Способ оценки свариваемости материала полуфабрикатов

 

Изобретение относится к сварке, в частности к способам оценки свариваемости основного материала полуфабрикатов, подлежащих сварке плавлением, и может быть использовано при выборе материалов для изготовления сварных конструкций в различных отраслях промышленности. Цель - снижение времени на проведение испытаний, расхода материалов и трудозатрат на изготовление образцов, а также расширение технологических возможностей за счет обеспечения определения влияния термического цикла на процессы, происходящие в металле. Исследуемый материал подвергают нагреву проплавлением двумя швами, расположенными под углом друг к другу. На плоский образец испытуемого материала наносят шов. Затем под углом к первому шву на ту же пластину наносят второй шов. Угол между накладываемыми швами выбирают таким, чтобы в вершине его сходимости сварочные ванны касались друг друга расплавленными границами. Расстояние между концами шва выбирают таким, чтобы изотермы с уровнем нагрева, при котором не происходят в металле превращения, не касались изотерм с таким же уровнем нагрева второго шва. Обычно это температура низкотемпературного отжига для данного материала. Угол между швами зависит от выбранных способа сварки и погонной энергии. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1479248 А 1 (51) 4 В 23 К 28/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ ределения влияния термического цикла на процессы, происходящие в металле.

Исследуемый материал подвергают нагреву проплавлением двумя швами, расположенными под углом друг к другу.

На плоский образец испытуемого материала наносят шов. Затем под углом к первому шву на ту же пластину наносят второй шов. Затем под углом к первому шву на ту же пластину наносят второй шов. Угол между накладываемыми швами выбирают таким, чтобы в вершине его сходимости сварочные ванны касались одна другой расплавленными границами. Расстояние между концами шва выбирают таким, чтобы изотермы с уровнем нагрева, при котором не происходят в металле превращения, не касались изотерм с таким же уровнем нагрева второго шва.

Обычно это температура низкотемпера турного отжига для данного материала.

Угол между швами зависит от выбран- ных способа сварки и погонной энергии. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4300570/31-27 (22) 27.08.87 (46) 15.05.89. Бюл. Р 18 (71) Институт электросварки им. Е.О.Патона (72) А.А.Бондарев, Е.Г.Терновой и А.В.Лозовская (53) 621.791.75.011 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 1147540, кл. В 23 К 28/00, 1985. (54) СПОСОБ ОЦЕНКИ СВАРИВАЕМОСТИ

МАТЕРИАЛА ПОЛУФАБРИКАТОВ (57) Изобретение относится к сварке, в частности к способам оценки свариваемости основного материала полуфабрикатов, подлежащих сварке плавлением, и может быть использовано при выборе материалов для изготовления сварных конструкций в различных отраслях промышленности. Цель изобретения — снижение времени на проведение испытаний, расхода материалов и трудозатрат на изготовление образцов, а также расширение технологических возможностей за счет обеспечения опИзобретение относится к сварке, в частности к способам оценки свариваемости основного материала полуфабрикатов, подлежащих сварке плавлением, и может быть использовано при сварке материалов для изготовления сварных конструкций в различных отраслях промышленности.

Цель изобретения — сокращение времени на проведение испытаний, снижение расхода материалов и трудозатрат на изготовление образцов, расши-рение технологических возможностей путем обеспечения возможности определения влияния термического цикла на процессы, происходящие в металле в процессе сварки.

На фиг.1 изображена схема сварки швов, изотермы нагрева, точки максимальных температур нагрева на биссектрисе угла, касательные линии к каждой изотерме на протяжении всей длины шва, штриховкой, выделены зоны с установившимся температурным

1479248 нагревом в любом сечении по длине зоны, на фиг.2 — кривая максимальных температур, на фиг.3 — распо5 ложение швов и примерная схема вырезки образцов для металлографических исследований, механических испытаний и газового анализа.

