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

Оглавление

 

Введение. 3

Основные факторы  повышения коррозийной стойкости  сварных соединений металлов и сплавов  при воздействии ультразвука  на околошовную  зону в процессе сварки. 5

Воздействие ультразвука  на  сварочные электроды в процессе точечной  контактной сварки металлов и сплавов с поверхностными покрытиями. 9

Воздействие ультразвука  на сварные соединения металлов и  сплавов в твердом состоянии. 14

Отпуск сварных  соединений. 21

Воздействие ультразвука  на процесс термического отпуска  сварных соединений металлов и сплавов. 26

Заключение. 31

Список литературы 32

 

 

 

Введение.

 

Работоспособность и надежность сварных конструкций определяются работоспособностью и надежностью сварного соединения, несущая способность которого значительно уступает несущей способности основного металла. Это обстоятельство связано с возникающими в процессе сварки остаточными напряжениями. В процессе эксплуатации остаточные напряжения складываются с напряжениями, создаваемыми внешними нагрузками, и являются основной причиной разрушения металла сварных конструкций.

Решение проблемы снижения остаточных напряжений приобретает  особое при повышении работоспособности и надежности сварных конструкций ответственного назначения, в  том числе конструкций энергоблоков АЭС, где в процессе эксплуатации создаются высокие местные напряжения элементов несущих конструкций.

Образование и развитие трещиновидных  дефектов происходит по механизму межкристаллитного растрескивание под напряжением, возникающим в процессе эксплуатации при термосиловом нагружении. Причинами данного явления  являются наличие значительных остаточных напряжений и структурной нестабильности металла сварных соединений.

Основным механизмом образования  остаточных напряжений являются термодеформационные процессы. В результате неравномерного нагрева в области сварного соединения происходит упругопластическое деформирование металла, которое приводит к возникновению остаточных деформаций.

Наряду с термодеформационными процессами в сварном соединении образуются физические и химические неоднородности, которые также являются источниками внутренних напряжений.

В настоящее время для  снижения остаточных напряжений в сварных  соединениях циркуляционных трубопроводов  и оборудования АЭС  применяются  метод термического отпуска и  деформационные методы.

Термический отпуск заключается  в равномерном нагреве сварного соединения в течении определенного промежутка времени, выдержке при фиксированной температуре и медленном охлаждении. Отпуск проводится в специальных печах, в которых погружается вся сварная конструкция. При ремонтных работах проводится местный отпуск сварных соединений с помощью специальных нагревательных устройств. При местном отпуске в области сварного соединения создаются градиенты температур. На границах горячего и холодного металла неизбежно возникают собственные остаточные напряжения.

Деформационные методы основаны на создании в металле сварного соединения местной пластической деформации, противоположной сварной. Для снижения остаточных напряжений циркуляционных трубопроводов ДУ-300 мм на энергоблоках АЭС с реактором РБМК-1000 широко применяется метод обжатия. При обжатии в околошовной зоне сварного соединения создаются сжимающие напряжения, которые компенсируют остаточные напряжения растяжения. Деформационные методы позволяют снизить уровень остаточных напряжений в околошовной зоне, но не устраняют структурную нестабильность металла сварного шва и зоны термического влияния. Высокотемпературная термическая обработка оказывает влияние и на структуру металла сварного соединения.

Ультразвуковой метод  снятия остаточных напряжений в процессе сварки заключается в том, что при ультразвуковой обработке сварного соединения в процессе сварки происходит комплексное воздействие ультразвука как на термодеформационные процессы в околошовной зоне, так и на процессе кристаллизации  металла сварного шва. Результатом воздействия является существенное снижении остаточных напряжений в околошовной зоне и  формирование однородной мелкозернистой структуры металла сварного шва и зоны термического влияния, что особенно важно для сварных соединений аустенитных сталей. Кроме того, при воздействии ультразвука создается возможность получения равномерного распределения металлов в композитных сварных соединениях.

Для более глубокого понимания  физических процессов, вызываемых воздействием ультразвука в металлах и сплавах  в твердом состоянии, ультразвуковые колебания необходимо рассматривать как разновидность состояние металла. Механизм изменения состояния металла в ультразвуковом поле аналогичен механизму изменения его состояния при нагреве. Воздействие ультразвука приводит к повышению внутренней энергии металла за счет повышения степени возбуждения колебаний решетки, точечных дефектов и дислокаций. При этом отсутствуют побочные структурные изменения, имеющие место при высокотемпературном отпуске металлов, т.к. повышение внутренней энергии происходит при низких температурах.

