СПОСОБ ТОРМОЖЕНИЯ РОСТА УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН В ТОНКОЛИСТОВОМ МАТЕРИАЛЕ
METHOD OF INHIBITING GROWTH OF CRACKS IN THIN SHEET MATERIAL

Изобретение относится к эксплуатации и ремонту техники, содержащей тонколистовые элементы конструкции с усталостными трещинами. Изобретение может быть использовано при восстановлении авиационной, сельскохозяйственной, автотракторной и другой техники.
Известны различные способы торможения усталостных трещин путем создания конструктивных барьеров на пути их развития в виде канавок, отверстий в ее вершине либо с помощью структурных барьеров с напряжениями сжатия в зонах, прилегающих к трещине (см. Буренко Л.А. Ремонт сельскохозяйственных машин / Л.А.Буренко, В.Н.Винокуров. - М.: Росагропромиздат, 1991. - 196 с.).
Недостатками известных способов являются снижение прочности путем сокращения живого сечения трещиносодержащей конструкции в результате проведения канавок или высверливания, сложность и низкая производительность реализуемого ими способа, предельно ограниченные функциональные возможности и области применения.
Наведение сжимающих остаточных локальных напряжений способствует появлению структурных концентраторов напряжений. При переменных нагрузках пластическая деформация развивается в основном металле, а в наклепанной зоне будет накапливаться упругая энергия. При этом могут создаваться условия, облегчающие возникновение и дальнейшее развитие трещины.
Отмеченные недостатки выявляют малоэффективность и ненадежность способов по торможению роста трещин и повышению остаточной усталостной долговечности листовых элементов конструкций с трещинами из конструкционных, мало- и среднеуглеродистых сталей при переменных нагрузках.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ торможения роста усталостных трещин в тонколистовых материалах из конструкционных, мало- и среднеуглеродистых сталей. На пути роста трещин создают структурные барьеры путем локального плавления материала, охлаждения полученного расплава струей жидкого азота, послойного ступенчатого нагрева материала от 150°С до 700°С импульсным лазерным источником (см. авторское свидетельство SU 1787732, кл. A1 B23P 6/00, 15.01.1993).
Недостатками указанного способа-прототипа является сложность технологии торможения роста трещины в тонколистовом материале из конструкционных, мало- и среднеуглеродистых сталей. Это объясняется необходимостью в жидком азоте, требующем безопасного обращения с ним, специальной емкости (сосуда Дьюара) и оборудованного помещения для складирования и хранения, четкого температурного режима послойного обогрева материала с большими интервалами: 150-200°С; 450-500°С; 600-700°С в узких кольцевых зонах; потребностью оптической системы, включающей аксикон и фокусирующую линзу. При малейшем отклонении расчетных данных или температурного режима при термообработке материала и настройке лазерной технологической установки (ЛТУ) есть опасность не получить желаемого результата: равнопрочности обработанного участка с исходным материалом, ибо локальная прочность является концентратором напряжений и трещина через некоторое время может продолжить свой путь в обход структурного барьера, так как он расположен перед вершиной трещины. В связи с изложенным, вершина трещины материала должна быть охвачена структурным барьером, то есть находиться в остывшем расплаве металла.
Технология торможения усталостных трещин в тонколистовом материале по способу-прототипу чрезвычайно сложна и ненадежна, ее нельзя автоматизировать и нужно отнести к числу дорогостоящим.
Сущность предлагаемого способа заключается в расширении технологической возможности и повышении остаточной долговечности конструкций из тонколистового материала из конструкционных, мало- и среднеуглеродистых сталей.
Технический результат - упрощение способа, повышение его производительности, автоматизации процесса, расширение функциональной возможности.
Указанный технический результат при осуществлении способа достигается тем, что в известном способе структурный барьер образуется путем нагрева на ЛТУ и охлаждением его жидким азотом, а в предлагаемом способе создание структурного барьера осуществляется на вершине трещины путем ее локального нагрева, плавления, охлаждения на воздухе до образования ядра с монолитной структурой остывшего металла, перекрывающего трещину как минимум на величину 1/2 своего диаметра, импульсного термообрабатывающего нагрева остывшего ядра малым током и его проковки для снятия сварочных напряжений, при этом весь технологический процесс осуществляют на контактной точечной или шовной сварочной машине.
На фиг.1 и 2 представлены деталь 1 с трещиной 2. Для создания на вершине 3 трещины 2 структурного барьера на контактной точечной или роликовой контактной сварочной машине размещают деталь 1 между электродами 4 и 5 для локального нагрева так, чтобы они перекрывали трещину, где расплавленное ядро 6 поглотило бы вершину 3 трещины 2 полностью или частично, по крайней мере, как минимум на величину 1/2 диаметра остывшего ядра.