Способ осуществляют путем нанесения шва 1 на плоский образец 2. Затем под углом e(к первому шву на ту же пластину наносят шов 3, причем первый и второй швы можно выполнять как со сквозным, так и не сквозным проплавлением. Угол 4 определяют из соотношения.

tg 4

2у

L у

Тцакс Те

v y 2 е где — плотность материала;

Чс — скорость сварки;

d — ширина шва; с — удельная теплоемкость;

L — - теплота плавления;

Т вЂ” начальная температура нагрева;

Т „„„ — температура нагрева изотермы, Т „„ — температура плавления металла; и — коэффициент теплопроводности; е — основание натурального логарифма;

1 — длина urea, Условия сварки обоих швов позволяют создать равномерное распределение по всей длине гаммы структурных зон в соответствии с воздействием температурных полей, определяемых расстоянием исследуемых участков от границы сплавления двух швов.

50

Первоначальный нагрев образца при наложении шва 1 осуществляют с целью установления температурного интервала различных зон термического влияния, расположенных рядом со швом (4-9, фиг.1). Координаты распределегде у — расстояние от оси шва до 20 касательной, проведенной параллельно оси шва к изотерме, в которой температура нагрева соответствует значениям, при которых испытуемый материал не претерпевает каких-либо из- 25 менений и определяется из выражения, ния иэотерм нагрева относительно свив рочной ванны фиксируют термопарами с использованием самопишущих приборов или определяют расчетным путем. После наложения первого шва определяют расстояние от оси шва до изотермы, в которой температура нагрева соответствует значениям, при которых испытуемый материал не претерпевает каких-либо изменений (фиг.1, 3). Этот уровень нагрева определяется обычно температурой низкотемпературного отпуска. Для алюминиевых сплавов он соответствует около 200 С.

Отложив от оси шва 1 по краю образца два этих расстояния, проводят ось шва 3, соединив полученную точку риской с точкой, отстоящей на половину ширины сварочной ванны от края первого area на втором конце образца.

После этого выполняют шов 3 при тех же параметрах процесса, что и в первом случае. Выполнив шов 3 в соответствии с измеренным термическим циклом, полученным при наложении шва

1, основной металл, заключенный между сварными швами, разбивают на фиксируемые участки 10-14, соответствующие определенным температурам.. нагрева между точками: А — 660 С; Б—

600 С;  — 500 C; à — 400 С; Д—

300 С и Š— 200 С. Заштрихованные зоны 15-19, расположенные между точками А, Б, В, Г, Д и Е и ограниченные по бокам касательными к иэотермам температур 660, 600, 500, 400, 300 и 200 С,.претерпевают соответственно нагрев в интервале температур:

15 — 600-660 С; 16 - 500-600 С; 17

400-500 С; 18 - 300-400 С, 19 — 200300 С.

Кривая максимальных температур, расположенная по оси биссектрисы угла, при выполнении шва 1 и затем шва 3 имеет значения температур, соответствующие точкам: А — 600 С;

Б — 600 С;  — 500 С, à — 400ОC, Д вЂ” 300 С и Š— 200 С. Разметив образец между точками А, Б, В, Г, Д, Е на участки 10, 11, 12, 13 и 14 (как показано на фиг.3), производят его порезку и изготовление микро- и макрошлифов для проведения металлографических исследований в начале зоны (20) и в конце (21), образцов для. испытаний на ударный изгиб (2?), для определения сопротивления временному разрыву (23), для определения угла

1479248

1О

25 загиба (24), для определения чувствительности к концентраторам напряжений (25), для определения газосодержания (26). В процессе металлогра— фических исследований устанавливают влияние термического цикла на оплавление эвтектики и рост эвтектических прослоек по границам зерен, укрупнение и сегрегацию вторичнь«х фаз, скопление в микрообъемах растворенных газов и появление пористости и зарождение микротрещин в основном материале, подвергающемся нагреву в процессе наложения сварных швов.