Анализ механизма кристаллизации металла сварного шва в ультразвуковом поле показал, что при введении ультразвука в кристаллизующийся расплав возникает ряд физических эффектов, каждый из которых вносит вклад в формирование однородной мелкозернистой структуры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

 

 Коррозионная стойкость сварных соединений металлов и сплавов определяется тремя основными факторами: коррозионными свойствами среды, напряженным состоянием сварного соединения и свойствами металла, определяющими его восприимчивость к коррозии (рис.1).

 Коррозионные свойства среды зависят от ее состава и температуры. Условия контактирования среды с активизаторами коррозии зависят от непроваров и трещин в сварных соединениях конструкций. Напряженное состояние металла сварных соединений является наиболее существенны фактором, вызывающим коррозийное разрушение сварных конструкций.

Рис. 1. Классификация условий и факторов, определяющих коррозионную стойкость сварных соединений и конструкций.

 

Исследования показали, что  увеличение остаточных напряжений в  сварных соединениях приводит к ускорению коррозионного растрескивания. (рис 2)

Рис. 2. Влияние величины остаточных сварочных напряжений на коррозийное растрескивание сварочного соединения: 1 – сталь Ч18Р10Т, среда – 42%-ный кипящий раствор MgCl; 2 – титан ВТ1-1, среда – БМ 2,5 – 15 (2,5% Br, 15% Н₂O, остальное - метиловый спирт); 3 – титановый сплав ОТ-4, среда – БМ 2,5-5 (2,5% BR, 5% H₂O, остальное – метиловый спирт); 4 – сталь Ст.3, среда – кипящий раствор нитратов (45% Ca(NO₃)₂, 35% NAHNO₃)

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

Восприимчивость к коррозии металла сварного соединения зависит  от исходных свойств метала и от теплофизического и химико-металлургического  воздействия в процессе сварки, которые приводят к электрохимической неоднородности сварного соединения.

При затвердевании металла  сварочной ванны в зоне шва  возможно образование разных видов структуры : столбчатой, ячеистой и дендридной. Формирование сварного соединения сопровождается сложными диффузионными процессами, которые приводят к изменения химического состава металла, перераспределению примесей и легирующих элементов. Различают следующие виды химической неоднородности в сварных соединениях:  внутрикристаллитную, межкристаллитную, зернограничную и внутризеренную. 

 Внутрикристаллитная  неоднородность проявляется в  различном содержании примесей в последовательно кристаллизующихся точках кристаллита. Неравномерное распределение примесей оказывает влияние на такие технологические характеристики как температурный интервал хрупкости и пластичность металла шва. Межкристаллическая химическая неоднородность определяется как отношение концентраций примесей в пограничной зоне и в центре кристаллита. Внутризеренную химическую неоднородность связывают с наличием внутри зерна инородных частиц: карбидов, интерметаллов, фазовых включений. С течением времени , концентрация внутризеренных примесей стремится к выравниванию. Происходит процесс диффузии их в область физических дефектов кристаллической решетки, что оказывает влияние на механические и физико-химические свойства сплава. Концентрация примесей на границе зерен всегда выше, чем в самом зерне, так как границы зерен всегда имеют искаженную кристаллическую решетку. Атомы примесей, располагающиеся по границам зерен вносят в систему меньше искажения, чем находящиеся в кристаллической решетке внутри зерна.

 В сплавах сварного  шва, обладающих крупнокристаллическим  строением с повышенной локальной концентрацией легкоплавких фаз, возникают хрупкие межкристаллитные разрушения, которые называются горячими трещинами. Они возникают в том случае, когда интенсивность нарастания деформаций в металле сварного соединения в период остывания приводит к деформациям, превышающим пластичность металла в данных температурных условиях. Вероятность образования горячих трещин определяется соотношением пластических свойств металла и характером нарастания деформации при охлаждении. Чаще всего горячие трещины возникают на участках, прилегающих к зоне сплавления и на поперечных границах зерен в центре шва (Рис 3).

