Способ обработки сварных соединений гидридообразующих металлов

 

О П И С А Н И Е »907083

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советски к

Социаиистичесиик

Рес ублии

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6l ) Дополнительное к авт. саид-ву(22) Заявлено05.05 80 (2l ) 2920335/22 02 с присоединением заявки № (23) Приоритет

Опубликовано 23.02.82. Бюллетень № 7

Дата опубликования описания 26.02.82 (51)М. Кл.

С 22 F 1/00

С 22 F 1/18 фщударств90ий квмитвт

СССР йо двлаи изобрвтвиий и отиритяй (53) УДК 6га .785.3(088.8) (72) Авторы изобретения

В. В. Редчиц и Г. Д. Никифоров (7l) Заявитель (54) СПОСОБ ОБРАБОТКИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

ГИДРИДООБРАЗУЮЩИХ МЕТАЛЛОВ

Изобретение относится к гермообработке сварных соединений гидридообразуюших металлов (например, титана и его сплавов), преимущественно гонколистовых, в металле сварных швов которых имеюгS ся газовые включения в виде пор.

Известно, что поры в сварных швах активных металлов (титана и его сплавов, в честности) являются опасным дефектом, значительно снижающим предел выносливости сварного соединения и тем самым долговечность сварных конструкций. Роль пор при этом сводится к концентрации поля напряжений и снижении пластичности металла вблизи границы норы. В результате этого при достижении определенного уро вня напряжений начинают развиваться трещины от пор, о чем судят по наличию в изломе усталосгных площадок.

Степень влиягня пор на долговечность работы сварных соединений зависит от таких факторов, как величина и расположение пор в металле сварного шва, величина активной нагрузки и осгагочных сварочных напряжений, а также загазован ность металла, окружающего пору.

Механизм образования и развития холодных т1рещин от пор связывают с водородом, сегрегации которого в зоне пор способствуют развитию микротрещин в резульrare снижения поверхностной энергии у их.вершин.

Основным источником пор при сварке активных металлов является водород, который абсорбируется методом, окружающем пору, цри понижении температуры металла шва и в пропессе работы сварного соединения. Последнее обысняегся тем, что гидрообразующие металлы по or» ношению к водороду являются экзотерми» ческими оклюдерами (растворимость водорода в них увеличивается с понижением температуры) .

Водород, образующий газовые пузырьки и поры в сварных швах активных ме- таллов, выделяется в основном B резуль тате протекания реакции влаги и метал3 007083 4 ла на торцовых поверхносгях свариваемых Кроме того, с целью экономии энерги:i кромок при нагреве в процессе сварки. нагревают зону пор радиусом 8-100

Например, При температурах выше устойчивости гидридов (для титан& Выше 700 С) конТ4 + 2Н 0 = Т 02+ 2Н2 центрация водорода (Н) на границе раэОб б б д л г з "ет подч"няегся закону ипоры свидетельствуют результаты замера верса микрогвердости поверхностного слоя меIHll- н,, ния — Д с =05-Оба у где С1 — диаметр пор, см

1 — температура нагрева

Π— толщина металла, см.

SS галла шва окружающего пору. Так при сварке пластин из сплава ОТ4 толщиной

l,,0 мм глубина газонасышенного (навороженного) слоя вокруг поры диаметром

0,4 мм составляла 0,175 мм, при этом микротвердость металла в этом слое по мере удаления or поверхности поры уменьши« лась с 386 кгс/мм до 3l4 кгс/мм . B

2. 2 определенном слое металла, окружающем пору. образуется сегрегация (пик) водорода, значительно превращая по концентрации основной металл, 26

Таким образом, снижение концентрации водорода в этой зоне, с целью повышения предела выносливости сварных соединений, является важной технической задачей.

Известен способ понижения концентра- 25 ции водорода в активных металлах путем отжига в вакууме либо в инертном газе.

Согласно этому способу полуфабрикаты нз титана и его сплавов отжигаются при температуре полного отжига (например, 30

BT l.— 0 при 570 С, ОТ4-570 С ВТ20— о

750 С .в течение 45-120 мин в зависимости or толщины металла kl).

Известен также способ обработки сварного шва, понижающий концентрацию во- З5 дорода, в сварном шве и сглаживающий пики водорода в околошовной зоне путем нагрева сварной конструкции по режиму полного отжига в вакууме либо в проточном аргоне (2).

Ю

Недостатком известных способов явж— ется то, что в процессе их реализации не устраняются в требуемой мере пики водорода в металле шва, окружающего пору.

Бель изобретения — снижение степени концентрации водорода в зоне пор.

Поставленная цель достигается reM, что нагрев ведут на толщину зоны пор металла до температуры, равной 0,9о,85 температуры начала полиморфного

SO превращения металла (сплава) и выдерживают при этой температуре в течение времени 6, определяемого из соотноше» где К вЂ” коэффициент растворимости, зависящий or температуры;

Р„- давление водорода в поре или и парциальное давление его в,защитной среде.

B процессе нагрева металла до температуры выше устойчивости гидридов (в противном случае процесс диффузии водорода, связанного в гидриды, происходить не будут) возможен обратный процесс диффузии части водорода иэ слоя металла, прилежащего к поре в объем этой поры, что объясняется упомянутым выше характером растворимости водорода в активных металлах. Однако при установившейся температуре нагрева за счет развития процесса концентрационной диффузии десорбции водорода через поверхность изделия начинается процесс откачки" водорода из поры и прилежащего к ней слоя металла. Это связано с тем, что парциальное давление водорода в вакууме или инертной газово i среде значительно ниже, чем в объеме поры. В математическом аспекте это явление можно рассматривать как процесс концентрационной диффузии газа через металлическую "перегородку" (расстояние ог поверхности поля до поверхности изделия) за счет разности парциальных давлений водорода по обе стороны от "перегородки," следовательно, разности концентраций в поверхностных слоях металла.

