201503_PSpaw.pdf 36 Przegląd sPawalnictwa Vol. 87 3/2015 Wpływ kulowania na właściwości użytkowe połączeń spawanych stali austenitycznej 1.4539 wykonanych metodą TIG i wiązką lasera Shot-peening effect of the welded joints properties of the austenitic steel 1.4539 made by TIG and laser beam Barbara Nasiłowska, Zdzisław Bogdanowicz, Grzegorz Mońka, Wojciech Szymański Mgr inż. Barbara Nasiłowska; dr hab. inż. Zdzisław Bogdanowicz, prof. WAT; – Wojskowa Akademia Techniczna inż. Grzegorz Mońka – Instytut Mechaniki Precyzyjnej; dr inż. Wojciech Szymański – Instytut Metali Nieżelaznych w Gliwicach Autor korespondencyjny/Corresponding author: nasilowska.barbara@gmail.com Przedmiot badań Przedmiotem badań była stal austenityczna 1.4539 (o zaw. proc. Ni 24÷26, Cr 19÷21, Mo 4÷5, Cu 1,2÷2,0, Mn ≤ 2,0, N ≤ 0,15, Si ≤ 0,7, P ≤ 0,030, S ≤ 0,010, C ≤ 0,02) spawana metodą TIG oraz laserowo. Połączenie nieto- pliwą elektrodą wolframową Φ2,5 mm MTC MT-904L i spoiwem G/W 20 25 5 CuL (20% Cr, 25% Ni, 4,5% Mo, 1,5% Cu) zostało wykonane w Zakładach Budowy Apa- ratury Chemicznej, Grupa Azoty w Tarnowie wg techno- logii produkcyjnej stosowanej praktycznie do wykona- nia m.in. aparatury chemicznej (rys. 1a, b). Natomiast laserowe spawanie przeprowadzono w Centrum La- serowych Technologii Metali Politechniki Świętokrzy- skiej za pomocą lasera CO2 TRIUMF 1005 w odległości ogniskowej soczewki 260 mm z plamką na powierzchni próbki Φ 0,4 mm o mocy P = 4,5 kW i prędkości spawa- nia v = 1,4 m/min, w osłonie helu (rys. 1c, d). Streszczenie W pracy przedstawiono wpływ kulowania pneu- matycznego powierzchni na strukturę, mikrotwardość i naprężenia własne połączeń wykonanych ze stali au- stenitycznej 1.4539 spawanej wiązką lasera CO2 i me- todą TIG. Celem praktycznym badań było uzupełnienie obecnego stanu wiedzy dotyczącego połączeń spawa- nych laserowo i metodą TIG umocnionych kulowaniem powierzchni. Badania wykazały znaczne rozdrobnienie struktury powierzchni połączeń spawanych oraz wzrost mikrotwardości i naprężeń ściskających. Słowa kluczowe: kulowanie, stal austenityczna, TIG, laser Abstract This article presents shot-peening effect on the struc- ture, microhardness and compressive of the austenitic steel 1.4539 welded by TIG and CO2 laser beam. Practi- cal research aim is to supplement current state of knowl- edge and practice of the welded joints of the austenitic steel 1.4539 made by TIG and laser beam which is rein- forced by shot-peening. The research shows significant defragmentation of the welded connections structure, microhardness and compressive stress increase. Keywords: austen itic stainless steel, shot peening, TIG, laser beam Rys. 1. Struktura spoiny wykonanej metodą TIG (a), (b) oraz laserem CO2 przy parametrach spawania P = 4,5 kW i v = 1,4m/min (c), (d) Fig. 1. Weld structure made by TIG (a), (b) and CO2 laser beam with welding parameters P = 4,5 kW i v = 1,4m/min (c), (d) a) c) b) d) 37Przegląd sPawalnictwa Vol. 87  3/2015 Wyniki badań Kulowanie warstwy wierzchniej połączeń spawa- nych ze stali 1.4539 wiązką lasera i metodą TIG zosta- ło przeprowadzone w Instytucie Mechaniki Precyzyj- nej w Warszawie (rys. 2a) strumieniem śrutu ze stali sprężynowej (ok. 640 HV) o średnicy Φ 0,8 mm pod ciśnieniem 