfaces of each element. However, this method is applicable for welding thin-walled elements, such as bellows, with parts of complex configuration, and not for large-sized thick-walled parts.

Из патента RU 2265505 (кл. В23К 9/23, 2005) известен способ сварки изделий из дисперсионно-твердеющих сплавов на основе никеля, в котором предварительно нагревают всю зону сварного шва и область, примыкающую к зоне сварного шва изделия, до температуры максимальной пластичности, которая выше температуры старения и ниже начальной температуры плавления, и поддерживают такую температуру во время сварки и отверждения сварного шва. Затем увеличивают температуру сварного изделия до температуры снятия механических напряжений и охлаждают сварное изделие до температуры ниже диапазона дисперсного твердения первичной гамма-фазы со скоростью, эффективной для уменьшения выделения первичной гамма-фазы. Способ направлен на снижение образования трещин в сварном шве и в сплаве в результате сварки. Однако в указанном патенте нет данных о том, что таким способом можно снизить образование трещин в зоне термического влияния в случае сварки толстослойных деталей между собой.From patent RU 2265505 (class B23K 9/23, 2005), a method is known for welding products from precipitation hardening nickel-based alloys, in which the entire zone of the weld and the region adjacent to the zone of the weld of the product are preheated to the temperature of maximum ductility, which is higher than the aging temperature and below the initial melting temperature, and maintain such a temperature during welding and curing of the weld. Then, the temperature of the welded product is increased to a temperature of relieving mechanical stresses and the welded product is cooled to a temperature below the range of dispersed hardening of the primary gamma phase with a speed effective to reduce the release of the primary gamma phase. The method is aimed at reducing the formation of cracks in the weld and in the alloy as a result of welding. However, in this patent there is no evidence that in this way it is possible to reduce the formation of cracks in the heat affected zone in the case of welding thick-layer parts between themselves.

В свою очередь, недостатком известных способов сварки толстостенных деталей является то, что в результате появляются трещины (Фиг.1) в ЗТВ. Причиной тому служит появившийся концентратор напряжений вследствие образовавшегося в этой зоне повышенного содержания частиц γ'-фазы в мелкодисперсном виде, карбидной фазы (Ме₂₃ С₆), дисклокаций и резкого снижения пластичности сплавов.In turn, the disadvantage of the known methods of welding thick-walled parts is that as a result there are cracks (Figure 1) in the HAZ. The reason for this is the stress concentrator that appeared due to the increased content of particles of the γ'-phase in finely dispersed form, the carbide phase (Ме ₂₃ С ₆ ), dislocations, and a sharp decrease in the ductility of the alloys.

Причем обе эти фазы при их интенсивном выделении в ЗТВ располагаются преимущественно по границам зерен. А дисклокации, за счет их заторможенности в зоне размещения скопившихся фаз, переплетаются, образуя клубки сплетений, увеличивая при этом также уровень напряжения в ЗТВ. Это происходит вследствие высокого тепловложения в ЗТВ при повышенной массе сварочной ванны, создаваемой при использовании большого диаметра сварочной проволоки (∅≥4 мм), и уменьшения количества проходов при сварке. Заторможенность выхода дисклокаций на поверхность, а также ограниченность зернограничного проскальзывания границ зерен и их миграции - вот те основные факторы, которые лежат в основе появления концентратора напряжений и резкого снижения высокотемпературной ползучести сплава.Moreover, both of these phases, when they are intensively isolated in the HAZ, are located mainly along the grain boundaries. And the dislocations, due to their inhibition in the area of the accumulated phases, intertwine, forming tangles of plexuses, while also increasing the voltage level in the HAZ. This is due to the high heat input in the HAZ with an increased mass of the weld pool created using a large diameter of the welding wire (∅≥4 mm), and a decrease in the number of passes during welding. The inhibition of exit of dislocations to the surface, as well as the limited grain-boundary slippage of grain boundaries and their migration - these are the main factors that underlie the appearance of a stress concentrator and a sharp decrease in the high-temperature creep of the alloy.

А, как известно, ползучесть совершается преимущественно благодаря свободному перемещению дисклокаций и отсутствию в структуре металла каких-либо ограничений, в том числе частиц фаз, препятствующих перемещению зерен и их миграции.And, as you know, creep occurs mainly due to the free movement of dislocations and the absence of any restrictions in the metal structure, including phase particles that impede the movement of grains and their migration.

Изобретение направлено на предотвращение появления трещин в зоне термического влияния свариваемых деталей. Технический результат - снижение критических напряжений в ЗТВ в процессе сварки толстостенных крупногабаритных деталей из высокопрочных дисперсионно-твердеющих сплавов на основе Ni-Cr, применяемых в конструкциях ЖРД.The invention is aimed at preventing the appearance of cracks in the heat affected zone of the parts to be welded. EFFECT: reduction of critical stresses in HAZ during welding of thick-walled large-sized parts from high-strength dispersion hardening alloys based on Ni-Cr used in the design of liquid-propellant rocket engines.