Вершина 3 трещины 2, утопая в расплавленном ванне, исчезает, кристаллизуясь в тонколистовом материале, и, остывая на воздухе до образования ядра, полностью восстанавливается, превращаясь в монолитный металл. Затем сразу проводится импульсный термообрабатывающий нагрев ядра 6 малым током и проковка для снятия сварочных напряжений в точечном ядре нагретого металла.
Полученный структурный барьер, вобрав в себя вершину 3 трещины 2, оказывает мощное препятствие на пути роста трещины 2, так как, лишившись своей вершины 3, трещина 2 заблокирована образованным ядром 6 с монолитной структурой остывшего металла. Острие трещины 2, являющееся сильнейшим концентратором, расплавилось. У трещины 2 появилась новая притупленная вершина. Соответственно снизилась концентрация напряжений в зоне новой вершины трещины 2. В результате эффективно происходит задержка роста усталостных трещин и повышается долговечность тонколистового материала из конструкционных, мало- и среднеуглеродистых сталей при переменных нагрузках.
Весь процесс технологической последовательности (плавления трещины 2, охлаждение на воздухе, нагрев термообрабатывающий и проковка) автоматизирован и регулируется плавно контактной точечной сварочной машиной, которая работает в заданном режиме.
Некоторые стали при точечной сварке закаливаются. Их нужно расплавлять в жестком режиме с последующим охлаждением и отпуском в электродах 4 и 5 машины (с циклом электротермообработки) при помощи дополнительного импульса тока менее сварочного (см. фиг.3а), а для металла повышенной толщины цикл термообработки иногда дополняется импульсом дополнительного подогрева (см. фиг.3б). Это облегчает условие работы электродов и улучшает формирование структуры литого ядра 6 и в целом образование надежного структурного барьера, препятствующего росту трещины.
Рассмотрим достоинства и недостатки прототипа и предлагаемого изобретения:
- в прототипе структурный барьер установлен перед вершиной трещины: в таком положении вершина трещины свободна и может повернуть или обогнуть структурный барьер и рост трещины может продолжаться в любом направлении, тогда как в предлагаемом способе вершина 3 трещины 2 расплавлена по крайней мере на половину диаметра остывшего ядра 6, а сама трещина 2 закрепощена структурным барьером в виде остывшего ядра 6 тонколистового материала;
- в прототипе охлаждение металла осуществляется жидким азотом (с температурой минус 196°С), к которому предъявляются высокие требования безопасности, необходимы специальная емкость (сосуд Дьюара), склады-хранилища, а в предлагаемом способе охлаждение расплавленного ядра 6 происходит на воздухе и не требуются специальные хранилища и дополнительные операции;
- в прототипе способ торможения роста усталостных трещин 2 нетехнологичен и практически невозможно механизировать или автоматизировать процесс, как в предлагаемом изобретении;
невозможно или трудно создать послойно температурный режим с большим интервалом на узких кольцевых зонах, обычно нагрев металлических изделий происходит непрерывно и плавно, увеличиваясь или убывая по величине;
распространенность оборудования для контактной точечной или шовной сварки по сравнению с дорогостоящей дефицитной лазерной установкой обеспечивает доступность способа и низкую себестоимость работы по торможению роста усталостных трещин 2;
- в предлагаемом способе торможение роста усталостных трещин 2 можно проводить в любых условиях (полевых, цеховых и т.п.), например при ремонте мостов, ферм, каркасов и т.п., с помощью портативных гибких сварочных клещей точечной контактной сварочной переносной машины, что практически невозможно выполнить на ЛТУ с азотным охлаждением разогретого металла, предлагаемым в прототипе.
Таким образом, способ торможения роста усталостных трещин в тонколистовом материале из конструкционных, мало- и среднеуглеродистых сталей, включающий создание структурного барьера на вершине трещины путем ее локального нагрева, плавления, охлаждения на воздухе до образования ядра с монолитной структурой остывшего металла, перекрывающего трещину как минимум на величину 1/2 своего диаметра, импульсного термообрабатывающего нагрева остывшего ядра малым током и его проковки для снятия сварочных напряжений, при этом весь технологический процесс осуществляют на контактной точечной или шовной сварочной машине.
Предлагаемый способ торможения роста усталостных трещин в тонколистовых материалах прост, доступен, технологичен, автоматизирован, экономичен и обеспечивает надежное торможение роста трещин.