Конечное давление водорода в поре (значит и концентрация его в поверхносгноМ слое металла, окружающего пору) определится при достижении гермодинамического равновесия системы, зависящего

or температуры нагрева и величины парциального давления водорода над изделием. Чем выше гемперагура нагрева, тем меньше растворимость водорода в активном металле и. тем больше его десорбируется через поверхность изделия.

Кроме гого, учитывая экспоненциальный характер зависимости коэффициента диффузии водорода or температуры, нагрев следуег вести при температурах как можно выше. Чем выше температура

5 9070 нагрева, тем быстрее ид т процесс откачки .

Оптимальная величина этой температуры (с учетом допустимости неравномер ности нагрева) находится в пределах

0,9...0,95 C d. -т р Эксперименты показали, что если установить температу, ру нагрева равной или выше начала полиморфного превращения, то возникает опасность роста зерна . сходного полу- 10 фабриката (участка сварного соединения, находящегося за пределами с - P> зоны термического влияния при сварке).

Следствием этогс является потеря меха нических свойств металла в зоне нагре- 15 ва. При снижении температуры отжига увеличивается значение остаточной концентрации водорода и возрастает длите льность "откачки" водорода из поры, Экспериментально установлено также, 20 что в зависимости от выбранной оптимальной температуры нагрева Т, толщина металла д и диаметра пор g (для экстремального случая расположения центра поры на расстоянии or поверхности, рав- 25 ном д / 2) длительность нагрева (. можно определить из соотношения С=0,$ -0,6 М

Для одинакового размера пор, центра которых находятся на расстоянии or поверхности меньшем, чем У/2, величина времени определяемого из этого соотношения, окажется и подавно достаточной.

В целях экономии энергии нагрев ве- 35 дут локально в зоне пор, расположение которой в сварном шве определяется по рентгеновскому снимку. В качестве источником нагрева целесообразно применять расфокусированный или сканированный эле-4 ктронный луч в вакууме, а также нагрев плазменными горелками в инертной среде (например, в аргоне).

Учитывая, что часть водорода из прилежащего в поре слоя металла может диффундировать не только к поверхности изделия, но и вглубь металла, то с целью рассредоточения этой части водорода, а также для создания благоприятных условий для поддержания величины требуемой

50 температуры в зоне активной диффузии и десорбции через поверхность изделия, оптимапьная площадь нагрева вокруг пор должна быть ограничена радиусом

R - 8 0О .

Если сварная конструкция подвергается отжиму для г.нятия напряженця, либо отжигу с термофиксацией, ro для ускорения технологического процесса целесооб83 Ь разно нагрев по предложенному режиму совместить с названными видами термообработки.. Посл днее рационально и в roM случае, когда количество сварных швов и пор в них сравнительно велико.

Испытание предложенного способа производили на сварных соединениях . лз титановых сплавов СТ4 толщиной L,O мм и ВТ20 толщиной 2,5 мм. В первом случае диаметр фиксируемых на рентгенограмме пор был порядка 0,4 мм, а во втором0,7 мм. Температура начала полиморфного Ы P превращения для ОТ4 составляет о

920 С в ВТ20 — 990ОС Отсюда задаваемая температура зоны нагрева для ОТ4830-875. С, а для ВТ20 — 890-940 С.

Длительность нагрева для ОТ4-3,6 мин, а для БТ20-9,6 мин. Нагрев производили в течение 4 мин для ОТЗ и 10 мпн для ВТ20, Соответственно зспы нагрева с температурой в пределах 830-875 С и 890-940 С для этих сплавов соответственно составляла 0=0,9 см и 2=2,5 см.

Нагрев образцов производили локально сканирующим лучом в вакууме плазмой, а также общим нагревом и печи электросопротивления в . :онтейнере с аргоном. М еталлогр:йическцми исследованиями не обнаружено в с, ое металла, прилежащем к поре, повышенно" концентрации и водорода по сравнению с основным металлом. Кролге того, по результатам спектрального анализа наблюдалась тенденция снижения исходной концентрации водорода и наиболее значительно для случея нагрева в вакууме (с 0,008вос.% до 0,005-0,006 весЛо. Микротвердость металла вокруг пор при замерах с нагрузкой 20 г находилась на уровне 310320 кгс/cM (в зоне замера шириной до

0,6-0.8 мм).

Предложенный способ найдет применение при сварке самолетных конструкций ответственного назначения, например изготавливаемых из титана и его сплавов и работающих в условиях циклических нагрузок.

Формула изобретения

1. Способ обработки сварных соединений,гидридообразующих металпов путем нагрева в вакууме или инертной среде, отличающийся тем, что, с цеггью снижения степени концентрации водорода в зоне пор, нагрев ведут локально в зоне пор до температуры равной

1. Особенности применения титанного сплава ВТУО. Инструкция % 1024-73, ВИАМ, 1973, с. 10, 10 . 2. "Сварочное производство, 1 97 4, % 6, с. EO-12.

7 907083 в

0,9-0,95 температуры начала полиморф- энергии, нагревают зону пор радиусом ного превращения металла и выдержива- 8 10 о ют при этой температуре в течение вре- Источники информации, меж Г, определяемого по формуле принятые во внимание при экспертизе Г = 0,5-: О,Ь <ю

5 рде Д - диаметр пор, см;

1 - температура нагрева; (1 — толщина металла, см.

2.Способпоп. E,о гличаюшийся тем, что, с целью экономии

Сосгавитель С, Николаева

Редактор Г. Волкова Техред T. Маточка Корректор М. Кос га

Заказ 522/35 Тираж 657 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

E 13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4