Способ испытания образца металла на устранение микротрещин в сварном соединении

 

Способ испытания образца металла на устранение микротрещин в сварном соединении относится к области испытаний и заключается в выполнении на поверхности сварного соединения образца концентратора напряжений в виде надреза, приложении к образцу нагрузки с образованием в вершине концентратора микротрещины, фиксации ее глубины. После этого надрез устраняют, вскрывая на поверхности сварного соединения микротрещину, воздействуют на зону металла в ней импульсной плазмой в вакууме и определяют для каждого конкретного металла режимы воздействия на микротрещину заданной глубины, при которых происходит зарастание ее с поверхности при отсутствии роста вглубь.

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности к испытаниям на устранение микротрещин в сварных соединениях образцов металлов, работающих в условиях вибрации, высоких температур и агрессивных сред, и может быть использовано в технологии ремонта изделий с трещинами в сварном соединении.

Наличие микротрещин на поверхности сварных соединений в изделиях, работающих в экстремальных условиях, нередко приводит к их расползанию вглубь и, в конечном счете, к разрушению изделия. Известным до настоящего времени технологиям по устранению микротрещин в сварных соединениях не удается решить эту актуальную проблему. Связано это с тем, что при "залечивании" микротрещин, например, микроплазмой, лучом лазера или другим способом происходит их дальнейшее распространение вглубь металла, поскольку время продвижения микротрещин значительно меньше времени переплава зоны металла с трещиной.

Решить проблему ликвидации микротрещин возможно при резком сокращении времени переплава за счет мгновенного тепловложения в металл в зоне трещины. Это достижимо при обработке поверхности, где залегает трещина, плазмой с плотностью энергии 10⁵-10⁹ Вт/см² и времени воздействия на металл 10^-7-10^-3с. Этой энергии достаточно для расплавления металла в зоне трещины до момента ее роста. Длительность импульса плазменной струи и плотность ее энергии определяются глубиной залегания трещины. При превышении оптимальных режимов воздействия плазмой начинается рост микротрещины вглубь. Эти режимы должны быть выявлены в каждом конкретном случае экспериментальным путем индивидуально в зависимости от свойств свариваемых материалов.

Для выявления оптимальных режимов импульсного воздействия плазмой на зону металла с микротрещиной на сварных соединениях изделий, работающих в экстремальных условиях, необходимо прежде определить на опытных сварных образцах, какие требуются оптимальные режимы для устранения микротрещин заданной глубины, а затем перенести эти режимы для "залечивания" трещин на изделиях.

Задача изобретения - создание технологии испытания сварного образца металла, позволяющей определить для каждого конкретного металла режимы воздействия плазмой на микротрещину заданной глубины, при которых происходит зарастание ее с поверхности при отсутствии роста вглубь.

Задача решена за счет того, что на поверхности сварного соединения образца выполняют концентратор напряжений в виде надреза, прикладывают к образцу нагрузку с образованием в вершине концентратора напряжений микротрещины, фиксируют ее глубину, устраняют, например, шлифовкой надрез, подвергают импульсному воздействию зону металла с трещиной плазмой в вакууме, а затем определяют оптимальные режимы воздействия плазмой на микротрещину заданной глубины, при которых она зарастает с поверхности и отсутствует ее рост вглубь.

Технический результат - обеспечение устранения микротрещин с поверхности сварного соединения и предотвращение роста их вглубь металла.

Способ, согласно изобретению, осуществляют следующим образом.

Опытный образец выполняют сварным из сплава, предназначенного для работы в экстремальных условиях. Форма образца может быть различной, например, квадратной. На поверхности сварного соединения образца выполняют надрез, являющийся концентратором напряжений, т.е. местом зарождения микротрещины. После этого образец нагружают с целью ее зарождения и выдерживают под нагрузкой заданное время для получения трещины определенной глубины, измеряемой в микронах. Образовавшуюся микротрещину фиксируют на микроскопе, благодаря проникновению в нее наполнителя, и измеряют ее глубину. Получают партию образцов с различными размерами трещин. Надрез удаляют шлифовкой, поскольку для дальнейших испытаний необходимо, чтобы микротрещина выходила на поверхность сварного соединения. Далее каждый образец подвергают импульсному воздействию газовой плазмой. Для этого образец помещают в вакуумную камеру, в которой создают вакуум 10^-1-10^-6 мм рт.ст., образуют газовую плазменную струю и перемещают ее в вакуумной среде до полного взаимодействия с местом "залегания" микротрещины на поверхности сварного соединения образца. Плазма - ионизированное состояние газа, например, водорода, гелия или азота. Создают плазму с помощью устройства с накапливаемой в конденсаторной батарее электрической энергией 20-500 кДж. При разрядке батареи объем газа полностью ионизируется, образуя плотный плазменный поток, который устремляется к трещине со скоростью 100-1000 км/с. Время взаимодействия составляет 10^-3-10^-7с, а плотность энергии струи - 10⁵-10⁹ Вт/см² в зависимости от заданной глубины трещины.

