Способ обработки сварных соединений конструкционных сталей

Способ обработки сварных соединений конструкционных сталей

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

1. СПОСОБ ОБРАБОТКИ CBAPffiJX ;СОЕДИНЕНИЙ КОНСТРУК1ШОННЫХ СТАЛЕЙ,, ; . предусматривающий ультразвуковое {воздействие на околошовную зЪяу на .-;стадии ее охлаждения, начиная с Температуры затвердевания шва, с амплитудой ультразвуковой деформации вьше порогового значения , отличающий ся тем, что, с целью : устранения образования холодных тре . щин, снижения склонности к замедп иному разрушению и расширения сортамента свариваемых ефалёй по оод)ержанию легирующих элементов, ультразвуковое воздеаствие в .интервале мператур начало охлаждения - .температураг, .окончания бейнитного превращения осу-- §{ ш ествляют с изменяющейся амгаштудай . ультразвуковой дефоЕялацни а диапазоне от 1«10- до 110. ИМ 1 If / J паси

СОЮЗ. СОВЕТСНИХ

IIIVMC РЕСПУБЛИН (19) (И) 3(5DC 21 0 9 50 С 21 (ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОНфЩМУ СВИДИТЕГЪСТВМ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР °

ПО ДЕЛАЮ ИЭО6РЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3339971/22-02 (22) 28.07,81 . (46) 23.03 83 ° Бюл. 9 11

Ъ

{ 72) С.3. Некрасова, Э. В. Кистерев, A.Ã.Ñó÷êîâ, Р.И. Энтин, A.Â. Кулемин, Г.A.ÈîÔÔå, О.В.Абрамов, В.В.Верятинский, Ю.И.Лебедев и В.Н.Лазарев

: (71) Центральный научно-исследова- . тельский институт черной металлургии

- им.и.П.Бардина, Институт физики твердого тела AH СССР и Московский завод

"Станкоагрегат" (53) 621.78,08(088.8) (56.) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 245827, кл. С 21 0 9/50; 1968. . 2. Авторское свидетельство СССР Ф 740845, кл. С 21 0 9/50, 1978.

i (54) (57). 1. СПОСОБ ОБРАБОТКИ СВАРНЫХ, СОЕДИНЕНИЙ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ предусматривающий ультразвуковое воздействие на околсиаовную збну настадии ее охлаждения, начиная с тЬмпературы затвердевания ыва, с амплитудой ультразвуковой деформации выв)е порогового значения 1 10, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью устранения образования хслодных трещин, снижения склонности к замедпеннощ разруюению и расширения сортамента свариваемюх сталей по содержа нию легирующих элементов, ультразву ковое воздействие в интервале температур начало охлаждения - .температура

;окончания бейнитного превращения осу-:Я ществляют с изменяющейся амппитудой ,ультразвуковой деформации в диапазо не от 1 10 до 1-10.1006516

4. Способ по п.1, о т л и ч а ю шийся тем, что ультразвуковое воздействие в области бейнитного превращения осуществляют с изменяющейся амплитудой ультразвуковой деформации в интервале от 7-10-4до

1.„1P-3

5. Способ по пп.1-4, о т л и ч а ю шийся тем, что увеличение амплитуды ультразвуковой деформации в укаэанных интервалах осуществляют плавно, а при переходе от одного интервала к другому — скачкообразно.

2. Способ по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что ультразвуковое воздействие до температуры начала перлитного превращения осуществляют

:с изменяющейся амплитудой ультразву ковой деформации,в интервале от

1 ° 10 4 до 3 10-4 .

3. Способ по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что ультразвуковое воздействие в области перлитного превращения осуществляют c изменяю щейся амплитудой ультразвуковой дефор ,мацин в интервале от 4 10 4 до б 10 4 .

