Основные факторы повышения коррозийной стойкости сварных соединений металлов и сплавов при воздействии ультразвука на околошовную зону

 

Рис. 23. Нагревательное устройство для местного температурного отпуска.1-сваренная по кромке пластина,2-охладитель,3-сварной шов, 4-нагревательное устройство.

 

При местном отпуске неизбежно  возникают собственные остаточные напряжения. Происходит перераспределение  остаточных напряжений. Для уменьшения остаточных напряжений используют специальные  приемы: выбор достаточно широкой  зоны равномерного нагрева, проведения одновременного нагрева двух или трех стыков, создание оптимального температурного режима и др.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Воздействие ультразвука  на процесс термического отпуска  сварных соединений металлов и сплавов.

 

Отпуск металлов и сплавов  широко применяется в промышленности, в частности для снятия остаточных напряжений в сварных соединениях.

Применение ультразвука  при термической обработке металлов и сплавов показало, что термоультразвуковые  процессы являются одними из наиболее эффективных комбинированных процессов обработки металлов и сплавов. При ультразвуковом воздействии в процессе отпуска возникают физические эффекты, не достигаемые при обычной термической обработке: уменьшение внутренних напряжений, деформационное изменение структуры и др. Наряду с повышением качества металлов и сплавов происходит сокращение длительности циклов термической обработки. Ультразвуковые колебания вызывают интенсифицирующее влияние на процессе отпуска, изменяют кинетику процесса отпуска.

Металлы после пластической  деформации имеют высокую степень  несовершенства структуры. Исправление  ее, достижение состояния равновесия достигается путем рекристаллизационного  отжига, при котором происходит процессы миграции  и перераспределения  точечных дефектов, перемещение дислокаций и перестройки дислокационной структуры, миграция границ и формирование новой рекристаллизованной структуры.

В работах показано, то воздействие  ультразвуковых колебаний в процессе нагрева деформированного металла  активизирует процессы перемещения  дислокаций, взаимодействия дислокаций с примесными атомами и другими неоднородностями химического состава твердого раствора, создает условия для возникновения направления потоков перемещения точечных дефектов. Ультразвуковые колебания вызывают тепловые эффекты, которые также способствуют развитию процессов возврата.

Одновременное действие температуры  и ультразвуковых колебаний вызывает активизацию дислокаций. При этом происходит формирование наиболее энергетически выгодной  конфигурации распределения дислокаций. При этом происходит дробление зерен на блоки и разориентация зерен.

В различных температурных  диапазонах ультразвук вызывает различные  эффекты. При температурах, ниже 350С, ультразвуковые колебания способствуют накоплению дефектов кристаллического строения в объеме зерен. При высоких температурах дислокации под действием ультразвуковых колебаний легко пересекают границы зерен, что приводит к формированию более сложной структуры границ зерен. В результате происходит межзеренное разрушение.

Первые исследования влияния  ультразвука на процессы отпуска  были проведены на образцах алюминиевых  сплавов. Было установлено, что деформированные  образцы получили равное упрочнение без воздействия ультразвука за 60-90ч, с воздействием ультразвука  - за 0,7-1,5ч. При этом в обработанных ультразвуком образцах наблюдалось повышение твердости на 30%. При исследовании старения алюминиевого сплава В95 установлено, что обработка ультразвуком при 20С ускорило процесс естественного старения в 12 раз. Практически не стареющий при комнатной температуре сплав АЛ4 при воздействии ультразвука в течении 1ч повышает твердость с НВ 56,8 до НВ 62,4, а после четырех часов ультразвуковой обработки до НВ 84,9. Таким образом сплав АЛ4 становится стареющим при комнатной температуре. На рис. 24 приведены характеристики изменения комплекса механических свойств алюминиевого сплава Д16 после обычного и термоультразвукового старения. Как видно, все механические свойства при воздействии ультразвука повышаются.

Рис. 24. Характеристики изменения  комплекса механических свойств  алюминиевого сплава Д16.

 

Проведены исследования влияния  ультразвука на процесс отпуска  закаленной быстрорежущей стали. Быстрорежущая сталь после закалки находится в неравновесном состоянии, обусловленном присутствием твердых растворов мартенсиста и остаточного аусенсиста. Воздействие ультразвука вызывает увеличение подвижности дислокациий, что оказывает влияние на распад мартенсиста и превращение остаточного аутенсиста. Исследование проводились на образцах из быстрорежущей стали Р18. Закалку образцов проводили по следующему режиму: первый подогрев при 800-840С, после выдержки 3мин окончательный нагрев при 1280С в течение 2мин, охлаждение в масле. Отпуск образцов проводился в течении 30мин при температуре 530-600С. Время обработки ультразвуком устанавливалось постоянным 30 мин и переменным от 5ч 180мин.

Для оценки влияния ультразвука  на процесс отпуска определяли твердость, прочность при изгибе, стрелу прогиба, электрическое сопротивление и другие физические свойства.

На рис. 25 приведена характеристика зависимости твердости стали Р18 от времени воздействия ультразвука. В начальный период при 60мин воздействия ультразвука наблюдается непрерывное повышение твердости. При дальнейшем воздействии ультразвука твердость не увеличивается.