Металлографический анализ образцов показал, что микротрещины после обработки плазменным потоком оказались закрытыми переплавившимся модифицированным слоем металла. Развитие трещин вглубь не наблюдалось. Были определены оптимальные режимы воздействия плазмы на эти образцы, имеющие различные размеры трещин. Для каждого конкретного материала необходимо проводить испытания, описанные выше.

Ниже приведены примеры испытаний образцов сплава на никелевой основе, выполненных с микротрещинами различной глубины. Изделия из данного сплава используются в конструкциях, работающих в условиях вибрации, высоких температур и агрессивных сред.

Пример 1. Опытный образец квадратной формы размером 10х10 мм выполняли из сплава марки ЭП-202 со сварным соединением посредине. На поверхности последнего выполняли надрез - концентратор напряжений, место зарождения микротрещины. На вибраторе образец нагружали до получения микротрещины глубиной 30 мкм. Эту глубину фиксировали на микроскопе по проникновению в нее чернил. Надрез удаляли шлифовкой до появления на поверхности образца микротрещины. Далее образец подвергали импульсному воздействию в вакуумной установке плазмой. Величина вакуума - 1·10^-4 мм рт.ст., рабочий газ - гелий. Струю плазмы направляли на зону металла образца с микротрещиной. Сначала было осуществлено 3 выстрела (импульса) с плотностью энергии в каждом 2,4·10^-6 Вт/см² и временем воздействия каждого выстрела - 1,5·10^-5с, а затем - еще один выстрел плотностью энергии 3,5·10⁶ Вт/см² при том же времени воздействия.

Металлографический анализ показал полное заполнение микротрещины расплавленным металлом и отсутствие распространения ее вглубь образца. Для этого был проведен разрез образца вдоль микротрещины. Испытание данного образца сплава показало, что указанные выше режимы воздействия на микротрещину глубиной 30 мкм можно использовать при "залечивании" микротрещин такой же глубины и меньше на изделиях, изготовленных из сплава ЭП-202.

Пример 2. Испытывали опытный образец той же формы и из того же сплава, что и в примере 1. Глубина трещины составляла 40 мкм. Испытание проводили в вакууме 1·10^-5 мм рт.ст. Было осуществлено 6 выстрелов (импульсов) с плотностью энергии в каждом 2,0·10⁶ Вт/см² и временем воздействия за один выстрел 1,5·10^-5 с. Рабочий газ - гелий.

Металлографический анализ указал на полное заполнение микротрещины расплавленным металлом и отсутствие ее роста вглубь образца. Указанный выше режим импульсного воздействия плазмой на микротрещину можно использовать при "залечивании" микротрещин до 40 мкм на изделиях, изготовленных из того же сплава, что и образец.

При необходимости устранения микротрещин на изделиях, изготовленных из другого сплава, следует выполнить сварные образцы из этого же сплава и провести испытания по описанной выше технологии.

Таким образом, предложенная технология испытания образца металла на устранение микротрещины в сварном соединении позволила "залечить" ее с поверхности и не позволить распространиться вглубь металла, что позволяет использовать эту технологию на реальных изделиях.

Формула изобретения

Способ испытания образца металла на устранение микротрещин в сварном соединении, включающий выполнение на поверхности сварного соединения образца концентратора напряжений в виде надреза, приложение к образцу нагрузки с образованием в вершине концентратора напряжений микротрещины, фиксацию ее глубины, устранение надреза с вскрытием на поверхности сварного соединения микротрещины, импульсное воздействие на зону металла в ней плазмой в вакууме и определение для каждого конкретного металла режимов воздействия на микротрещину заданной глубины, при которых происходит зарастание ее с поверхности при отсутствии роста вглубь.