Исследование причин образвания холодных трещин в титановых сплавах и разработка сварки колеса дымососа

 По  части выполняемых функций и  морального устаревания, то оборудование, представленное на базовом предприятии полностью выполняет возложенные на него функции и технически не требует доработок и усовершенствования. Это относится как к сварочному вращателю, так и к пневмоцилиндру, и другим вспомогательным сборочным приспособлениям. Анализируя же сварочные операции и сварочные приспособления по их функциональности, то можно сделать кое-какие замечания.

 

 

Что касается основного сварочного оборудования : нам представлен универсальный  манипулятор, предназначенный для  сварки крыльчаток , лопастей крыльчаток и других деталей колёс дымососов. По применению в частности к нашему изделию, то это оборудование полностью удовлетворяет те технические запросы(сварка сварных швов в положении «в лодочку» и вращением колесо в нужное нам пространственное положение) которые заложены в технологии сварки данного изделия.

Если  брать в рассмотрение сварочное  оборудование и сварочные материалы, нужные для проведение самой сварки, то здесь есть несколько нюансов  связанных с материалом из которого изготовлено изделие. Титан, в процессе сварки, ведёт себя координально иначе, нежели сталь. Это касается и защиты зоны сварки, и защиты обратной стороны сварного шва, также защиты других частей детали от перегревания свыше 300-400 ⁰С. В дальнейшем, проведённые исследования докажут, что это поведение играет ключевую роль в процессе образования сварного шва, в процессе эксплуатации и др. Поэтому стандартные сварочные манипуляторы комплектуется дополнительной, впрессованной в пазы манипулятора, трубкой для подачи защитного газа аргона. Что же касается сварочного источника питания и сварочных материалов, то здесь тоже стоит внести кое-какие изменения. Несмотря на то, что источник питания, используемый на предприятии, отвечает всем последним стандартам и требованиям : на предприятии используется источник питания MasterTig 4000MLS, изготовленный Финской компанией Kemppi. Все заявленные характеристики соответствуют требуемым для выполнения сварочных операций. Но, если подойти с точки зрения получения изделия высокого качества, а колесо можно отнести к ответственным изделиям, и если подойти к вопросу со стороны экономики. Выполнение швов ручной аргонно-дуговой сваркой в корне заставляет задуматься как о качестве сварных соединений, так и о повышенном порообразовании, так и о появлении холодных трещин, так и о трудоёмкости, так и о ресурсоёмкости. Если же в конечном счёте взять стоимость изделия в целом, и ту функцию которую несёт данная колесо, то настоящие исследования будут нести существенную пользу как для улучшения качества сварных швов выполненных из титановых сплавов, так и для уменьшения трудоёмкости и ресурсоёмкости изготовления изделия[22].

 

 

 

 

3. Контроль качества сварных соединений

3.1 Общие положения  о контроле качества

Качество - это совокупность свойств продукции, обусловливающих ее пригодность удовлетворять потребности в соответствии с ее назначением. Это категория относительная и комплексная. Требования, предъявляемые к изделиям различного назначения, не могут быть одинаковыми. Качество сварных соединений оценивается совокупностью показателей: прочностью, пластичностью, коррозионной стойкостью, структурой металла шва и околошовной зоны, числом дефектов, числом и характером исправлений, вероятностью безотказной работы за заданное время и т.д. Для получения качественных сварных конструкций на всех этапах их изготовления применяются различные методы контроля, обеспечивающие обнаружение дефектов и их предупреждение.

Классификация методов контроля.

Обычно  по воздействию на материал или изделие  все методы контроля разделяются на две большие группы : разрушающие и неразрушающие.

 

       РАЗРУШАЮЩИЙ  КОНТРОЛЬ

К разрушающим методам контроля относят механические, металлографические и коррозионные испытания. Механические испытания сварных соединений и металла шва включают растяжение, изгиб, сплющивание и другие виды разрушения, которые количественно характеризуют прочность, качество и надежность соединений. По характеру нагрузки предусматривают статические, динамические и усталостные испытания. Разрушающие испытания проводят обычно на образцах-свидетелях и реже – на самих изделиях. Образцы-свидетели сваривают из того материала и по той же технологии, что и сварные соединения изделий.