При механических испытаниях определяют уровень потерь основным металлом временного сопротивления разрыву, пластичности, ударной вязкости, твердости, чувствительности к концентраторам напряжений и угла загиба от сварочного нагрева. При этом устанавливают также наиболее слабые участки и те температуры, действию которых они подвергались.

Проведенный комплекс исследований позволяет подготовить заключение о свариваемости и реакции на термический цикл любого конструкционного материала при минимальнь«х затратах средств на такие исследования. Результаты этих исследований могут быть использованы для выбора оптимальных режимов сварки, при разработке маршрутной технологии и выборе режима термической обработки конструкций после сварки, при расчете сварной конструкции на прочность и установлении конструктивных элементов, связанных с определением расстояний между швами, выбором величины утолщения свариваемых кромок и т.д.

Оценку перечисленных свойств основного материала от действия термического цикла сварки можно определить на одном типе образца и при минимальном их количестве. Пример. На плоской пластине сплава 1201 размером 250 х 150 х х 2,0 мм выполняют электронным лучом сквозные проплавления двумя швами. о

Угол между ними, равный 20, определяют расчетным путем через расстояние 1 = 41,9 мм. Проплавы производят на установке А-1084 с энергетическим комплексом мощностью 2,5 кВт и перемещаемой по двум координатам электронно-лучевой пушкой У-729. Плоский образец жестко крепится к неподвиж30

55 ному столу. Перемещение источника нагрева осу«««ест«з««яют вдоль пластины под углом 10 к ее оси на длину

240 мм. При сварке регистрируют следующие параметры: так «уча, ток фокусировки, скорость сварки, температура нагрева на разных удалениях от оси шна. Терм<«пары зачекан««ва«от в сред««е««част««««о д««и««е образца через ка«щь«е 3 мм (! T оси шва. Проплавление выполняют на режиме: ускорякцее напряжение 15 кВ, ток пучка 150 мА, скорость снарки 50 м/ч, диаметр пучка 2,0 мм при расстоянии от торца пушки до поверхности образца 120 мм. Регистрацию температур производят с записью самопишущим прибором Н338-6П, после чего в масштабе чертят изотермы нагрева.

Погре«««ность коорцинаты у по сравнению с расчетной не превышает 47. и длина у составляет 40 мм. Второй проплав осуществляют после охлаждения пластины до комнатной температурь«. Режимы сварки и регистрации параметров идентичны первому проплавлению. После полного остывания пластины производят разметку и порезку ее на шлифы для металлографических исследовании и на образцы для механических испытаний. Исследуют склонность матери ««а при нагреве на образование и рост ширины эвтектических.прослоек по границам субзерен, рекристаллизацию основного металла в зоне термического влияния, формирование и сегрегацию вторичных фаз посредством изучения тонкой структуры на оптическом микроскопе. Распределение фаз и микронесплошностей определяют на анализаторе "Квантимет-720". Твердость измеряют прибором Роквелл. При этом количество микропор в основном металле при расстоянии между швами 5 мм (в зоне 15 ме«кду точками А †) составляет 7-87., при расстоянии между швами !0 мм (в зоне 16 между точками Б-В) — 6-77, между точками В-Г (зона 17) — 4-57., между точками Г-Д (зона 18) — 2-37., между точками Д-Е (зона 19) — менее 1Х.

Проведенные механические испытания образцов, вырезанных из зон 19, 18 и 17, показали, что наиболее высокие свойства имеют образцы в зоне

19, где температура от нагрева при сват«ке второго шва не превышала 300 С.

1479248

Угол загиба на всех образцах был не

О менее 180. Замеры твердости на шли— фах показали, что твердость падает в направлении повышения температуры нагрева от зоны 19 к зонам 15 и 16.

По данному способу испытывали также литейный сплав алюминия АП25, используемый для изготовления поршней двигателей.