0,5 atm. Czas trwania ekspozycji wynosił 6 min, zaś pokrycie próbki 100%. Intensywność kulo- wania określona za pomocą płytki Almena Stripsa (typ A, grade II) wynosiła fc = 0,25 mm (rys. 2b). Parametry takie stosowano dla wielu konstrukcji spawanych. W wyniku kulowania (dynamicznego umacniania) warstwy wierzchniej stereometria powierzchni nie uległa znacznym zmianom (rys. 3). Chropowatość powierzchni przed kulowaniem wyniosła Ra = 3,9 µm, Ry5 = 18,53 µm, zaś po kulowaniu Ra = 3,98 µm i Ry5 = 18,77 µm. a) b) Rys. 2. Stanowisko do kulowania warstwy wierzchniej (a) oraz po- miar strzałki ugięcia płytki kontrolnej Almena (b) Fig. 2. Workplace for top layer shot-peening (a) and Almen’s control strip deflection measurement (b) a) b) Rys. 3. Topografia powierzchni stali 1.4539 przed (a) i po kulowaniu (b) Fig. 3. 1.4539 steel surface topography before (a) and after (b) shot- peening Badania wykonywane za pomocą elektronowego mikroskopu skaningowego struktury materiału rodzi- mego (rys. 4a, b) strefy złącza spawanego wiązką la- sera (rys. 4c, d) i metodą TIG (rys. 4e, f) stali 1.4539 po kulowaniu wykazały deformację ziaren austenitu wy- wołanej zgniotem warstwy wierzchniej do głębokości 150÷200 µm. a) b) c) d) e) f) Rys. 4. Mikrostruktura warstwy wierzchniej po kulowaniu mecha- nicznym materiału rodzimego (a, b) strefy połączeń spawanych wiązką lasera (c), (d) i metodą TIG (e), (f) wykonana przy użyciu mi- kroskopu skaningowego Quanta 3D FEG firmy FEI i detektora FSD (a, c, e) oraz EBSD (b, d, f) Fig. 4. Top layer microstructure after shot-peening of the base mate- rial (a, b) of the welds made by laser beam (c), (d) and TIG method (e), (f) made with Quanta 3D FEG FEI with FSD detector (a, c, e) and EBSD (b, d, f) scanning electron microscope Pomiary mikrotwardości zostały wykonane metodą Vickersa HV0,1 przed umocnieniem i po umocnieniu w głąb powierzchni materiału rodzimego, w strefie wpływu ciepła (SWC) oraz w spoinie (S) próbek spa- wanych wiązką lasera i metodą TIG. Efektem dynamicznej obróbki powierzchniowej po- łączeń spawanych jest umocnienie warstwy wierzch- niej spowodowane zgniotem powierzchniowym. Wy- niki badań rozkładu mikrotwardości przedstawione w formie wykresów dla próbek spawanych wiązką la- sera (rys. 5) i metodą TIG (rys. 6) wskazują na znaczny wzrost mikrotwardości. W wyniku obróbki plastycznej walcowaniem w pro- cesie produkcyjnym stali 1.4539 mikrotwardość ma- teriału rodzimego (MR) przed kulowaniem wynosiła 38 Przegląd sPawalnictwa Vol. 87 3/2015 ok. 290 HV (20 µm w głąb powierzchni), natomiast po umocnieniu dynamicznym wzrosła do ok. 350 HV na tej samej głębokości. Cykl cieplny w procesie spawania laserowego spo- wodował odpuszczenie i ponowny rozrost ziaren w po- staci dendrytów, w wyniku czego mikrotwardość w stre- fie wpływu ciepła (SWC) i spoinie (S) przed kulowaniem ukształtowała się do wartości normatywnej (195 HV). Natomiast proces umacniania dynamicznego spowo- dował wzrost mikrotwardości do poziomu ok. 400 HV w SWC i S na głębokości ok. 20 µm od powierzchni próbki (rys. 5). Strefa połączenia spawanego wiązką lasera została umocniona na głębokości ok. 300 µm. Wskutek cyklu cieplnego i segregacji pierwiastków stopowych wchodzących w skład spoiwa spoiny