Рис. 25. Характеристика зависимости  твердости стали Р18 от времени  воздействия ультразвука.

 

На рис. 26 приведены характеристики зависимости твердости стали Р18 от температуры закалки. Наиболее высокая твердость получена при обработке ультразвуком стали, закаленной при температуре 1220С.

Рис. 26.  Характеристики зависимости  твердости стали Р18 от температуры закалки.

 

 

На рис. 27 приведена характеристика  зависимости твердости стали Р18 от температуры отпуска с воздействием и без воздействия ультразвука. При температурах отпуска до 550С кривая изменения твердости с воздействием ультразвука располагается ниже кривой без воздействия ультразвука. При более высоких температурах она располагается выше и смещена вправо. Максимум повышения твердости наблюдается при температурах 600-610С.

Рис. 27. Характеристика зависимости  твердости стали Р18 от температуры отпуска с воздействием и без воздействия ультразвука.

 

Таким образом воздействие  ультразвука на металлы и сплавы приводит к уменьшению времени отпуска и повышению механических свойств металлов и сплавов. Применение ультразвука приводит к существенному повышению эффективности отпуска остаточных напряжений сварных соединений металлов и сплавов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение.

 

Повышение надежности сварных  конструкций   является одной  из важных проблем, стоящей перед  сварочной наукой и производством. Работоспособность сварных конструкций определяется работоспособностью сварного соединения, несущая способность которого значительно уступает несущей способности основного металла. Это связано с термодеформационными процессами, я также с фазовыми и структурными превращениями при сварке, в результате которых в сварных соединениях образуются остаточные напряжения. Остаточные напряжения складываются с напряжениями от внешних нагрузок и являются основной причиной разрушения сварных конструкций. Опасность остаточных напряжений усугубляется тем, что до настоящего времени отсутствуют надежные методы  их измерения и прогнозирования. Хотя в таких ответственных отраслях промышленности, как атомная энергетика, существует острая необходимость проведения контроля остаточных напряжений, во многом определяющих надежность и ресурс оборудования.

Разработка методов снижения остаточных напряжений в сварных  соединениях началась практически одновременно с появлением сварочных процессов и постоянно продолжается. В настоящее время в решении проблем снижения остаточных напряжений в сварных соединениях сложились следующие направления:

- конструкционное, обеспечивающее  снижение концентрации напряжений  за счет рациональной конструкции  сварного шва, обеспечении свободных  деформаций и других конструктивных  решений;

- технологическое за счет  рациональных режимов сварки;

- термическое, в котором  используется термическая обработка  зоны сварного соединения;

- деформационное, заключающееся  в пластическом воздействии на  сварное соединение;

- вибрационное, заключающееся  в создании механических колебаний  в процессе сварки.

Данные направления имеют  различную эффективность снижения статочных напряжений и каждое из них находит применение в промышленности.

 Таким  образом, для повышения коррозийной  стойкости сварных соединений  металлов и сплавов необходимо снижение остаточных напряжений до величины, меньшей порогового значения.

Наиболее  оптимально решает данную проблему метод  воздействия ультразвука на околошовную  зону в процессе сварки.

 

 

 

 

 

 

Список литературы

 

1. Трофимов А.И. Ультразвуковой метод снятия остаточных напряжений в процессе сварки. – М..: Энергоатомиздат, 2008. – 224с.

2. Трофимов А.И. Физические основы ультразвукового метода снятия остаточных напряжений в сварных соединениях металлов и сплавов. – М. Энергоатомиздат, 2009. 239с.

3. Трофимов А.И., Минин С.И., Трофимов М.А. Методы контроля и снятия напряжений в основном металле и сварных соединениях конструкций АЭС. М.: Энергоатомиздат, 2005. – 269с.: ил. ISBN-5-283-00779-0

4. Биргер И.А. Остаточные напряжения. – М. 1963. – 233с.

5. Волченко В.Н., Ямпольский В.М., Винокуров В.А. и др.; Под ред. Фролова В.В. Теория сварочных процессов: Учеб. для вузов по ТЗЗ спец. «Оборуд. и  технология сварчн. пр-ва». – М.: Высш. шк., 1988. 559с. с ил.

6. Кудрявцев И.В., Наумченков Н.Е. усталость сварных конструкций. М., «Машиностроение», 1976. 270с. с ил.

7. Сварка. Резка. Металлообработка. [электронный ресурс] http://www.autowelding.ru/index/0-43

8. Никитина Н.Е., Казачек С.В. Преимущества метода акустоупругости для общего контроля механических напряжений в деталях машин. [электронный ресурс] http://www.vntr.ru/ftpgetfile.php?id=408

9. Все о сварке, сварочных технология и оборудовании [электронный ресурс] http://weldingsite.com.ua/rss44.html

10. Технология ультразвуковой размерной обработки материалов [электронный ресурс] http://u-sonic.ru/pubs/mon2/1

11. Теория сварочных процессов [электронный ресурс]             http://www.svarka-lib.com/node/75/print/424.html

 

- -