Изобретение относится к металлур- литуде колебательных смещений в 4гии, в частности к способам обработ- 12 мкм, и выдерживают ее постоянной ки околошовной зоны сварного соеди-, на всем протяжении процесса обработнения в процессе ее охлаждения, и ки сварного соединения. может быть использовано в различных 5 Ультразвуковое воздействие в темотраслях народного хозяйства при из- . пературном интервале стабильного аусготовлении сварных конструкций от тенита с амплитудой ультразвуковой ветственного назначения. деформации выше порогового значения

Известен способ ультразвуковой об- ускоряет начало распада переохлажработки сварных соединений конст- Ц денного аустенита и обеспечивает порукционных сталей, включающий ульт- лучение в околошовной зоне немартенраэвуковое воздействие на околошов- ситных продуктов превращений аустеную зону сварного соединения в про- нита — перлита и бейнита. Это привоцессе его охлаждения. С целью пре- дит к некоторому снижению значений дупреждения образования холодных 45 твердости и внутренних остаточных трещин ультразвуковое воздействие .напряжений околошовной зоны, и слеосуществляют, начиная с температуры довательно, снижению ее склонности к на 100-150 С выше температуры начала хрупкому разрушению и образованию мартенситного превращения .(450-350 С), холодных трещин, что в свою очередь и продолжают его до комнатной темпе-, позволяет расширить сортамент свариратуры (1 ). ваемых сталей по содержанию углероОднако ультразвуковое воздействие, да и .при изготовлении качественных осуществляемое практически в основном сварных конструкций использовать в процессе мартенситного превращения, стали с содержанием углерода до 0,3вследствие высокой твердости образую- О, 4% g 2 ) щегося мартенсита и склонности его к Однако для большинства конструк хрупкому разрушению не позволяет эф- ционных сталей в околошовной зоне фективно снизить склонность околошов- после ультразвуковой обработки, осуной.зоны к хрупкому разрушению и об- ществляемой по известному способу, разованию холодных трещин. образуется значительная доля бейниНаиболее близким к изобретению по ЗО та (до 40%), имеющего повышенную технической сущности и достигаемому твердость (HRC 40-45) по сравнению с результату является способ ультразву- перлитом (HRC 20-25), что не позволяковой обработки сварных соединений, ет снизить ее склонность к хрупкому конструкционных сталей, согласно ко- разрушению и образованию холодных торому с целью снижения склонности З5 трещин до необходимой степени и огоколошовной эоны к хрупкому раэруше- раничивает сортамент свариваемых станию и образованию холодных трещин - лей по содержанию легирующих элеменультразвуковое воздействие .на нее . тов. осуществляют, начиная с температуры затвердевания шва и продолжают его 49 указанный недостаток наиболее о до температуры Ас3+50 С (около 870- существенен при изготовлении сваро

820,С), причем амплитуду ультраэву- ных соединений иэ низко- и среднелековой деформации устанавливают выше гированных сталей с повышенной успороговых значений в интервале от тойчивостью переохлажденного аусте1 10 "до 3 10 4,что соответствует амп- 45 нита в перлитной области и относи1006516 тельно низкой его устойчивостью в бейнитной области., Недостатками известного способа являются также осуществление ультразвукового воздействия на околошовную зону сварного соединения только в области стабильного аустенита, т.е. до температуры Асам+50 С (870-820 С), и осуществление его во всем температурном интервале, начиная с температуры затвердевания шва, с постоянйой 10 амплитудой ультразвуковой деформации, т.е. без ее корректировки в процессе охлаждения околошовной зоны.

Первый из этих недостатков обуславливает недостаточное снижение 35 твердости околошовной эоны, а второй в случае воздействия .с минимальной амплитудой ультразвуковой деформации (1 10 4) на конечной стадии обработки сварного соединения, т.е. при тем-20 пературах, близких к 870-820 С, не позволяет достигнуть максимального эффекта, так как количество акустической энергии, вводимое в околошовную зону при такой амплитуде, являет-25 ся недостаточным для обеспечения высокой степени распада аустенита, в то время как при воздействии с максимальной амплитудой ультразвуковой. деформации (3"10 4) на начальной . стадии обработки сварного соединения (около 1400 С), расход акустической энергии неоправданно велик.

Цель изобретения — устранение образования холодных трещин, снижение склонности к хрупкому разрушению и расширение сортамента свариваемах сталей по содержанию легирующих элементов.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу обработки 40 сварных соединений конструкциойных сталей, включающему ультраз вуковое воздействие на околошовную зону на стадии ее охлаждения, начиная с температуры затвердевания шва, с амп- 45 литудой ультразвуковой деформации выше порогового значения 1 10 4, ультразвуковое воздействие в интервале температур начало охлаждения— температура бейнитного превращения, 5О осуществляют с изменяющейся амплитудой ультразвуковой деформации в диапазоне от 1 10 до 1 10

Причем ультразвуковое воздействие до температуры начала перлитного пре-55 вращения осуществляют с изменяющейся амплитудой ультразвуковой. деформации в интервале от 1 ° 10 4 до 3 10

Кроме того, в областях перлитного и бейнитного первращений ультразву- Я) ковое воздействие осуществляют с изменяющейся амплитудой ультразвуковой деформации в интервалах, соответ.ственно дт 4 10 4до 6 104 и от 7. 10 до 1 ° 10

При этом увепичение амплитуды ультразвуковой деформации в указан- ных интервалах осуществляют плавно, а при переходе от одного интервала к другому — скачкообразно.

