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

При воздействии  ультразвука выделяется тепло, поэтом возникает необходимость регулирования  сварочного тока. Уменьшается его  значение вместе с давлением на сварочные электроды.

Разрушение  пленки под действием ультразвука  начинается с периферийной зоны и  развивается к центру. После озвучивания 0.5 с фактическая площадь контакта составляет 49%, затем увеличивается.  При этом снижается значение контактного электрического сопротивления.

 

Рис. 5. Устройства, в которых  ультразвуковые колебания вводятся перпендикулярно поверхности  свариваемой детали.

Рис. 6. Зависимость контактного сопротивления от дельного давления на электродах.

 

На рис.6 показана зависимость контактного сопротивления от дельного давления на электродах с воздействием ультразвука для металлов толщиной 4+4 мм.

Рис. 7. Влияние амплитуды  ультразвуковых колебаний и времени  действия ультразвука  на контактное сопротивление.

Как видно, контактное сопротивление достигает  установившегося значения через 1 с .При воздействии ультразвука  происходит изменение кинематики  скольжения контактирующих поверхностей электрод-деталь  и деталь-деталь. При этом уменьшаются силы трения.

На рис. 8 приведены характеристики зависимости коэффициента трения от амплитуды ультразвуковых колебаний. 

Рис. 8. Зависимости  коэффициента трения от амплитуды ультразвуковых колебаний.

 

Увеличение  коэффициента трения при амплитуде  колебаний выше 8*10^(-6) м объясняется явлением схватывания контактирующих поверхностей, что приводит к уменьшению проскальзывания между поверхностями.

Воздействие ультразвука вызывает процесс увеличения фактической площади контакта между электродом и деталью от периферийной зоны к центру  электрода и формирование ядра сварочной точки (рис. 9).

Рис. 9. Воздействие  ультразвука во время сварки

 

При этом происходит расплавление плакировки на границе лито ядра и основного  металла, что устраняет непровары.

При сварке с воздействием ультразвука сварочная  точка приобретает более мелкозернистую структуру. Степень измельчения зависит от амплитуды ультразвуковых колебаний. Наибольшее измельчение наблюдается  при амплитуде 8*10^(-6) м. при больших амплитудах происходит разрушение металла.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

 

При испытании образцов металла  на усталость, было обнаружено, что  воздействие знакопеременных напряжений , не превышающих предел усталости , приводит к уменьшению остаточных напряжений на значительную величину. После 100 циклов знакопеременных нагружений образцов хромомолибденовой стали, остаточные напряжения снизились до 1/7 первоначальной величины. При знакопеременных нагружениях остаточные напряжения равномерно распределяются по образцу. Металл, подвергнутый циклическим напряжениям ниже предела усталости, не разрушается более продолжительное время.

Воздействие ультразвуковых колебаний, интенсивность переменных напряжений которых превышает предел упругости, приводит к снижению остаточных напряжений на 40% и предела текучести  металлов.

Схема реализации ультразвукового  способа обработки сварных соединений приведена на рис.6.1. Инструментом для обработки служит ультразвуковой преобразователь с экспоненциальным волноводом, который с определенным статическим усилием Рст прижимается к сварному шву и одновременно перемещается по его поверхности, смазанной машинным маслом

Статическое усилие прижатия выбирают в пределах 40-50 кгс.  Амплитуда  колебаний торца волновода на холостом ходу – 60-65 мкм . Частота колебаний от 10 до 80 кГц определяется резонансной частотой волновода. Скорость обработки составляет 18-0 м/ час.

 Рис. 10. Схема реализации  ультразвукового способа обработки  сварных соединений.

 

Эффективность ультразвуковой обработки сварных соединений  существенно повышается, когда между ультразвуковым преобразователем и обрабатываемой поверхностью помещен деформирующий элемент – боек. Расчетная схема ультразвукового преобразователя с бойком приведена на рис. 11.

Рис. 11. Расчетная схема  ультразвукового преобразователя  с бойком.

 

Она представляет собой трехмассовую ударную систему.

В качестве концентраторов в ультразвуковых преобразователях  наиболее широко применяются концентраторы  экспоненциального типа.

Боек изготавливают из закаленной стали 40Х и закрепляют на торце волновода при помощи гайки, также выполненной из закаленной стали.

