Способ получения изделий и полуфабрикатов из металлов и сплавов

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к изменению свойств металлов и сплавов путем термической обработки в процессе сварки. Сущность изобретения состоит в следующем: при изготовлении изделий из металлов и сплавов термическую обработку осуществляют одновременно со сваркой. Она включает регламентированное охлаждение шва и околошовной зоны; в интервале от температуры на 1100-700^oC ниже температуры кристаллизации металла шва до 750-200^oC охлаждают со скоростью 3-25 град/мин, а соседние с околошовной зоной участки при этом нагревают до температуры на 100-300^oC ниже температуры соответствующего участка шва, охлаждая с той же скоростью. Данный способ может быть использован в машиностроительной области на заводах при изготовлении изделий и полуфабрикатов из металла и сплавов.

Предполагаемое изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в любой отрасли промышленности для получения изделий с помощью сварки.

Известен способ получения изделий и полуфабрикатов методом сварки (см. Г. А. Николаев, С. А.Куркин, В.А.Винокуров. Сварные конструкции. Технология изготовления. Автоматизация производства и проектирование сварных конструкций. М. Высшая школа, 1983, 344 с.).

Недостатком существующего способа является коробление сварной конструкции в процессе охлаждения элементов малых толщин после сварки, а также образование в сваренной конструкции остаточных макронапряжений.

Известен способ получения изделий и полуфабрикатов методов сварки с последующей термической обработкой либо всего изделия в целом, либо его части, которая содержит сварной шов (см. В.А.Винокуров. Сварочные деформации и напряжения, М. Машиностроение, 1968, 228 с.), прототип.

Недостатком известного способа является коробление в процессе охлаждения после сварки изделий, особенно полученных из элементов малых толщин. Причем это коробления не устраняется в процессе проведения термической обработки для снятия макронапряжений.

Предлагается способ получения изделий и полуфабрикатов с помощью сварки и последующей термической обработки, при котором термическая обработка осуществляется одновременно со сваркой и включает регламентированное охлаждение шва и околошовной зоны и нагрев соседних с околошовной зоной участков. Причем, шов и околошовную зону в интервале от температуры на 1100-700^oC ниже температуры кристаллизации металла шва до 250-200^oC охлаждают со скоростью 3-25 град/мин, а соседние с околошовной зоной участки при этом нагревают до температуры на 100-300^oC ниже температуры соответствующего участка шва, охлаждая с той же скоростью.

Отличие предлагаемого способа от прототипа заключается в том, что термическая обработка сварного изделия осуществляется одновременно со сваркой. При этом шов и околошовная зона в интервале от температуры на 1100-700^oC ниже температуры кристаллизации металла шва до 750-200^oC охлаждают со скоростью 3-25 град/мин, а соседние с околошовной зоной участки нагревают до температуры на 100-300^oC ниже температуры соответствующего участка шва и охлаждают с такой же скоростью.

Техническим результатом предлагаемого способа является уменьшение коробления и величины остаточных макронапряжений и, как следствие, увеличение выхода годного.

При изготовлении изделий по предлагаемому способу исключается неконтролируемое охлаждение шва и околошовной зоны после сварки, в процессе которого возникают значительные макронапряжения и происходит коробление. Регламентированное охлаждение (V охл.3-25 град/мин) шва и околошовной зоны в интервале от температуры на 1100-700^oC ниже температуры кристаллизации металла шва до 750-200^oC в совокупности с нагревом соседних с околошовной зоной участков способствует осуществлению процессов ползучести, в результате чего происходит релаксация напряжений и, как следствие, значительное уменьшение коробления.

Нагрев соседних с околошовной зоной участков увеличивает объем металла, в котором осуществляется ползучесть, что сопровождается уменьшением величины остаточных напряжений, а, с другой стороны, сравнительно низкая температура нагрева (на 100-300^oC) ниже температуры соответствующего участка шва) не способствует росту кристаллитов и уменьшению прочности конструкции.

Ограничение параметров предлагаемого способа обусловлено следующим.

Проведение операций сварки и термообработки раздельно сопровождается значительным короблением сварного соединения.

Повышение температуры начала регламентированного охлаждения вызывает рост кристаллитов металла в околошовной зоне и, как следствие, уменьшение прочности сварного соединения.

Понижение температуры конца регламентированного охлаждения при термической обработке вызывает уменьшение пластических характеристик металла шва и околошовной зоны вследствие выделения дисперсных частиц упрочняющих фаз.

Охлаждение со скоростью более 25 град/мин затрудняет релаксацию напряжений, в результате чего увеличиваются коробление и величина макронапряжений, тогда как охлаждение со скоростью менее 3 град/мин сопровождается огрублением структуры околошовной зоны и уменьшением механических свойства.

Предлагаемый способ получения изделий и полуфабрикатов был опробован при сварке листов размером 600х200х1,5 мм из сплава ВТ23, имеющего температуру плавления, равную 1670^oC. Сварку листов проводили с помощью лазерной установки. При осуществлении известного способа (прототипа) листы после сварки подвергали отжигу при 750^oC в течение 30 мин.

Для осуществления предлагаемого способа был изготовлен специальный трехсекционный нагреватель. Центральная секция была предназначена для подогрева сварного шва и околошовной зоны, а боковые секции для нагрева соседних с околошовной зоной участков по обе стороны шва. Причем, температура центральной секции вдоль продольной оси нагревателя изменялась от 950 до 700^oC, а температура боковых секций была на 180^oC ниже температуры центральной секции. Нагреватель был жестко соединен с технологическим лазером. Свариваемые листы после прохождения под технологическим лазером попадали под нагреватель. При этом, скорость перемещения листов и длина нагревателя обеспечивали охлаждение шва со скоростью ≈ 10 град/мин.

После сварки определяли прогиб сваренных пластин и величину макронапряжений. Величину макронапряжений определяли с помощью рентгеновского дифрактометра ДАРН-2.

Проведенные измерения показали, что после осуществления известного способа стрела прогиба сваренных листов была равна 3-4 мм, а уровень остаточных напряжений σ_остост= 200-270 МПа. После осуществления предлагаемого способа стрела прогиба листов не превышала 0,27-0,53 мм, а уровень остаточных напряжений был равен σ_остост=70-100 МПа.

Таким образом, применение предлагаемого способа получения изделий и полуфабрикатов позволяет в ≈10 раз уменьшить коробление сваренной конструкции и в 2-3 раза уменьшить величину остаточных сварочных напряжений по сравнению с известным способом.

Формула изобретения

Способ получения изделий и полуфабрикатов из металлов и сплавов, включающий сварку и последующую термическую обработку, отличающийся тем, что термическую обработку проводят одновременно со сваркой, при этом шов и околошовную зону в интервале от температуры на 1100-700^oC ниже температуры кристаллизации металла шва до 750-200^oC охлаждают со скоростью 3-25 град/мин, а соседние с околошовной зоной участки нагревают до температуры на 100-300^oС ниже температуры соответствующего участка шва и охлаждают с такой же скоростью.