Сущность изобретения заключается в том, что осуществление ультразвукового воздействия на околошовную зону сварного соединения, начиная с температуры затвердевания шва и до температуры, соответствующей окончанию бейнитного превращения, при со ответствующих амплитудах ультразвуковых деформаций, корректируемых в зависимости от температуры околошовной зоны, вызывает значительно большее, нежели по известному способу, ускорение особенно перлитного, а также бейнитного превращений, и следовательно, снижение твердости околошовной зоны, вследствие чего сущест- . венно снижается склонность сварного соединения к хрупкому разрушению и полностью предотвращается образование холодных трещин.

На чертеже представлена диаграмма изотермического превращения аустени-. та стали ЗОХГСН2А, в которой приведены температурные интервалы перлитного и бейнитного превращений и время достижения определенной стадии превращения.

Способ осуществляют следующим образом.

Изделия, подвергаемые сварке, например прямоугольные стальные пластины, соединяют с источником ультразвуковых колебаний, состоящим из, колебательной системы и ультразвукового генератора, например УЗГ-2-10. Непосредственный контакт свариваемых пластин с источником ультразвуковых колебаний осуществляют посредством титанового волновода, являющегося излучающим звеном колебательной системы. В это же время на пластинах в околошовной зоне закрепляют датчик температуры, который через блок управления соединен с механизмом вращения регулятора мощности ультразву- кового генератора. До включения ультразвукового генератора регулятор его выходной мощности, определяющей уровень амплитуд ультразвуковых деформаций, устанавливают в акое положение, которое при включении генератора обеспечивает амплитуду ультразвуковых деформаций, равную 1 ° 10 + т.е. минимальную нэ выбранного для них диапазона. Затем пластины сваривают плавлением.

После окончания, процесса сварки, в момент времени, соответствующий температуре затвердевания шва (около 1400 С), по сигналу с датчика о температуры, постоянно выдающего информацию о температуре околошовной

516

1006 температуры воздействует на выходную мощность ультразвукового генератора, плавно повьыая ее и тем самым увеличивая уровень амплитуды ультразвуковой деформации, доводя ее до величины 6 10 (24 мкм) в момент времени, соответствующий началу бейнитного превращения. При этом плавное увеличение амплитуды ультразвуковой деформации в интервале от 4 ° 10 4до6.16Г, в области перлитного превращения (700-575ОC) осуществляют в соответствии с зависимостью

Е „=Ч.„„ е, (2) гдеЕ я, =2,2.10, Ч =0,28 эВ.

При достижении околошовной зоной температуры, соответствующей температуре начала бейнитного превращения

)(575ОС), блок управления на основании сигнала с датчика температуры,воздействует .на механизм вращения регулятора выходной мощности ультразвукового гейератора, который скачкообразно повышает его мощность и, следовательно, увеличивает уровень ультразвуковой деформации, устанавливая его выше порогового значения для

Iданной области превращения и равным

7 10 4 (2 8 мкм ). Такое увеличение амплитуды ультразвуковой деформации обусловлено тем, что ее максимальный уровень, с которым заканчивали ультразвуковое воздействие на околошов— ную зону в перлитной:области лревращения (6 10 <) для области бейнитного превращения по своей величине не превышает порогового значения, т.е ° не является достаточным для эффективного воздействия на превращение в бейнитной области. По мере последую0 щего понижения температуры околошовной Эоны и приближения ее к температуре, соответствующей окончанию бейнитного превращения (275 С),блок управления на основании сигналов с датчика температуры воздействует на мощ, ность ультразвукового генератора,плав. но"повышая ее и тем самым, увеличивая уровень амплитуды ультразвуковой деформации доводя ее до величины, равной

1 ° 10 (40 мкм) в момент времени, со.ответствующий окончанию бейнитного превращения. При этом плавное увеличение амплитуды ультразвуковой деформации в интервале от 7 10 4 до 1 ° 10 в области бейнитного превращения ,(575-275 С) осуществляют в соответст вии с зависимостью!