На рис. 12 – 15 представлены эпюры остаточных напряжений после сварки и ультразвуковой обработки (у – расстояние до стыка) по семи вариантам: 1 – после сварки без ультразвуковой обработки (1а – сварка в сухом аргоне, 1б – сварка во влажном аргоне); 2-5 – после ультразвуковой обработки без бойка, 6,7 – после ультразвуковой обработки с бойком.

Рис. 12. Эпюры остаточных напряжений.

 

Рис. 13. Эпюры остаточных напряжений.

 

 

Рис. 15. Эпюры остаточных напряжений.

 

 

Воздействие ультразвука  приводит к существенному снижению остаточных напряжений. Ультразвуковая обработка образцов без применения бойка обеспечивает снижение максимальных остаточных растягивающих напряжений в околошовной зоне в 1,5-2,0 раза. Использование бойка позволяет снизить остаточные напряжения на 90-95%.

 

 

 

Рис. 16. Металлографические исследования шлифов металла сварного шва стали 30ХСА

 

Металлографические исследования шлифов металла сварного шва стали 30ХСА (рис.16) показали, что ультразвуковая обработка сварного соединения без бойка не вызывает заметных изменений дендридной структуры металла. При ультразвуковой обработке с бойком образуется блочная ячеистая структура с карбидными выделениями.

 

Рис. 17.  Эпюры термической  и ультразвуковой обработки.

 

Как видно из эпюр рис.17, термическая обработка приводит к снижению остаточных напряжений в 4-9 раз, ультразвуковая обработка – 2-3 раза.

В последние годы для холодной обработки сварных соединений металлов и сплавов разработан ультразвуковой технологический комплекс  «Шмель-МГ», который применяется при ремонтных работах магистральных газопроводов. Внешний вид технологического комплекса приведен на рис. 18. Он содержит ультразвуковой излучатель, источник питания и соединительные элементы.

Рис. 18. Ультразвуковой технологический  комплекс  «Шмель-МГ».

 

Воздействие ультразвукового  излучателя на обрабатываемую поверхность  осуществляется через многобуйковый инструмент, представляющий собой четыре иглы – ударника диаметром 3мм, вставленных в специальную обойму, обеспечивающую их свободное перемещение. В процессе работы ультразвуковой преобразователь прижимается к обрабатываемой поверхности. При этом наружные концы ударников входят в механический контакт с обрабатываемой поверхностью, а внутренние – с акустическим волноводом. В результате ультразвуковой ударной обработки происходит пластическое деформирование поверхностного слоя металла и, соответственно, перераспределение в нем остаточных напряжений.

Механизм ударного воздействия  ультразвука на металл сварного соединения в холодном состоянии принципиально отличается от механизма воздействия ультразвука при ультразвуковой обработке сварного соединения в процессе сварки. Для ультразвуковой обработки сварного соединения в холодном состоянии требуются ультразвуковые преобразователи более высокой мощности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отпуск сварных  соединений.

 

Отпуск сварных соединений металлоконструкций заключается   в термической обработке металлоконструкций после сварки, в нагреве до определенной температуры и выдержке при данной температуре. В зависимости от температуры отпуск может быть низким  (до 300 С), средним (300-400 С) и высоким (400-500 Си выше).

Отпуск содержит следующие  стадии (рис. 19): 1- нагрев, II – выравнивание температуры по длине и по сечению детали, III – выдержка, IV – остывание.

 

Рис. 19. Стадии отпуска сварных соединений.

 

Каждая  стадия отпуска имеет свои особенности. Так , например, в процессе нагрева  возникает разность температур в  глубине детали и на ее поверхности, которая зависит от скорости и  условий нагрева. Скорости нагрева  назначают исходя из того, чтобы  возникающие при нагреве напряжения и деформации не оказались опасными для прочностных свойств детали. Скорость нагрева снижается по мере увеличения толщины детали. Продолжительность нагрева зависит от толщины детали. Так для углеродистых сталей время до температуры 800 С составляет 60-70 сек. На 1 мм толщины. Продолжительность выдержки детали в печи прямо пропорционально толщине или диаметру детали. Имеются следующие факторы, определяющие продолжительность выдержки: равномерный прогрев изделия, полотна протеканий структурных превращений т релаксационных процессов, возможность ухудшения свойств металла.

Рис. 20.  Изменение температуры во времени  при нагреве массивных деталей. I- нагрев, II-выравнивание температуры по поверхности детали, III-то же по сечению детали.1-печь, 2.3- различные точки на поверхности детали, 4-точка в глубине детали.