На плоской пластине размером 3000 х х 200 х 20 мм из литейного полуфабриката сплава АЛ25, полученного литьем в кокиль, выполняют несквозные проплавления на глубине 15 мм на ус- 15 тановке У-212М с источником питания

У-250А. При этом ускоряющее напряжение соответствовало 30 кВ, ток луча

145 МА, ток фокусировки 74 мА, ско— рость сварки 60 м/ч. Замеры темпе- 20 ратур осуществляют на шести расстояниях от оси шва с промежутком в 5 мм.

Длина швов 300 мм. Расчетным путем определяют угол между швами (равен

25 ). Анализ и оценку свойств произ- 25 водят на образцах, вырезанных из пяти зон. Оптимальные результаты по плотности, химическим и механическим свойствам получены на образцах с расстоянием между швами от 22 до 120 мм, 30 т.е. в зонах 17, 18 и 19.

Практическое испопьзование полученных результатов применили при электронно-лучевой сварке заготовок охлаждаемых поршней дизельных двигателей с размещением круговых параллельных швов в донной части головки поршня для герметизации полости охлаждения. При расстоянии между швами

15 мм стабильно возникали трещины в материале ввариваемой крышки. Выбранная ширина ее в 25 мм исключила появление трещин в процессе сварки на выбранных режимах.

Предлагаемый способ позволяет ус- 45 корить проведение оценки основного материала полуфабрикатов, подлежащих сварке плавлением, снизить материалоемкость образцов за счет значительного уменьшения их количества и определить влияние термического цикла на процессы, происходящие в основном материале заготовки при сварке. При этом значительно экономится материал и трудозатраты на изготов55 ление макетов изделий, на которых ранее определялись и отрабатывались конструктивные элементы и технология сварки.

Формул а изобретения

1. Способ оценки свариваемости материала полуфабрикатов, включающий нагрев образца сварочным источником в процессе выполнения двух сварных швов, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью снижения времени на проведение испытаний, снижения расхода материалов и трудозатрат на изготовление образцов, а также расширения технологических возможностей путем определения влияния термического цикла на процессы, происходящие в металле, сварные швы располагают в одной плоскости образца под углом o(друг к другу, который определяют из следуюцего соотношения:

tg (= 2у/1, где у — расстояние от оси шва до касательной, проведенной параллельно оси шва, к изотерме, в которой температура нагрева соответствует значениям, при которых испытуемый материал не претерпевает каких-либо изменений;

1 — длина шва.

2. Способ по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью определения влияния нагрева в широком диапазоне температур, сварные швы накладывают под углом друг к другу, обеспечивая в вершине угла сходимости касание сварочных ванн двух швов краями одна другой, а расстояние между концами швов устанавливают большим расстояния, при котором изотермы температурных полей не оказывающих влияния на исследуемый материал одного шва, касаются тех же изотерм другого шва.

3. Способ по пп. 1 и 2, о т л и— ч а ю шийся тем, что выполняют сварку первого шва, затем второго в противоположном направлении с промежуточным охлаждением образца до комнатной температуры.

4. Способ по пп. 1-3, о т л и— ч а ю шийся тем, что выполнение сварных швов осуществляют в вакууме, а охлаждение образца производят с контролируемой скоростью.

5. Способ по пп. 1-4, о т л и — . ч а ю шийся тем, что после выполнения швов образец подвергают термической обработке.

1479248 50

6 Гпособ по пп -5отлитем что образць| чающий с ят гке или закалке подвергают или закалк и искусственному старению.

T,"Ñ

70 бО

7 Способ по пи ° отли что рабочую чают и ii с я т -. ч сечении часть о р б а иа раси!тагают -" биссектриссы угла у ювами.

1479248

A 20 22 25 24 25 26 И

Составитель Л. Назарова

Редактор И.Петрова Техред Jl. Сердюкова Корректор И.Муска

Заказ 2484/12 Тираж 895 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101