20 козой деформации, доводя его до величины, равной 3 10 4(12 мкм) в момент времени, соответствующий началу перлитного превращения. При этом плавное увеличение амплитуды ультра- 25 звуковой деформации в интервале от

1 10.4 до 3 ° 10 4в аустенитной области превращений (1400-700 С) осуществляют в соответствии с зависимостью ,е 30 где Š— амплитуда ультразвуковых деформаций, E«=2,2 10 — предэкспоненциальный множитель, V =0,25 Эв —; 35 механизм вращения регулятора мощности ультразвукового генератора, который скачкообразно повышает его мощность 45 и, .следовательно, увеличивает уровень

55 таточным для эффективного воздействия на превращение аустенита в перлит. 60

tlo мере понижения температуры околошовной эоны и приближения ее к температуре, соответствующей началу бейнит- ного превращения (575 С), блок управления н а основании сигналов с датчика 65 эоны, блок управления включает ультразвуковой генератор, который на резонансной частоте, например равной 19,6 кГц, возбуждает колебатель. ную систему. Ультразвуковке колеба+ нйя посредством волновода йередаются в свариваемые пластины, при этом амплитуда ультразвуковой деформации имеет величину, превышающую порого.,вое значение и равную 1 ° 10 4, что соответствует ампли уце колебательных смещений в 4 мкм. По мере понижения температуры околошовной эоны и приближения ее к температуре, соответствующей началу перлитного превращения (700 С), блок управления. на основании сигналов с датчика температуры воздействует на выходную мощность ультразвукового генератора, плавно повышая ее и тем самым увеличивая уровень амплитуды ультразвуК вЂ” постоянная Больцмана, Т вЂ” абсолютная температура (K).

При достижении околошовной зоной температуры, соответствующей началу перлитного превращения (700ОС), блок управления на основании сигнала с датчика температуры воздействует на амплитуд ультразвуковых деформаций, устанавливая его выше пороговых значений для данной области превращений, равным 4 10 (16 мкм), Такое увеличение амплитуды ультразвуковой деформации обусловлено тем, что ее максимальный-уровень, с которым заканчивали ультразвуковое воздействие, на околошовную зону в аустенитной области превращений (3 10 ), для области перлитного превращения по своей величине не превышает порогового значения, т.е. не является досгде Я „=2, 7 10, g =О, 08 эВ.

При достижении температуры, соответствующей окончанию бейнитного превращения (275 С ), блок управления по сигналу с датчика температуры вы7 100651б ключает ультразвуковой генератор, прекращая этим саьым активное воздей- к ствие на околошовную зону сварного соединения, которое затем охлаждают к на воздухе до комнатной температуры. и

УЛьтразвуковое воздействие ниже 5 .и температуры окончания бейнитного пре- т вращения нецелесообразно, так как об- и разование немартенситных продуктов, желательных в структуре околошовной эоны, уже завершено. 10 „

Интервалы амплитудЫ ультразвуко- л вой деформации от 1 10 + до 3 10 4, И от 4 10 4 до б 10 4 и от 7. 10- до р

1 10 являются пороговыми, соответ- п отвеяно для аустенитной, перлитной, I5 б бейнитной областей фазовых превраще- с ний. Ультразвуковое воздействие на околошовную зону в каждой иэ ЭTHx трех областей с амплитудой ультразву- 3 ковой деформации, по свбей величине 20 л не превыаающей минимального значения, у указанного в соответствующем интерва- с ле, не приведет к изменениям структу- о ры стали и кинетики фазовых превра- н щений и, следовательно, не обеспечит высокого качества. сварного соедине- - е ния. Воздействие же с амплитудами т ультразвуковой деформации, по своей р величине превышающими максимальные б значения в указанных. интервалах мо- т ет привести к усталостному разруше- 1

30 нию металла свариваемых издерий и по- т этому нецелесообразно.

Причем ультразвуковое воздейст- . вие в каждой области превращений следует начинать с амплитудой колебательных смещений, не превышающей более чем на 1-2 мкм ее минимальное„ для данной области значение,. поскольку в противном случае это приведет к 40 неоправданному расходу акустической энергии. Заканчивать же ультразвуковое воздействие нужно при амплитуде колебательных смещений, не более, чем на 1-2 мкм меньшей ее максималь-, 45 ного значения для данной области, так как в противном случае величина ускорения Превращений снижается, отрицательно воздействуя на структуру околошовной эоны.