К разрушающим  методам контроля относятся способы испытания контрольных образцов с целью получения необходимых характеристик сварного соединения. Эти методы могут применяться как на контрольных образцах, так и на отрезках, вырезанных из самого соединения. В результате разрушающих методов контроля проверяют правильность подобранных материалов, выбранных режимов и технологий, осуществляют оценку квалификации сварщика.

Механические испытания  являются одним из основных методов  разрушающего контроля. По их данным можно  судить о соответствии основного  материала и сварного соединения техническим условиям и другим нормативам, предусмотренным в данной отрасли.

К механическим испытаниям относят:

• испытание сварного соединения в целом на различных его участках (наплавленного металла, основного металла, зоны термического влияния) на статическое (кратковременное) растяжение;
• статический изгиб;
• ударный изгиб (на надрезанных образцах);
• на стойкость против механического старения;
• измерение твердости металла на различных участках сварного соединения.

Контрольные образцы для  механических испытаний варят из того же металла, тем же методом и  тем же сварщиком, что и основное изделие. 
В исключительных случаях контрольные образцы вырезают непосредственно из контролируемого изделия. Варианты образцов для определения механических свойств сварного соединения показаны на рисунке 15.

Рисунок 15 -  Варианты образцов для определения механических свойств (размеры в мм): А-Б-на растяжение наплавленного металла (А) и сварного соединения(Б); В-на изгиб; Г-на ударную вязкость

Статическим растяжением  испытывают прочность сварных соединений, предел текучести, относительное удлинение и относительное сужение. Статический изгиб проводят для определения пластичности соединения по величине угла изгиба до образования первой трещины в растянутой зоне. Испытания на статический изгиб проводят на образцах с продольными и поперечными швами со снятым усилением шва заподлицо с основным металлом.

Ударный изгиб - испытание, определяющее ударную вязкость сварного соединения. По результатам определения твердости  можно судить о прочностных характеристиках, структурных изменениях металла  и об устойчивости сварных швов против хрупкого разрушения. В зависимости  от технических условий изделие  может подвергаться ударному разрыву. Для труб малого диаметра с продольными  и поперечными швами проводят испытания на сплющивание. Мерой  пластичности служит величина просвета между поджимаемыми поверхностями  при появлении первой трещины.

Металлографические исследования сварных соединений проводят для  установления структуры металла, качества сварного соединения, выявляют наличие  и характер дефектов. По виду излома устанавливают характер разрушения образцов, изучают макро- и микроструктуру сварного шва и зоны термического влияния, судят о строении металла  и его пластичности.

Макроструктурный анализ определяет расположение видимых дефектов и их характер, а также макрошлифы и изломы металла. Его проводят невооруженным глазом или под лупой с 20-ти кратным увеличением.

            Микроструктурный анализ проводится с увеличением в 50-2000 раз с помощью специальных микроскопов. При этом методе можно обнаружить окислы на границах зерен, пережог металла, частицы неметаллических включений, величину зерен металла и другие изменения в его структуре, вызванные термической обработкой. При необходимости делают химический и спектральный анализ сварных соединений.

Специальные испытания выполняют  для ответственных конструкций. Они учитывают условия эксплуатации и проводятся по методикам, разработанным  для данного вида изделий[24].

 

 

 

 

НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ

Неразрушающий контроль (НК) представляет собой контроль надёжности, а также основных эксплуатационных характеристик объекта и его отдельных узлов, конструкций, элементов. Особенность такого контроля заключается в отсутствии необходимости приостанавливать работу объекта либо демонтировать его. В качестве основных методов осуществления данной процедуры используется магнитный, электрический, акустический, радиационный, оптический, тепловой, вихретоковый и иные виды контроля.

Неразрушающий контроль также  можно определить как оценку надёжности объекта посредством неразрушающих  методов или же проверку, не требующую  разрушения изделия. Особенно важно  проведение НК в процессе создания или использования жизненно важных конструкций и узлов, чтобы выявить  разного рода изъяны (разъедание, растрескивание, ржавление) и вовремя их устранить.

