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

4.1   Рекомендации по изменению технологии сварки

При изготовлении колеса дымососа тагодутьевой машины, как было описано выше, используется ручная аргонно-дуговая сварка с применением присадочной проволоки. На практике же, при применении такого способа сварки, было выявлено огромное количество дефектов, возникающих как в процессе сварки, так и после завершения процесса. Если учитывать тот факт, что наше изделие можно отнести к ответственным, то выявленные дефекты при сварке ручным способом полностью недопустимы. В процессе сварки были выявлены такие дефекты как : поперечные и продольные трещины, поры, кратеры и зоны плохого возобновления сварного шва. Всё это крайне негативно влияет на качество сварных соединений и дальнейшей эксплуатации изделия. Трещины представлены на рисунке 16.

Рисунок 16 –Трещина в сварном шве

После проведения капиллярного контроля была выявлена трещина (рисунок 17).

Рисунок 17 – Выявление  трещины после капиллярного контроля

Также кроме появления  трещин, при проведении процесса сварки было затруднено свободное возобновление  шва и образования мест имеющих  низкий показатель прочности. Плохое возобновление  сварного шва и образование кратера  показано на рисунке 18.

Рисунок 18 – Плохое возобновление  сварного шва

Но все эти дефекты, представленные на рисунках 16,17,18, дополняются ещё одним, весьма опасным дефектом - это порообразование в сварном шве, причём не на самой поверхности, а внутри сварного шва, что является более опасным фактором нежели бы поры образовывались за счёт недостаточной газовой защиты на поверхности металла.        Порообразование внутри сварного шва представлено на рисунке 19.

Рисунок 19 – Пора в сварном  шве

 

Изначально, процесс ручной аргонодуговой сварки заключается  в следующем: сварщик в одной  руке держит держатель, который за счёт пробивания дуги между металлом и  электродом, начинает нагревать металл. В другой же руке у сварщика находится  присадочная проволока, которую  сварщик периодически вносит в зону сварки, сначала отводя проволоку, потом  возвращая обратно в зону. Тем  самым образуется сварочная ванна  с расплавленным присадочным  материалом. Но, если взять за основу то что, основной и присадочный материал – это титан(титановый сплав), и при нагревании титана свыше 300-400 ⁰С происходит активное поглощения газов из атмосферы, как кислорода, так и водорода. Соответственно, если наш металл находится под газовой защитой, то порообразования происходить не будет, либо, если металл ещё не успел остыть и защиты нету, то начинаются образовываться поры. Но по всем параметрам было установлено что металл был защищён до нужного момента. На практике показало, что газы поглощает не основной металл, а присадочный материал, так как он нагревается до высокой температуры, когда вносится в зону сварки и если пруток отводят слишком далеко от газовой защиты, то ещё неостывший конец прутка с лёгкостью поглощает газы из окружающей среды, а при повторном введении прутка в зону сварки происходит перенос молекул газа в сварной шов, следовательно шов остывает и газы остаются внутри шва, тем самым, образуя поры.

В совокупности все эти  факторы показывают , что применение ручного способа для сварки данного изделия не представляется возможным, так как наша колесо не будет удовлетворять тем требованиям по качеству, которые предъявляет заказчик, и не будут соответствовать по нормам безопасности для такого типа изделия.

При проведении экспериментальных  исследований и попытке повысить качество сварного шва было выявлено, что применение механизированного способа, при достаточной защите сварного шва, намного эффективнее и более продуктивнее нежели ручной способ. Следовательно, предлагается использовать механизированную сварку в среде защитного газа аргона. Это показывает и микроструктура титанового сплава, представленная на рисунке 20.

Рисунок 20 – Микроструктура сварного шва  (х200)

Металл сварного шва представлен  мелкозернистой структурой, которая  показывает что наше соединение имеет высокое качество и высокие прочностные показатели. Микроструктура зоны термического влияния наоборот представлена крупными зёрнами, что подразумевает под собой, что если разрушение сварного шва если и произойдёт, то будет это в зоне термического влияния. Сама зона представлена на рисунке 21.

