СПОСОБ СНЯТИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ МЕТАЛЛОВ
METHOD OF DECREASING RESIDUAL STRAIN IN WELDED METAL JOINTS

Предлагаемое изобретение относится к области технологии сварки и служит для снятия остаточных напряжений, возникающих в сварных соединениях в процессе сварки.
При сварке металлов возникают высокие градиенты температур, которые приводят к возникновению остаточных напряжений как термических, так и структурных. Одним из основных источников возникновения остаточных сварных напряжений являются структурные превращения металла шва. Особенно большие остаточные напряжения возникают в тех случаях, когда в металле шва образуются структуры, имеющие высокую температуру превращения аустенита.
Известен способ снятия остаточных напряжений в сварных соединениях путем приложения внешней механической нагрузки. При этом напряжения, вызываемые внешней нагрузкой, складываются с остаточными напряжениями, вызываемыми сваркой, и вызывают местную пластическую деформацию. Пластическая деформация в определенной мере снимает остаточные напряжения или приводит к их перераспределению по поперечному сечению образца [1].
Однако известно, что данный способ снятия остаточных напряжений имеет низкую эффективность и сложность реализации. Установлено, что устранение остаточных напряжений начинается лишь при напряжениях, равных 0,9 предела прочности. При этом возникают новые напряжения, созданные механической нагрузкой.
Известен способ снятия остаточных напряжений в сварных соединениях, включающий применение подогрева при сварке [2]. Подогрев приводит к более равномерному полю напряжений. Напряжения выравниваются тем больше, чем выше температура подогрева.
Недостатком данного способа является неполное снятие остаточных напряжений, так как для полного снятия напряжений температура подогрева должна быть близкой к температуре плавления металла, что практически невозможно.
Наиболее близким к предлагаемому способу снятия остаточных напряжений является способ снятия остаточных напряжений ультразвуком, вводимым в зону сварки через металл стенки свариваемой конструкции [3, 4, 5]. Воздействие ультразвука на сварное соединение приводит к снижению поля напряжений.
Недостатком данного способа является необходимость ввода ультразвука в сварочную ванну через металл стенки свариваемой конструкции, что приводит из-за затухания ультразвука в металле стенки свариваемой конструкции к необходимости ввода ультразвука большей мощности. Кроме того, в металле стенки свариваемой конструкции искажается ультразвуковое поле, излучаемое ультразвуковым преобразователем, поэтому для равномерного воздействия ультразвука на сварочную ванну требуется как минимум два мощных ультразвуковых устройства.
Задачей изобретения является повышение эффективности снятия остаточных напряжений в сварных соединениях.
Указанная задача решается за счет того, что в способе снятия остаточных напряжений в сварных соединениях металлов, включающем внешнее воздействие на сварочную ванну, согласно предложенному способу внешнее воздействие осуществляется непосредственно на расплав металла в сварочной ванне введением через сварочный электрод импульсных ультразвуковых колебаний в диапазоне частот от более 22,7 до 24,0 кГц.
Ультразвуковые колебания, введенные непосредственно в сварочную ванну, оказывают воздействие на процесс кристаллизации металла сварного шва, измельчают зерна металла и повышают однородность структуры. Кроме того, ультразвуковые колебания оказывают влияние на температуру металла, устанавливают тепловое равновесие в решетке. Энергия ультразвука на определенной частоте передается неустойчивым дислокациям кристаллической решетки металла, вследствие чего дислокации занимают более устойчивое положение, что исключает образование градиентов или центров образования областей остаточных напряжений (аналогично отжигу).
Эти явления приводят практически к полному снятию остаточных напряжений в сварных соединениях металлов.
Схема устройства, реализующего данный способ, представлена на рис.1. Устройство содержит ультразвуковой преобразователь 4, подключенный к генератору электрических колебаний 2, режимы работы, которого задаются программным образом контроллером 3. Преобразователь фиксируется на сварочном электроде 5. Таким образом, сварочный электрод является одновременно волноводом ультразвуковых колебаний в сварочную ванну 1. Частота колебаний ультразвукового генератора устанавливается в диапазоне частот от более 22,7 до 24,0 кГц в зависимости от режима сварки.
Устройство работает следующим образом. Ультразвуковой генератор, возбуждающий ультразвуковой преобразователь, включается до начала процесса сварки. Ультразвуковые импульсные колебания передаются в сварочный электрод. При розжиге сварочной дуги ультразвуковые импульсные колебания передаются в расплавленный металл. Под действием ультразвуковых колебаний измельчаются зерна металла сварного соединения и повышается однородность его структуры. Кроме того, дислокации занимают устойчивое положение в кристаллической структуре металла сварного соединения, вследствие чего исключается образование градиентов или центров образования областей остаточных напряжений. Ультразвуковое устройство выключается после завершения процесса сварки.
Источники информации
1. Кудрявцев П.И. Остаточные напряжения и прочность соединений. М.: Машиностроение, 1964 г., стр.66-68.
2. Зелезин В.Н. Деформации и напряжения при сварке конструкционной закаливающей стали. «Автогенное дело», 1952 г., №3.
3. Патент №2280547. Способ снятия остаточных напряжений в сварных соединениях металлов. ОИАТЭ. Трофимов А.И., Минин С.И., Дементьев В.Н. 27 июля 2006 г.
4. Патент №2281192. Способ снятия остаточных напряжений в сварных соединениях металлов. ОИАТЭ. Трофимов А.И., Минин С.И., Дементьев В.Н., Нелюбов С.В. 10 августа 2006 г.
5. Патент №2268312. Способ снятия остаточных напряжений в сварных соединениях циркулярных трубопроводов АЭС и ТЭС. ОИАТЭ. Трофимов А.И., Минин С.И. 20 января 2006 г.