Способ термической обработки сварных соединений

(51)5 С 21 О 9 ИЗОБРЕТ Я в и А.В.СлоСССР9,БРАБОТКИ хнологии иэнструкций и повышения Изобретение атно изготовления сварных и может быть использ ении, судостроении, а ском машиностроении народного хозяйства дл анно-усталостной прочн рукций, например свар сится к технологии металлоконструкций овано в машиностровиастроении, химичеи других областях я повышения коррозиости сварных констных корпусов судов. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ ИОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(54) СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙСВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ(57) Изобретение относится к теготовления сварных металлокможет быть использовано для Известные методы повышения усталостной прочности можно разбить на две группы: механические, приводящие при внешнем нагружении к релаксации остаточных сварочных напряжений (ОСН), либо к наведению сжимающих напряжений на поверхности при наклепе; термические, вызывающие релаксацию ОСН при общем отпуске, либо перераспределение ОСН при локальном нагреве.Известны общий отпуск, когда нагревают изделие целиком, и местный, когда качества сварных соединений, Цель изобретения - повышение коррозионно-усталостной прочности. Способ заключается в нагреве. источником с коэффициентом сосредоточенности ввода тепла 017-0,31 1/см и эффек 2тивной мощностью 800-2300 кал/с полосы металла, расположенной на пути возможного направления трещин и охлаждении со скоростью не менее 500 С/с, На сварных образцах из стали 45 П 7 ЮЗ после обработки предложенным способом испытаний в кипящих нитратах в течение 1000 ч трещин не обнаружено, долговечность при этом возрастает в десятки раз, 1 з,п, ф-лы, 1 табл., 5 ил. нагревают лишь часть конструкции в зоне а сварного шва. Температуру отпуска назначают в зависимости от марки материала. С помощью отпуска можно снизить остаточные а напряжения до уровня 0,05-0,2 Вт, что позволяет повысить усталостную прочность. дОднако для крупногабаритных конструкций общий отпуск не находит широкого применения вследствие отсутствия печей необходимых размеров, Кроме того, сущест- Ь вует опасность возникновения высоких вто ричных растягивающих напряжений, когда основной металл и металл шва имеют различные коэффициенты линейного расширения. д Возможно также искажение геометрической формы конструкции, когда в нее входят элементы различной конструктивной жесткости. Местный отпуск районов, прилегающих к сварным швам, приводит вслед за снятием ОСН к созданию новых термических растягивающих напряжений в зоне нагрева.20 30 50 Известен также способ, заключающийся в нагреве околошовной эоны при создании резкого температурного градиента. Нагрев вследствие пластической деформации приводит либо к снижению растягивающих ОСН в прилегающих областях, либо к наведению в них благоприятных сжимающих остаточных напряжений, Однако в самой зоне нагрева всегда наводятся растягивающие напряжения, отрицательно влияюЩие на работоспособность сварных конструкций.Наиболее близкой по технической сущности является термообработка путем нагрева околошовной зоны до 400-5450 С(для низколегированных сталей) мягким источником нагрева, не создающим значительного перепада температур, с резким охлаждением узкой полосы металла поперек возможного направления образования и роста трещин. Данный способ принят авторами за прототип;При реализации способа очень важным условием является создание при нагреве минимального градиента температур между нагретой зоной и остальной частью холодного металла, При обработке крупногаба- ритных конструкций зто условие выполнить практически невозможно. Следовательно, в зонах, не подвергавшихся резкому охлаждению, неизбежно возникают растягивающие остаточные напряжения. Наличие растягивающих напряжений в основном металле для целого ряда материалов приводит к коррозионно-механическим разрушениям. Кроме того, для некоторых марок стали и сварочных материалов (например, для стали 45 Г 17 ЮЗ) запрещена термическая обработка сварных соединений вследствие возможности выгорания легирующих элементов в сварном шве, Если выполнить местную термообработку в соответствии с прототипом, нагрев околошовной зоны неизбежно вызовет нагрев сварного шва. Следовательно, применение прототипа не дает существенного эффекта (коррозионно-усталбстная прочность повышается незначительно).Целью изобретения является увеличение срока службы конструкций, получаемое повышением. ко ррозионно-усталостной прочности их сварных соединений,На фиг, 1 приведена схема нагрева; на фиг, 2 - кривые Велера,",на фиг, 3, 4 и 5 - эпюры остаточных напряжений,На фиг. 2 приняты следующие обозначения: кривая 1 - исходный материал, кривая 2 - обработанный по предложенному способу. Нагрев полосы металла, расположенной на пути возможного направления распространения трещины, выполненной концентрированным источником с коэффициентом сосредоточенности ввода тепла 0,17-0,31 1/см и эффективной мощностью 800-2300 кал/с, осуществляют до темпера- турц высокого отпуска, Затем осуществляют охлаждение нагретой полосы со скоростью не менее 500 С/с.