Предлагаемый способ автоматической сварки толстостенных крупногабаритных деталей в инертном газе включает V-образную разделку кромок свариваемых деталей из сплава на основе Ni-Cr, установку свариваемых деталей на подкладку, осуществление многослойной сварки с использованием присадочной проволоки из сплава на основе Ni-Cr диаметром 2-2,5 мм, последующую закалку сварного соединения при температуре 1050±10°С, дальнейшее охлаждение детали со скоростью 30-40°С/мин. При этом по достижении при охлаждении температуры 700-780°С проводят выдержку в течение 60±10 мин и дальнейшее охлаждение.The proposed method for automatic welding of thick-walled large-sized parts in inert gas includes V-shaped cutting of the edges of the welded parts from a Ni-Cr alloy, lining of the welded parts, multilayer welding using a filler wire from a Ni-Cr-based alloy wire with a diameter of 2-2 , 5 mm, subsequent hardening of the welded joint at a temperature of 1050 ± 10 ° C, further cooling of the part at a speed of 30-40 ° C / min. Moreover, upon reaching a temperature of 700-780 ° C during cooling, holding is carried out for 60 ± 10 min and further cooling.

Сварное соединение, полученное с помощью предлагаемого способа, обладает высокой работоспособностью в условиях динамических нагрузок и при воздействии высокой агрессивной среды, например жидкого кислорода.The welded joint obtained using the proposed method has high performance under dynamic loads and when exposed to a highly aggressive environment, such as liquid oxygen.

Процесс сварки осуществляют следующим образом. Вначале на свариваемых деталях делают V-образную разделку кромок. Затем детали устанавливают в приспособление, соблюдая их соосность и совпадение кромок. Сварку деталей проводят в последовательности: 1 проход - корневой шов, варят без присадки, последующие слои с присадкой. В качестве присадки используют проволоку того же состава, что и свариваемые детали.The welding process is as follows. First, on the welded parts make a V-shaped cutting of the edges. Then the parts are installed in the device, observing their alignment and coincidence of the edges. Welding of parts is carried out in the sequence: 1 pass - the root seam, cook without additives, subsequent layers with the additive. As an additive, a wire of the same composition as the parts to be welded is used.

Сварку выполняют в автоматическом режиме. Защитная среда - чистый аргон. Подают его в горелку и в корень шва - на поддув. Сварку осуществляют на подкладке, устанавливаемой под корень шва свариваемых деталей. Расход аргона в горелку 12-15 л/мин, на подкладку в корень шва 2-3 л/мин. Диаметр присадочной проволоки 2-2,5 мм. После выполнения корневого шва осуществляют оценку отсутствия дефектов в сварном шве и ЗТВ с помощью R-контроля. При отсутствии дефектов начинают производить последующую сварку детали. Для предотвращения появления трещин в ЗТВ сварку проводят с минимальным нагревом металла в ЗТВ, увеличивая количество проходов сварки и скорость сварки. Это позволяет сохранять первоначальную однородную структуру в ЗТВ и предотвращать появление здесь же критических напряжений и соответственно трещин. Последующие слои сваривают по той же технологии что и второй проход. Режимы сварки устанавливают в пределах: ток 200-250 А, напряжение дуги 20-25 Вт. Число проходов определяют экспериментально, не прибегая к изменению структуры в ЗТВ в зависимости от толщины стенки свариваемых деталей. Для выравнивания механических свойств сварного соединения производят термообработку сварного соединения. Закалку осуществляют при 1050±10°С; выдержку при этой температуре устанавливают 30-40 мин (после полного прогрева деталей конструкции). Охлаждают конструкцию с температуры закалки в пределах 30-40°С в минуту. При температуре 700-780°С в процессе охлаждения делают выдержку в течение 60±10 мин. Далее охлаждают конструкцию с той же скоростью.Welding is performed in automatic mode. The protective environment is pure argon. They submit it to the burner and to the root of the seam for blowing. Welding is carried out on a lining installed under the root of the seam of the parts to be welded. The argon consumption in the burner is 12-15 l / min, on the lining in the root of the seam is 2-3 l / min. The diameter of the filler wire is 2-2.5 mm. After the root seam is completed, an assessment is made of the absence of defects in the weld and HAZ using the R-control. In the absence of defects, subsequent welding of the part begins. To prevent the appearance of cracks in the HAZ, welding is carried out with minimal heating of the metal in the HAZ, increasing the number of welding passes and the welding speed. This allows you to maintain the original homogeneous structure in the HAZ and prevent the appearance of critical stresses and, accordingly, cracks. Subsequent layers are welded using the same technology as the second pass. Welding modes are set within: current 200-250 A, arc voltage 20-25 watts. The number of passes is determined experimentally, without resorting to structural changes in the HAZ, depending on the wall thickness of the parts to be welded. To align the mechanical properties of the welded joint, heat treatment of the welded joint is performed. Quenching is carried out at 1050 ± 10 ° C; exposure at this temperature is set to 30-40 minutes (after complete heating of the structural parts). Cool the structure with a quenching temperature in the range of 30-40 ° C per minute. At a temperature of 700-780 ° C during the cooling process, hold for 60 ± 10 minutes. Next, cool the structure at the same speed.

