СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ ЦИРКОНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ
MAKING WELDED JOINTS FROM ZIRCONIUM AND ITS ALLOYS

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к способам изготовления сварных соединений из циркония и его сплавов путем сварки плавлением в защитной среде и последующей обработки сварного шва и зоны термического влияния.
Известен способ изготовления изделий из сплавов на основе циркония, включающий сварку плавлением с последующей термомеханической обработкой зон сварного шва и термического влияния, предварительный отжиг в (альфа+бета)-области циркония при температуре выше 640°C, холодное поверхностное деформирование со степенью обжатия 10-30% и окончательный отжиг в альфа-области циркония при температуре (520-550)°C, причем нагрев проводится в защитной среде (А.с. СССР №424912, C22 1/18, опубл. в 1974 г.).
Данный способ отличается высокой себестоимостью изготовления изделий из сплавов на основе циркония из-за высоких затрат, вызванных необходимостью проведения операций предварительного и окончательного отжигов изделий и холодного деформирования их со степенью обжатия 10-30%. Кроме того, известный способ не обеспечивает требуемую коррозионную стойкость изделий.
Известен способ изготовления изделий из циркония и его сплавов, включающий сварку плавлением в защитной среде, пескоструйную обработку на глубину от 20 до 70 мкм с последующим травлением на глубину от 5 до 20 мкм поверхности сварного шва и зоны термического влияния, последующий отжиг и нанесение окисной пленки (Патент РФ №2043890, опубл. 20.09.1995 г., бюл. №26).
Известный способ изготовления изделий из циркония и его сплавов не обеспечивает снижения себестоимости изготовления изделий и повышения усталостной выносливости (долговечности) металла в условиях эксплуатации из-за дополнительных затрат на пескоструйную обработку изделий с последующим их травлением, дополнительных потерь поверхностного слоя металла, недостаточности деформационной проработки поверхности металла и постепенного накопления повреждений в металле под воздействием циклических нагрузок в процессе эксплуатации изделия.
Процесс постепенного накопления повреждений в металле под действием циклических нагрузок, приводящий к снижению его долговечности из-за образования трещин и разрушений, называют усталостью, а свойства противостоять усталости - выносливостью (B.C.Золоторевский Механические испытания и свойства металлов. - М.: Металлургия, 1974, с. 275).
Наиболее близким аналогом заявляемому техническому решению является известный способ получения сварных соединений циркониевого сплава, включающий подготовку свариваемых кромок к сварке (разделка и обезжиривание), сварку плавлением в защитной среде, зачистку неабразивную и абразивную, травление со съемом металла от 30 до 40 мкм, поверхностную обработку сварного шва и зоны термического влияния путем обкатки роликами в сочетании с последующим отжигом в (альфа+бета)-области циркония и нанесением окисной пленки в пароводяной смеси. (Тюрин В.Н. и др. Влияние пластической деформации и последующего отжига на структуру и коррозионную стойкость сварных соединений циркониевого сплава с 2,5% ниобия - "Сварочное производство", 1976, №5, с.13-15).
Известный способ получения сварных соединений не обеспечивает снижения себестоимости изготовления изделий, повышения усталостной выносливости (долговечности) металла в условиях эксплуатации и требуемой коррозионной стойкости изделий.
Заявляемое изобретение решает задачу снижения себестоимости изготовления изделий, повышения усталостной выносливости (долговечности) металла в условиях эксплуатации и коррозионной стойкости изделий.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления сварных соединений из циркония и его сплавов, включающем подготовку свариваемых кромок к сварке, сварку плавлением в защитной среде, зачистку сварного шва неабразивными материалами, поверхностную обработку сварного шва и зоны термического влияния, последующий отжиг и нанесение оксидной пленки, поверхностную обработку сварного шва и зоны термического влияния осуществляют посредством безабразивной ультразвуковой обработки на глубину 1-150 мкм.
Использование в заявляемом техническом решении для поверхностной обработки сварного шва и зоны термического влияния изделия безабразивной ультразвуковой обработки на глубину 1-150 мкм вместо абразивной обработки, последующего травления и обкатки роликами по наиболее близкому аналогу позволяет снизить себестоимость изготовления сварных соединений на 12-16% за счет исключения из технологического процесса поверхностной обработки сварного шва и зоны термического влияния высокозатратных операций абразивной обработки, травления и обкатки роликами. Кроме того, как было выявлено экспериментально, указанная безабразивная ультразвуковая обработка на глубину 1-150 мкм позволяет повысить усталостную выносливость (долговечность) металла изделия в условиях эксплуатации за счет упрочнения сварного шва и зоны термического влияния изделия путем поверхностной пластической деформации, возникающей под действием безабразивной ультразвуковой обработки поверхности, а также за счет уменьшения накоплений повреждений в металле изделия. Заявляемое техническое решение также позволяет повысить коррозионную стойкость изделий за счет исключения загрязнения поверхности изделия продуктами травления, содержащими фтор-ион.