wy- konanej metodą TIG mikrotwardość na głębokości 20 µm od powierzchni próbki w osi spoiny przed ku- lowaniem wynosiła 154HV i przechodziła w wartość znormalizowaną na poziomie 195 µm. W procesie kulowania mechanicznego nastąpi- ło umocnienie warstwy wierzchniej do głębokości ok. 250 µm (rys. 6). Rys. 5. Rozkład mikrotwardości w głąb warstwy wierzchniej mate- riału rodzimego i elementów spawanych wiązką lasera Fig. 5. Distribution of microhardness into the top layer of the base metal and welds made by laser beam Rys. 6. Rozkład mikrotwardości w głąb warstwy wierzchniej mate- riału rodzimego i elementów spawanych metodą TIG Fig. 6. Distribution of microhardness into the top layer of the base metal and welds made by TIG Rys. 7. Miejsca pomiaru na- prężeń własnych w strefie połączenia spawanego w osi x i y Fig. 7. Residual stresses in the zone of the weld in the x and y axes measurement Rys. 8. Naprężenia własne w spoinie (S), strefie wpływu ciepła (SWC) oraz materiale rodzimym (MR) w osi x (a) i y (b) przed oraz po kulowaniu powierzchni Fig. 8. Residual stresses in the joint (s), heat-affected zone (HAZ) and the base material (BM) in the X-axis (a) and Y-axis (b) before and after surface shot-peening measurement a) b) Badania doświadczalne naprężeń własnych połączeń spawanych Badania naprężeń własnych zostały wykonane w Instytucie Metali Nieżelaznych Oddział Metali Lek- kich w Skawinie. Pomiary prowadzono w spoinie, strefie wpływu ciepła i materiale rodzimym przed i po kulowaniu połączeń wykonanych metodą TIG i wiązką lasera, w osi x i y (rys. 7). Badania wykonano przeno- śnym dyfraktometrem rentgenowskim PROTO i XRD do pomiaru naprężeń własnych i zawartości austenitu szczątkowego firmy PROTO, Kanada. W analizowanych obszarach (S, SWC, MR) nastąpił wzrost naprężeń ściskających na powierzchni połą- czeń spawanych wiązką lasera i metodą TIG spowodo- wany kulowaniem (rys. 8). Głębiej położone warstwy metalu nie pozwalają na swobodne i pełne rozprze- strzenienie się odkształceń plastycznych wywołanych procesem kulowania, co w efekcie powoduje powsta- nie naprężeń ściskających [9]. W spoinie (S) stan naprężeń ściskających po kulo- waniu zmieniał się od -364 do -661 MPa w zależno- ści od metody wykonania i kierunków pomiarowych. Przed procesem kulowania w strefie wpływu ciepła (SWC) i spoinie (S) stwierdzono w tych strefach na- prężenia własne rozciągające. Natomiast w materiale rodzimym (MR) po spawaniu występowały w każdym przypadku naprężenia ściskające, których wartość wzrosła po procesie kulowania. Największe naprężenia własne ściskające wystę- pują w SWC i MR dla połączenia laserowego po kulo- waniu. W połączeniu wykonanym metodą TIG w SWC naprężenia po kulowaniu (większy efekt cieplny) wy- niosły -295 MPa (x) i 81 MPa (y). 39Przegląd sPawalnictwa Vol. 87  3/2015 Wnioski 1. W wyniku kulowania warstwy wierzchniej chro- powatość powierzchni uległa nieznacznym zmia- nom i wynosiła: – przed kulowaniem Ra = 3,9 µm, Ry5 = 18,53 µm, – po kulowaniu Ra = 3,98 µm i Ry5 = 18,77 µm. 2. Głębokość umocnionego ww. materiału po ku- lowaniu sięgała odpowiednio do: – 200 µm dla materiału rodzimego, – 250 µm dla strefy wpływu ciepła (SWC) i spoiny (S) wykonanej metodą TIG, – 300 µm dla strefy wpływu ciepła (SWC) i spoiny (S) wykonanej laserowo. W wyniku obróbki plastycznej materiału rodzi- mego (MR) walcowaniem mikrotwardość przed kulowaniem wynosiła ok. 290 HV na głębokości 20 µm od powierzchni. Natomiast po kulowaniu mi- krotwardość ta wzrosła do ok. 350 HV. 3. Proces kulowania próbek spawanych laserowo spowodował wzrost mikrotwardości do wartości ok. 400 HV na głębokości ok. 20 µm od powierzchni próbki. 