 

На рис. 20 приведен режим нагрева изделия из низкоуглеродистых и низколегированных сталей при высоком отпуске (500-680 С). Изделия загружаются в печь при температуре 250-300 С затем проводится подъем температуры до величины, несколько превышающей температуру отпуска (кривая 1). При этом отдельные точки изделия имеют различную скорость нагрева и, соответственно, разные периоды нагрева. Существует период нагрева поверхности изделия и период нагрева по сечению изделия. Продолжительность периода нагрева по  сечению изделия (участок ВС) зависит от условий нагрева, размеров изделия, требуемой степени выравнивания температуры Т.

После стадии выравнивания температур устанавливают продолжительность  выдержки исходя из условий полноты протекания структурных превращений и релаксационных процессов: первое превращение – распад мартенсита, второе – распад остаточного аустенита, третье – рекристаллизационные процессы, четвертое – коагуляция карбитов. При отпуске массивных деталей скорость нагрева устанавливают не менее 100 град/ч.

При таких скоростях нагрева  превращения протекают в первые 2-3 часа. Затем, после 3-4 часов выдержки , процесс затухает. Некоторые процессы протекают при большем времени. Решающими фактором является температура отпуска. На рис. 2,3 приведена схема зависимости изменения свойств металла от продолжительности отпуска при различных температурах.

Рис. 21. Схема изменения  свойств в  зависимости от продолжительности  отпуска и температур отпуска  Т1 < Т2 <Т3.

 

Для большинства конструкций  после 3 часовой выдержки снижение напряжений начинает проходить крайне медленно.

Скорость остывания устанавливают  исходя из размеров детали, и величины сечения. Если разность температур по сечению составляет 400-500 С, могут  появиться напряжения, вызывающие пластическую деформацию.

При отпуске тонкостенных конструкций применяются специальные  приспособления, фиксирующие их размеры и форму. Для снятия напряжений применяют кратковременный нагрев. Продолжительность отпуска конструкций толщиной до 10 мм не превышает 60 мин.

При снятии напряжений в  сварных соединениях магниевых  и алюминиевых сплавов основной задачей является получение стабильной структуры при сохранении прочностных свойств. Это достигается низкотемпературным отпуском, проводимым по режиму искусственного старения. Показатели эффективности режимов отпуска к существенному снижению остаточных напряжений. Так, в сплаве МА2-1 максимальная величина снизилась более чем на 50%. При этом расширилась зона растягивающих напряжений (рис. 22).

Рис. 22. Распределение остаточных напряжений в сплаве МА2-1: 1-после сварки, 2-сварки + отжиг Т=250 град С,1ч.

 

В высокопрочных алюминиевых  сплавах нагрев не вызывает расширения зоны растягивающих напряжений. Так, в сплаве Щ1911, сваренном после закалки (460С, 40 мин. охлаждения в воде) максимальная величина растягивающих напряжений снижается на 24% без изменения зоны растягивающих напряжений. Как видно, низкотемпературная термообработка позволяет снизить остаточные напряжения в сварных соединениях из магнитных сплавов МА2-1, ВМД-3 и алюминиевого сплава Д20-1 – на 50%.

Выше рассмотрен общий  отпуск сварных конструкций, когда  вся деталь или узел конструкции  целиком помещают в печь, в которой  проходит отпуск. В протяженных конструкциях или в случаях, когда нагрев всей конструкции нежелателен, применяется местный отпуск. Он состоит в нагреве отдельных участков конструкции по необходимому термическому циклу обработки. При этом происходит перераспределение остаточных напряжений, но не полное их снятие. Основная  цель местного  отпуска – более благоприятное распределение напряжений в сварном соединении. Задачей местного отпуска является построение режимов локального нагрева, обеспечивающего условия, близкие к равноценному нагреву.

Для осуществления местного отпуска применяются различные  средства нагрева: твердое топливо, газовое пламя, токи промышленной и  высокой частоты и др. Конструкционное оформление нагревательных устройств зависит от вида решаемой задачи.

На рис. 23. приведено нагревательное устройство, представляющее собой кварцевую  трубку, внутри которой находится  спираль. Нагревательное устройство обеспечивает нагрев зоны шва до температуры 250 С. Для обеспечения стабилизации температуры установлен охладитель, в котором циркулирует вода.