Рис. 3. Характерные места расположения горячих трещин: 1--продольные по центру шва, 2-поперечные по границам кристаллов, 3,4- поперечные и продольные в зоне сплавления.

 

 В сварных соединениях углеродистых и легированных сталей возникают так называемые холодные трещины, представляющее собой локальное хрупкое межкристаллическое разрушение металла. Они образуются в процессе охлаждения сварного соединения . Наиболее часто образуются продольные  холодные трещины в околошовной зоне, но могут возникать и в других зонах сварного соединения. На участке зоны термического влияния (ЗТВ), образование холодных трещин начинается с возникновения очагов их очагов на границах аустенитных зерен, примыкающих к линии сплавления (ЛС).  Протяженность очагов трещин составляет два-три диаметра аустенитных зерен. Развитие  в макротрещину может проходит как по границам, так и по телу зерен.

 Основные  факторы, обуславливающие образование  холодных трещин: .состояние металла,  характеризуемое размерами зерен.

Метод воздействия  ультразвука на околошовную зону в процессе сварки позволяет получить однородную мелкозернистую структуру  сварного шва. Металл сварного соединения аустенитных сталей приобретает более однородную структуру  по сравнению с основным металлом.

Рис. 4. Механизм образования холодных трещин:  А - межкристаллический, В - смешанный на участке развития.

 

 Кроме того, в сварном соединении отсутствуют горячие и холодные трещины. Снижение остаточных напряжений с разной степенью эффективности позволяют обеспечить метод термической обработки и метод пластинчатого деформирования. Решение задачи снижения восприимчивости металла сварного соединения к коррозии возможно только с помощью ультразвукового метода , который, на ряду со снижением остаточных напряжений , позволяет изменять структуру металла .Кроме того, воздействие ультразвука на околошовную зону в процессе сварки позволяет проводить сварку при более низких температурах, что также приводит к повышению коррозийной стойкости сварного соединения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Воздействие ультразвука  на  сварочные электроды в процессе точечной  контактной сварки металлов и сплавов с поверхностными покрытиями.

 

Особенность электрической точечной контактной сварки заключается в том. Что  для получения стабильного качества соединений необходимо проводить удаление окислой плёнки с поверхности  метала, подвергающейся сварке , а также  с участков, контактирующих с электродами. 
Наиболее характерными металлами и сплавами с поверхностными покрытиями являются горячекатаная сталь и алюминиевые сплавы с окисными пленками. 
Окисные пленки обладают высоким электрическим сопротивлением. Чтобы обеспечить протекание тока через контакт электрод-деталь без очистки поверхности детали повышают напряжение сварочного трансформатора. Повышенно напряжение вызывает отдельных участках резкое выделение тепла, сопровождающееся мгновенным расплавлением метала и выплеском металла из зоны сварки. Для исключения этого явления применяют электроды со сферической поверхностью и повышенным давлением на деталь. Применяются также импульсный емкостный пробой окисной пленки, высоковольтный емкостный пробой и другие способы обеспечения пробоя пленки. Более перспективным является метод очистки поверхности детали ультразвуком. Очистка поверхности осуществляется сварочными электродами, в которых возбуждаются ультразвуковые колебания с помощью магнитострикционных преобразователей. На рис.5 показаны устройства, в которых ультразвуковые колебания вводятся перпендикулярно поверхности  свариваемой детали. Под воздействием ультразвука на электроды происходит вытеснение окисных пленок из свариваемого пространства.

Процесс точечной сварки с воздействием ультразвука  можно разделить на три последовательных этапа: ультразвуковая обработка поверхности деталей, нагрев и плавление метала по действием варочного тока, формирование литого ядра после выключения тока под действием ультразвуковых колебаний.

На стадии обработки поверхности свариваемых  деталей в зоне контакта деталей  водятся ультразвуковые колебания, которые разрушают пленки на поверхностях деталей и вытесняют их из зоны контакта. Это приводит к уменьшению контактного сопротивления.

На второй стадии получают зону взаимного расплавления деталей. В первый момент происходит расплавление поверхностных покрытий и вытеснение их из зоны соединения. Затем происходит плавление  и  перемешивание металла под действием ультразвуковых колебаний.

На третьей  стадии отключается сварочный ток  и под действием ультразвуковых колебаний происходит кристаллизация металла. Длительность процесса кристаллизации зависит от толщины свариваемых деталей.