При анализе патентных и научно-технических источников не выявлено технических решений, обладающих всей совокупностью существенных признаков, заявляемых в настоящем изобретении, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "новизна".
Сравнение заявляемого способа с другими техническими решениями в данной области техники показывает, что известна безабразивная ультразвуковая обработка поверхности металла. Однако сама по себе ультразвуковая обработка поверхности металла не позволяет обеспечить выполнение поставленной задачи. Только сочетание известных и неизвестных существенных признаков в заявленной последовательности позволяет получить новый положительный эффект, заключающийся в значительном снижении себестоимости изготовления сварных соединений из циркония и его сплавов, в повышении усталостной выносливости (долговечности) металла изделий в условиях эксплуатации и в повышении их коррозионной стойкости.
Для проверки заявляемого технического решения была проведена следующая работа. Изготавливали макеты изделий со сварным соединением из труб диаметрами 88×4 мм и 12,0×6,5 мм длиной 100 мм из циркониевого сплава с 2,5% ниобия. Для безабразивной ультразвуковой обработки поверхностей сварного шва и зоны термического влияния опытных технологических каналов использовали установку типа БУФО-0,63-22-10.
Пример 1
На образцах труб диаметром 88×4 мм осуществляли подготовку кромок к сварке путем их разделки и обезжиривания, затем осуществляли электронно-лучевую сварку в вакууме и зачистку сварного шва неабразивными материалами (резцом), затем поверхности сварного шва и зоны термического влияния подвергали безабразивной ультразвуковой обработке на разную глубину 0,9; 1; 75; 150 и 151 мкм, отжигали образцы в вакууме при температуре до 580°C в течение 10-12 часов, а затем подвергали обработке в автоклаве в пароводяной смеси при температуре до 295°C и давлении 90 атм. в течение 120 часов.
Пример 2
На образцах труб диаметром 12,0×6,5 мм осуществляли подготовку кромок к сварке путем их разделки и обезжиривания, затем осуществляли электронно-лучевую сварку в вакууме и зачистку сварного шва неабразивными материалами (резцом), затем поверхности сварного шва и зоны термического влияния подвергали безабразивной ультразвуковой обработке на глубину 1 и 150 мкм, отжигали образцы в вакууме при температуре до 580°C в течение 12 часов, а затем подвергали обработке в автоклаве в пароводяной смеси при температуре до 295°C и давлении 90 атм. в течение 120 часов.
Пример 3
По наиболее близкому техническому решению на образцах труб диаметром 88×4 мм осуществляли подготовку кромок к сварке путем их разделки и обезжиривания, затем осуществляли электронно-лучевую сварку в вакууме, затем зоны сварного шва и термического влияния подвергали неабразивной (резцом) и абразивной обработке на глубину 45 мкм, травлению в азотно-плавиковом растворе на глубину 12 мкм, обкатке роликами, отжигали в вакууме при температуре до 580°C в течение 10-12 часов, затем подвергали обработке в автоклаве в пароводяной смеси при температуре до 295°С и давлении 90 атм. в течение 120 часов.
В ходе проведения данной работы определяли себестоимость изготовления 1 погонного метра изделия, усталостную выносливость (долговечность) металла в условиях эксплуатации и коррозионную стойкость образцов по стандартным методикам.
Результаты исследований приведены в таблице.
Анализ данных, приведенных в таблице, показывает, что заявляемый способ отличается от наиболее близкого аналога и аналога более низкой себестоимостью изготовления сварных соединений из циркониевого сплава (84,3-88,7% у заявляемого изобретения, 100% у наиболее близкого аналога и 102,4% у аналога), более высокой усталостной выносливостью (долговечностью) металла в условиях эксплуатации (109,6-113,2% у заявляемого изобретения, 100% у наиболее близкого аналога и 98,9% у аналога) и более высокой коррозионной стойкостью (соответствие внешнему виду контрольного образца у заявляемого изобретения, не соответствие внешнего вида контрольному образцу у наиболее близкого аналога и у аналога).
Проведение безабразивной ультразвуковой обработки поверхности сварного шва и зоны термического влияния на глубину менее 1 мкм не позволяет повысить до требуемого уровня коррозионную стойкость обработанной поверхности образца.
Проведение безабразивной ультразвуковой обработки поверхности сварного шва и зоны термического влияния на глубину более 150 мкм не приводит к дальнейшему увеличению усталостной выносливости (долговечности) металла, к повышению себестоимости изготовления сварных соединений и коррозионной стойкости обработанной поверхности.
Заявляемый способ опробован в производственных условиях ОАО ЧМЗ при выпуске опытной партии средних частей технологических каналов РБМ-К5 Сб.31 из циркониевого сплава с 2,5% ниобия с положительным результатом.