Рисунок 21 – Микроструктура зоны термического влияния

 

Более полную картину по микроструктуре сварного шва можно  проследить на примере зоны сплавления представленной на рисунке 22.

Рисунок 22 – Зона сплавления

 На рисунке чётко видно, где проходит граница сплавления. Хорошо видно различие зоны сварного шва, которая представлена мелкозернистой структурой (верхняя половина рисунка) и зона термического влияния, которая располагается в нижней части рисунка с боле крупным размером зерна.

 Тем самым видим, что микроструктура титанового сплава после сварки механизированным способом имеет хорошие показатели, что и подтверждают данные с механическими свойствами, которые представлены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 – Механические свойства металла после проведения механизированной сварки в среде защитного газа аргона

Толщина листа, мм	Основной металл			Сварное соединение
	Предел прочности, МПа	Относительное удлинение, %	Относительное сужение, %	Предел прочности, МПа	Относительное удлинение, %	Относительное сужение, %
4	750-800	20-22	25-23	750-800	14-18	24-23
8	820-890	18-20	21-19	820-890	11-15	20-18
12	920-970	16-18	18-17	910-970	7-12	18-17

 

Как видно из таблицы механических свойств, предел прочности, как основного металла, так и металла сварного соединения практически одинаковы, это позволяет полагать, что выбранный нами способ сварки является оптимальным.

Так как процесс механизированной сварки в среде защитного газа аргона был экспериментальным, то, следовательно, требовалось, установит режимы для проведения сварки и записать их подробные значения, которые, также как и механические свойства представлены в таблице 4.2.

      Таблица 4.2 – Режимы механизированной сварки в среде защитного газа аргона

Толщина металла, мм	Подготовка кромок	Диаметр проволоки, мм	Iсв , А	Vсв , м/ч	Расход аргона, л/мин	Число слоёв шва
6-8	V-образная разделка кромок с углом раскрытия 600	1,5-2,0	270-280	36	15-18	2
12-14		2,0	280-310	24	15-18	2-3

 

Таким образом, видим, что подобранные режимы для сварки титановых сплавов подходят для разных толщин, в частности для толщины нашего колеса и его лопаток. Отчётливо видно, что для сварки не требуется токов большой величины, они лишь немного превышают токи, представленные для ручной аргонодуговой сварки, поэтому можно использовать тот же источник питания, в частности источник питания MasterTig4000 MLS, страна производитель Финляндия, который соответствует всем заявленным требованиям. Отсюда же сразу следует примечание о том, что источник питания является универсальный, его лишь требуется доукомплектовать механизмом подачи проволоки.

В качестве механизма подачи проволоки выбирается современный блок подачи холодной присадочной проволоки «TIG – FEED 1» фирмы LORCH, страна производитель Германия (рисунок 23).

Рисунок 23 –Схема подачи проволоки блоком «TIG – FEED 1»

 

Данный блок даёт возможность выдержать нужный угол подачи электродной проволоки, требуемый для выполнения качественного сварного шва. Такой метод позволяет снизить утомляемость сварщика при выполнении длинных или требующих значительного объема присадочной проволоки сварных швов с незатрудненным доступом к месту сварки и повысить производительность труда за счет сокращения времени остановок процесса сварки для замены присадочной проволоки. А также позволят значительно снизить вероятность появления дефектов, связанных с многочисленным прерыванием сварки и повторным её началом.

 

 

 

 

 

Краткие характеристики блока  подачи проволоки представлены ниже.

• Высокоточный 4-роликовый блок подачи проволоки;
• Тахометрически регулируемый двигатель подачи;
• Электронный контроль и регулировка скорости подачи проволоки;
• Коррекция проскальзывания проволоки;
• Функция Syncro-Puls для синхронизации сварочной проволоки по импульсному току;
• Максимальная производительность сварки ТIG;
• Блок подачи холодной проволоки для сварки ТIG;
• Концепция управления «Три шага до начала сварки»;
• Текстовый дисплей с выбором языка;
• Tiptronic для сохранения в памяти до 100 сварочных заданий;
• Для ручного режима и в качестве полностью интегрированного компонента автоматизированной системы/

Блок «TIG – FEED 1», на сегодняшний день, работает со всеми известными источниками питания для аргонодуговой сварки и поэтому он подходит для нашего производства[21].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.2   Методика и требования, предъявляемые к дефектности сварного шва

Кроме методов контроля качества, представленных на базовом предприятии, нами предлагается ввести капиллярный контроль качества сварных соединений. Это не только облегчит выявление холодных трещин, пор, цепочек пор, свищей в металле, но и намного улучшит качество проведения операций по контролю в целом.