4. Rozkład mikrotwardości przed kulowaniem spoiny wykonanej metodą TIG na głębokości 20 µm wyniósł 154 HV, przechodząc w wartość znormali- zowaną na poziomie 195 µm. Po kulowaniu wystą- pił wzrost mikrotwardości do poziomu ok. 420 HV w SWC i S na głębokości ok. 20 µm od powierzchni próbki. 5. Naprężenia ściskające prostopadle do osi spo- iny w połączeniach spawanych wiązką lasera po ku- lowaniu znacząco wzrosły i wynosiły odpowiednio: – -364 MPa w spoinie (przed -121 MPa), – -748 MPa w strefie wpływu ciepła (przed -129 MPa), – -766 MPa w materiale rodzimym (przed -279 MPa), natomiast równolegle do osi spoiny wynosiły: – -661 MPa w spoinie (przed -117 MPa), – -730 MPa w strefie wpływu ciepła (przed 296 MPa), – -713 MPa materiale rodzimym (przed -250 MPa). 6. W połączeniach spawanych metodą TIG po ku- lowaniu również nastąpił wzrost naprężeń ściskają- cych prostopadle do osi spoiny o: – -420 MPa w spoinie (przed 282 MPa), – -295 MPa w strefie wpływu ciepła (przed 123 MPa), — -445 MPa w materiale rodzimym (przed -143 MPa). oraz równolegle do osi spoiny: — -356 MPa w spoinie (przed 336 MPa), – -81 MPa w strefie wpływu ciepła (przed 46 MPa), – -280 MPa materiale rodzimym (przed -230 MPa). Literatura [1] T. Burakowski, W. Napadłek: Umacnianie udarowe metali. Inżynieria Materiałowa Wydawnictw ISSN 0208-6247, 2008, Vol. 29, nr 6, s.1044—1046. [2] A. Fedoryszyn, T. Piosik, S. Rzadkosz, L. Staszczak, P. Zyzak: Efekty obróbki powierzchniowej strumieniem śrutu. XII Kon- ferencja Odlewnicza Technical 2010. [3] K. Zhan, C.H. Jiang, V. Ji: Effect of prestress state on surfa- ce layer characteristic of S30432 austenitic stainless steel in shot peening process. Materials and Design 42 (2012), 89–93. [4] K. Zhan, C.H. Jianga, V. Ji: Surface mechanical properties of S30432 austenitic steel after shot peening. Applied Surfa- ce Science 258 (2012), 9559–9563. [5] K. Zhan a, C.H. Jiang V. Ji: Uniformity of residual stress distri- bution on the surface of S30432 austenitic stainless steel by different shot peening processes. Materials Letters 99 (2013), 61–64. [6] L. Shen, L. Wang, Y. Wang, Ch. Wang: Plasma nitriding of AISI 304 austenitic stainless steel with pre-shot peening. Surface & Coatings Technology 204 (2010), 3222–3227. [7] O. Takakuwa, H. Soyama: Suppression of hydrogen-assisted fatigue crack growth in austenitic stainless steel by cavita- tion peening. International Journal of Hydrogen Energy 37 (2012), 5268-5276, [8] K. Zhan, C.H. Jianga, V. Ji: Surface mechanical properties of S30432 austenitic steel after shot peening. Applied Surfa- ce Science 258 (2012), 9559– 9563. [9] P. Fu, Ch. Jiang, Residual stress relaxation and micro-struc- tural development of the surface layer of 18CrNiMo7-6 steel after shot peening during isothermal annealing. Materials and Design 56 (2014), 1034–1038.