                  Дефекты и неразрушающий контроль  качества сварных швов.

В ходе создания сварного шва  в металле соединения, а также  в зоне термического влияния могут  появиться разного рода отклонения от требуемых норм и технических  требований. Это приводит к снижению качества работы сварных соединений, ухудшению эксплуатационной надёжности и внешнего вида самого изделия. Подобные отклонения и будут называться дефектами.

Дефекты сварных швов в  зависимости от места расположения могут быть наружными и внутренними. Также их подразделяют по причине  появления.

1. Дефекты, связанные с тепловыми и металлургическими явлениями. Процессы, которые происходят в процессе образования и затвердевания сварочной ванны, а также при остывании сварного шва. К таким дефектам относят поры, трещины, шлаковые включения.
2. Дефекты формирования шва. Происхождение таких дефектов связано с нарушением правил выполнения сварки, неисправностью используемого оборудования, неправильной подготовкой изделия. К таким дефектам относят наплывы, подрезы, прожоги, несоответствие шва требуемым размерам.

 

Любые дефекты не только ухудшают поверхностные характеристики сварного шва: его внешний вид, чашуйчатость, ширину шва и др., но и в большинстве случаев уменьшают его прочность. Поэтому возникает необходимость в проведении контроля сварных швов. К неразрушающим методам контроля в данном случае относят :

-   внешний осмотр (визуальный  и измерительный контроль);

-   контроль герметичности (контроль керосином, аммиаком, воздушным и гидравлическим давлением, газоэлектрическими течеискателями, вакуумный контоль);

-   контроль для выявления дефектов, которые выходят на поверхность (метод красок, люминисцентный контроль);

-   контроль скрытых дефектов (магнитные, радиационные методы, рентгенография (рентгенопросвечивание), ультразвуковой контроль).

 

Также сюда можно отнести  вихревой метод контроля или метод  вихретоковой дефектоскопии, который базируется на анализе взаимодействия электромагнитного поля внешнего и поля вихревых токов, которые наводятся возбуждающей катушкой.

Наиболее простым и  удобным методом контроля является визуальный и измерительный контроль, который осуществляется посредством  визуального осмотра и обмера шва. Но данный способ позволяет отыскать только видимые дефекты, поэтому  на практике приходится использовать и другие методы контроля.

Из всех вышеперечисленных  методов контроля сварных швов для  нашего изделия более предпочтительны  следующие : визуальный и измерительный контроль, рентгенографический метод контроля. Эти два метода относятся к неразрушающим методам контроля качества сварных соединений, используются на базовом предприятии для оценки качества сварных швов. Несмотря на то что эти методы дают нам увидеть практически полную картину дефектов сварных швов, но если же взять РГК, он более затратный и менее безопасный, хотя и очень качественный. Более подробно о методах контроля сварных швов и их проведении ниже[24].

 

 

 

 

2.  Рентгенографический метод контроля качества

Рентгенографический метод контроля предназначен для  решения широкого спектра задач  в металлургической и нефтегазовой промышленности, машиностроении. Следует  отметить, что в отличие от визуальных систем контроля, рентген-контроль позволяет  не только оценить текущую работоспособность  модуля, но и контролировать параметры  сборки, влияющие на безотказность  изделия в будущем, после возникающих  в процессе эксплуатации механических и климатических воздействий. 

В условиях промышленного производства, рентгеновский  метод неразрушающего контроля сварных  соединений получил наибольшее распространение. Он, в зависимости от типа радиационно-оптического  преобразователя, реализуется по двум схемам.   

     Первая подразумевает применение фоточувствительных материалов, чаще всего, рентгеновских пленок. Она основана на том, что интенсивность излучения, прошедшего через разные участки просвечиваемого объекта, будет изменяться в зависимости от состава, плотности и толщины просвечиваемого участка. Это регистрируется в виде различной степени потемнения на рентгеновской плёнке. А при втором способе используются усилители рентгеновского изображения. В конструктивном отношении усилитель изображения состоит из радиационного электронно-оптического преобразователя и замкнутой телевизионной цифровой системы, содержащей компьютерный блок обработки светового изображения.