Закалка обеспечивает создание однородного твердого раствора в сварном соединении и позволяет релаксировать напряжение.Quenching ensures the creation of a homogeneous solid solution in the welded joint and allows you to relax the voltage.

Выдержка при температуре 700-780°С позволяет выделить из γ-твердого раствора частицы γ'-фазы в мелкодисперсном виде, провести их частичную коагуляцию, релаксировать напряжения и обеспечить требуемые механические свойства сварного соединения.Exposure at a temperature of 700-780 ° C makes it possible to isolate particles of the γ'-phase in a finely dispersed form from a γ-solid solution, partially coagulate them, relax stresses and provide the required mechanical properties of the welded joint.

Ниже приведен пример осуществления предложенного способа.The following is an example implementation of the proposed method.

В сварной конструкции, включающей две обечайки, с толщиной стенки 15 мм, со стороны торца в местах сварки обечаек механическим путем делают разделку, при стыковке которых разделки образуют V-образную форму, представленную на Фиг.2. Устанавливают обечайки на подкладку. Материал обечаек и подкладки - жаропрочный дисперсионно-твердеющий сплав на основе Ni-Cr (ЭП-202, ЭК-61).In a welded structure, including two shells, with a wall thickness of 15 mm, butchering is performed mechanically on the side of the ends at the points of welding of the shells, upon joining of which the shells form a V-shape, shown in FIG. 2. Set the shells on the lining. The material of the shells and lining is a heat-resistant dispersion hardening alloy based on Ni-Cr (EP-202, EK-61).

Первый проход (корневой шов) варят без присадки; последующие слои с присадкой того же химического состава, что и свариваемый сплав. Защитная среда - чистый аргон. Защиту газом осуществляли также со стороны подкладки. Расход аргона в горелку составлял 13 л/мин, в подкладку - 2,5 л/мин. Диаметр присадочной проволоки из сплава ЭП-642 составлял 2,5 мм, а количество проходов составляло 8; материал проволоки - сплав на основе никель-хром. Фрагмент сварного соединения представлен на Фиг.3.The first pass (root seam) is boiled without additives; subsequent layers with an additive of the same chemical composition as the alloy being welded. The protective environment is pure argon. Gas protection was also carried out from the side of the lining. The argon consumption in the burner was 13 l / min, in the lining - 2.5 l / min. The diameter of the filler wire made of EP-642 alloy was 2.5 mm, and the number of passes was 8; wire material - nickel-chromium-based alloy. A fragment of the welded joint is shown in Fig.3.

После сварки осуществляли термообработку сварного соединения при температуре 1050±10°С. Охлаждение производили в аргоне. Время выдержки при температуре 1050±10°С составляло 60 мин. Скорость охлаждения сварной конструкции не превышала 35°С в минуту. При температуре 750±10°С (в процессе охлаждения конструкции с температуры закалки) осуществляли выдержку в течение 50 мин. Затем охлаждали конструкцию с той же скоростью.After welding, heat treatment of the welded joint was carried out at a temperature of 1050 ± 10 ° C. Cooling was performed in argon. The exposure time at a temperature of 1050 ± 10 ° C was 60 min. The cooling rate of the welded structure did not exceed 35 ° C per minute. At a temperature of 750 ± 10 ° С (during cooling of the structure from the quenching temperature), exposure was carried out for 50 min. Then cooled the structure at the same speed.

Применение способа, как показали исследования, позволило получить качественное соединение из трудносвариваемого сплава без трещин и имеющее механические свойства в соответствии с требованиями конструкторской документации на сварное соединение.The application of the method, as studies have shown, made it possible to obtain a high-quality joint from a hardly welded alloy without cracks and having mechanical properties in accordance with the requirements of the design documentation for a welded joint.

Claims

A method for automatic welding of thick-walled large-sized Ni-Cr-based alloy large-sized parts, including inert gas welding using filler wire, characterized in that V-shaped edges are first machined on the parts to be welded, the parts to be welded are mounted on a lining and multilayer welding is performed using filler wire of an alloy based on Ni-Cr with a diameter of 2-2.5 mm, then the hardening of the welded joint is performed at a temperature of 1050 ± 10 ° C and cooling at a speed of 30-40 ° C / min, at which reaching a temperature of 700-780 ° C, hold for 60 ± 10 min and carry out further cooling at the same speed.