Капиллярная дефектоскопия  – является одним из основных методов неразрушающего контроля и предназначена для обнаружения поверхностных и сквозных дефектов в объектах контроля, определения их расположения, протяженности (для протяженных дефектов типа непроваров, трещин) и их ориентации на поверхности. Капиллярный метод неразрушающего контроля (ГОСТ 18442-80) основан на капиллярном проникновении внутрь дефекта индикаторных жидкостей, хорошо смачивающих материал объекта – поверхность контроля и последующей регистрации индикаторных следов (благодаря чему так же носит название цветная дефектоскопия). 
           В соответствии с техническими требованиями в большинстве случаев необходимо выявлять настолько малые дефекты, что заметить их при визуальном осмотре невооруженным глазом практически невозможно. В то же время, применение оптических приборов, например лупы или микроскопа, не позволяет выявить поверхностные дефекты из-за недостаточной контрастности изображения дефекта на фоне металла и малого поля зрения при больших увеличениях. 
            В таких случаях наиболее применим - капиллярный метод контроля. 
Капиллярная дефектоскопия позволяет контролировать объекты любых размеров и форм, изготовленные из различных материалов: черных и цветных металлов, сплавов, пластмасс, стекла, керамики и т.п. Капиллярный контроль широко востребован при дефектоскопии сварных швов.

            При контроле красящий пенетрат наносится на контролируемую поверхность и благодаря своим особым качествам под действием капиллярных сил проникает в мельчайшие дефекты, имеющие выход на поверхность объекта контроля. Проявитель, наносимый на поверхность объекта контроля через некоторое время после осторожного удаления с поверхности пенетрата, растворяет находящийся внутри дефекта краситель и за счет диффузии “вытягивает” оставшийся в дефекте пенетрат на поверхность объекта контроля. Имеющиеся дефекты видны достаточно контрастно. Индикаторные следы в виде линий указывают на трещины или царапины, отдельные точки - на поры.

                                                    

 

            

 

                                   Рисунок 24 – Выявление глубины  трещины

Выявление имеющихся  дефектов начинается непосредственно  после окончания процесса проявки. При контроле выявляются и регистрируются индикаторные следы. Интенсивность  окраски которых говорит о глубине и ширине раскрытия дефекта, чем бледнее окраска, тем дефект мельче. Интенсивную окраску имеют глубокие трещины. После проведения контроля проявитель удаляется водой или очистителем.

Дефектоскопические  материалы для цветной дефектоскопии  выбирают в зависимости от требований, предъявляемых к контролируемому  объекту, его состояния и условий  контроля. Их укомплектовывают в целевые  наборы, в которые входят полностью  или частично взаимообусловленные  совместимые дефектоскопические материалы. 
            Совместимость дефектоскопических материалов в наборах или сочетаниях обязательна. Составы набора не должны ухудшать эксплуатационные качества материала контролируемого объекта. 
             Согласно ГОСТ 18442-80 класс чувствительности контроля определяется в зависимости от размера выявляемых дефектов. В качестве параметра размера дефекта принимается поперечный размер дефекта на поверхности объекта контроля – так называемая ширина раскрытия дефекта. Минимальная величина раскрытия выявленных дефектов называется нижним порогом чувствительности и ограничивается тем, что весьма малое количество пенетрата, задержавшееся в полости небольшого дефекта, оказывается недостаточным, чтобы получить контрастную индикацию при данной толщине слоя проявляющего вещества. Существует также верхний порог чувствительности, который определяется тем, что из широких, но неглубоких дефектов пенетрат вымывается при устранении излишков пенетрата на поверхности.  Обнаружение индикаторных следов, соответствующего указанным выше основным признакам, служит основанием для анализа о допустимости дефекта по его размеру, характеру, положению.