Использование концентрированного источника нагрева позволяет локально разогреть обрабатываемый металл, что вследствие теплового расширения приводит к повышению сжимающих напряжений в холодном металле, окружающем нагретый участок. Одновременно при резком охлаждении поверхности происходит неравномерное охлаждение нагретых. участков по толщине металла, сопровождающееся неравномерной пластической деформацией. Ускоренное сокращение происходит в поверхностных слоях, что вызывает в них образование остаточных сжимающих напряжений,В полностью остывшем металле имеем явно выраженные остаточные сжимающие напряжения на всей охлаждающейся поверхности, В глубоких слоях металла, подвергавшегося разогреву, образуются остаточные растягивающие напряжения,Соотношение величин остаточных сжимающих напряжений, ответственных за повышение долговечности сварного соединения,на различных участках поверхности определяется степенью локалиэованности нагрева, минимальной температурой нагрева и скоростью охлаждения. Указанные выше параметры источника нагрева и охлаждения удовлетворяют условию достижения необходимого градиента температур и наведен:1 ю сжимающих напряжений, равных 1/3-2/3 ат на глубину до 2-3 мм.Использование разогрева более локализованного и мощного в сравнении с граничным значением при практическом использовании приводит к оплавлению поверхности, что является дефектом сварного соединения. Использование менее локализованного и мощного разогрева не позволяет достичь достаточного градиента температур на поверхности к моменту начала охлаждения. Величина скорости охлаждения определяется необходимостью получения достаточно больших пластическйх деформаций в поверхностном слое металла, приводящих к появлению после его остывания остаточных сжимающих напряжений, Меньшая скорость охлаждения приводит к тому, что прирост. стойкости к коррозионному растрескиванию, полученный обработкой, становится нестабильным. Таким образом, в результате обработки сварного соединения по предложенному способу в зонах концентрации эксплуатационных напряжений, создаются остаточные сжимающие напряжения уровня, необходимого для продления срока службы сварных конструкций до расчетного.П р и м е р. ЭФфективность способа проверялась на сварных образцах из стали 45 Г 17 ЮЗ толщиной 8 мм. Было изготовлено 4 группы образцов. Первая группа образцов . обработке не подвергалась, вторая группа была обработана в соответствии с прототипом. Н а грев образцов третьей груп и ы производился шириной 20-20 мм, расположенной на расстоянии 25-35 мм от линии сплавления шва с основным металлом. Схема нагрева приведена на фиг, 1, Данные ширина нагреваемой полосы и расстояние от линии сплавления являются оптимальными для стали 45 Г 7 ЮЗ, так как обеспечивают наведение максимальных сжимающих напряжений вблизи линии сплавления, т,е. в области концентрации эксплуатационных напряжений и структуры с ухудшенными свойствами. Нагрев производился кислородно-ацетиленовой горелкой с коэффициентом сосредоточенности К = 0,31 1/см и эффективной мощностью 800 кал/с, Температура нагрева составила 650 С. Контроль температуры производился специальным термощупом с милливольтметром МБП. Охлаждение нагретой полосы осуществлялось посредством полива водяным душем с обеих сторон образца одновременно. Охлаждение выполняли до комнатной температуры,Образцы 4-ой группы обрабатывали по технологии, описанной в предыдущем абзаце, но нагрев производили кислородно-ацетиленовой горелкой с коэффициентом9сосредоточенности К = 0,17 1/см- и эффективной мощностью о = 2300 кал/с.Образцы 1-ой, 2-ой, 3-ей и 4-ой групп испытывались на коррозионное растрескивание в кипящих нитратах на базе 1000 ч. Результаты испытаний сведены в таблицу. Видно, что предложенный способ позволяет повысить стойкость к коррозионному растрескиванию более чем в 10 раэ по5 сравнению с исходными и более чем в 5 разпо сравнению с обработанными по прототипу.Образцы 1-ой и 3-ей групп испытывались на усталость в синтетической морской10 воде. Как видно на фиг. 2 предел усталостина базе 10 циклов увеличился более чем в2 раза. Долговечность при этом возрастаетв десятки раз.На образцах 1-ой, 3-ей и 4-ой групп иэ 15 меряли остаточные напряжения. Иэ эпюростаточных напряжений следует,что в исходном сварном соединении возникают высокие остаточные напряжения.В результате термообработки по пред 20 ложенному способу с задаваемыми интервалами характеристик источника нагревапроисходит релаксация и перераспределение ОСН с наведением в околошовной зонесжимающих остаточных напряжений,25 Технико-экономическая эффективностьпредложенного способа определяется повышением работоспособности и надежности сварных конструкций, работающих вкоррозионной среде, которое выражается, в30 частности, в увеличении ресурса конструкций до расчетного срока эксплуатации.Формула изобретения1, Способ термической обработки сварных соединений, включающий нагрев кон 35 центрированным источником тепла полосыметалла, расположенной на пути возможного направления трещин, и последующее охлаждение, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью повышения коррозионно-усталост 40 ной прочности, нагрев ведут источником скоэффициентом сосредоточенности вводатепла 0,17-0,31 1/см и эффективной мощностью 800-2300 кал/с до температуры высокого отпуска, а охлаждение осуществляют45 со скоростью не менее 500 С/с.2, Способ поп.1, отлича ю щийсятем, что для сварных соединений из стали45 Г 17 ЮЗ нагрев ведут полосой шириной 2030 мм, расположенной на расстоянии 25-3550 мм от линии сплавления шва с основнымметаллом,