Амплитуда ультразвуковой деформации в процессе обработки сварного соединения может быть и постоянной, а по своей величине близкой либо рав1ной максимальной из указанного интер- 55 вала для соответствуюшей области превращений, или же. возрастать скачкообразно во всем своем интервале, аналогично указанному изменению при переходе с одного температурного интерва- 60 ла превращения на другой. Плавное же изменение BMIIJIHTóä ультразвуковой деформации является технически несколько более сложным, но наиболее эффективным с точки зрения достигаемого результата и расхода акустичесой энергией.

Пример. Проводилась обработа сварных соединений по известному предлагаемому способам на образцах, зготовленных из стали ЗОХГСН2А (сосав стали, %г С 3, Cr 1; Si 1, Мп 1

Ni 1,9).

Результаты представлены в таблице.

Проведены испытания на замедленное азрушение сварных соединений из стаей ЗОХЗ и ЗОХГСН2А по методике TRC. спытаниям подвергались образцы, сваенные без воздействия ультразвука., ри воздействии ультразвуковыми колеаниями по известному и предлагаемому пособам.

При нагрузке 6 20 кгс.мм ;.:время разрушения образцов из стали

ОХ СН2А, полученных сваркой по предагаемому способу, составило более б ч, образцов, сваренных по известному пособу, — 3,5 ч, а у контрольных.. бразцов оно составило несколько мнут.

Из приведенных результатов следут, что сварные соединения, обрабоанные по предлагаемому способу, раэушаются при нагрузках, на 25-30% ольших, чем контрольные (не обрабоанные ультразвуком) образцы, и на

0-15% больших, чем образцы,обрабоанные по известному способу, при равных временах разрушения. Соответственно, при равных величинах нагрузок сварные соединения, обработанные по предлагаемому способу, имеют большее время выдержки до разрушения, т.е . меньшую склонность к замедленному разрушению.

Углерод и большинство легирующйх элементов отрицательно воздействуют на свариваемость сталей, так как повышают устойчивость аустенита, увеличивают объемные эффекты превращений и т.д.

Предлагаемый способ, основанный на ускорении перлитного и бейнитного превращений аустенита при ультразвуковом воздействии на стабильный и переохлажденный аустенит, резко ускоряет кинетику превращений аустенита, что и снимает отрицательное действие легирующих элементов и, следовательно, позволяет решить поставленную задачу по расширению сортамента свариваемах сталей.

Сопоставительный анализ известного и предлагаемого-» способов ультразвукового воздействия на сварное соединение конструкционных сталей показывает, что последний из них наиболее эффективен, так как обеспечивая боль-,. шее ускорение в первую очередь перлитного, а также бейнитного превращений, выражающееся в более низких значениях твердости и большей доле

1О

1006516 сортамент свариваемях сталей по легирующим элементам.

Проььааленное использование иэобрб тения позволяет при изготовлении сварных кОнструкций иэ стали ЗОХГСН2А на каждой их тонне сэкономить не менее 14 руб.

Способ температурный интервал улът раэвуковоео воэдайствин, Амплитуда ультразвуковой деформапии в области фаэовмк .прира-. щений, мкм елим бработни

Долл продуктов превращения в околсмовной эоне, Ф ерлит бейннт мартенсит бейийта

<575 275эс аустени- перлита та (1400» (700-575 С)

700 С) Иэвестный . 1400-820 1

45-,50

40

40 б "110, 18-. 22 30 е 38 30-32

30-35

20 предлатаеЙый 1400 275 2

5 -Ф 11 17 23

29 е89 30-32 . 45-50

30-35

30-35

4 12 16 Ф24 28 w40 30-32 45-50

Составитель И.Липгерт

Редактор Г.Безвершенко ТехредМ:.Костик КорректорС.Е!екмар

Заказ 2055/43 Тираж. 566 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5 филиал ППП "Патент", г.Ужгород, ул.Проектная, 4

r перлита, а также в суммарной доле перлита и бейнита в околошовной зоне сварного соединений, в .значительной степени снижает его склонность к хрупкому разрушению, практически полностью устраняет образование холодных трешин и позволяет расширить