СПОСОБ ОЦЕНКИ СВАРИВАЕМОСТИ Российский патент 2021 года по МПК B23K31/12 

Область техники

Заявляемое изобретение относится к области оценки трещиностойкости при сварке. Более конкретно, оценки трещиностойкости сварных соединений в сложнопрофильных конструкциях с всевозможными типами швов: кольцевыми, круговыми, прямолинейными, комбинированными.

Предшествующий уровень техники

Известен способ, на который получено авторское свидетельство SU №390889 «Способ наплавки образцов для оценки свариваемости металлов и сплавов», МПК: В23K 29/00, В23K 9/04, опубликовано 25.07.1973 г; автор В.Г. Хохлов, патентообладатель: Всесоюзный научно-исследовательский институт по монтажным и специальным строительным работам.

Способ наплавки образцов для оценки свариваемости металлов и сплавов, заключающийся в наплавке с заданной погонной энергией валикового шва по оси образца в виде пластины, отличающийся тем, что, с целью уменьшения количества образцов для оценки свариваемости металлов и сплавов при двухдуговой сварке с различными расстояниями между дугами, наплавку двухслойного валикового шва производят одной дугой непрерывно, накладывая второй слой в направлении, противоположном направлению наплавки первого слоя шва.

Признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются образец в виде пластины, наплавка двухслойного шва.

Недостатком данного способа является то, что оценивается влияние только двойного плавления на трещиностойкость металла. При этом проба не является достаточно жесткой, так как сварочные напряжения от двойного шва легко релаксируют после сварки симметрично относительно направления сварки, так как не ограничены дополнительными воздействиями в виде других, в том числе пересекающихся швов. Также заявлен только способ дуговой сварки, не учитывающий возможности других видов сварки.

В качестве аналога выбран способ, на который получено авторское свидетельство SU №281873 «Способ оценки склонности сварных соединений к образованию трещин при высоких температурах», МПК: В23K 29/00, опубликовано 14.09.1970 г; авторы Р.З. Шрон, Л.Э Кречет, патентообладатель: Восточный филиал Всесоюзного научно-исследовательского теплотехнического института им. Ф.Э. Дзержинского.

Способ оценки склонности сварных соединений к образованию трещин при высоких температурах при помощи пробы, в которой элементы из испытуемого материала предварительно приваривают к основе, отличающийся тем, что, с целью повышения уровня растягивающих напряжений в сварном соединении в процессе высокотемпературного старения, основу выбирают из материала с коэффициентом линейного расширения при температуре большим, чем у испытуемого материала.

Признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, является оценка склонности сварных соединений к образованию трещин при высоких температурах при помощи пробы.

Недостатком данного способа является то, что для пробы требуется два вида материала с различными коэффициентами линейного расширения. Искусственно добавляемый новый материал, обеспечивающий дополнительный вклад напряжений, конструктивно не может быть использован в реальной конструкции. Также способ оценки трещиностойкости за счет повышения уровня растягивающих напряжений в сварных швах от материала - основания пробы, реализуется только при высокотемпературном воздействии на пробу и не выполним непосредственно после сварки.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу оценки свариваемости является авторское свидетельство SU №278914 «Способ определения стойкости металла околошовной зоны к образованию горячих трещин»; МПК: В23K 29/00, опубликовано 21.08.1970 г; авторы Г.В. Мартышин, В.Б. Хорошева, Л.И. Губарев, В.М. Матухнов.

Способ определения стойкости металла околошовной зоны к образованию горячих трещин, при котором исследованию подвергают сварные образцы, отличающийся тем, что, с целью снижения трудоемкости исследования образцов, чувствительность исследуемых образцов к образованию горячих трещин повышают путем их термообработки в инертной атмосфере, состоящей из закалки при температуре на 100-150°С выше применяемой при закалке данного сплава в течение 3-5 часов и последующего старения. Сущность способа состоит в следующем. Предварительно повышают чувствительность металла образцов к образованию трещин термической обработкой исходного сплава, состоящей из более высокотемпературной, чем обычно закалки (для данного сплава) и последующего старения. Подготовленные таким образом образцы свариваются встык на медной подкладке при помощи всех подлежащих испытанию видов и режимов сварки. Сваренный образец протравливается в реактиве, используемом для макротравления данного металла. После этого производится подсчет возникших при сварке трещин. Минимальное количество околошовных трещин, приходящееся на 1 см сварного шва, является критерием выбора оптимального режима сварки.

Признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются: оценка свариваемости металла, исследование сварных образцов под микроскопом к образованию трещин на поверхности швов, подсчет трещин на поверхности швов.

Недостатком данного способа является то, что при указанном увеличении порядка 16 крат фиксируются только макротрещины, влияние микротрещин не учитывается. Предложенный способ рассматривает только один вид сварного шва (стыковой круговой или прямолинейный на медной подложке). Склонность к трещинообразованию материала обеспечивается только внутренними ресурсами - охрупчиванием самого материала, при этом не участвуют возможности внешнего повышения растягивающих напряжений, например дополнительных швов. Также применение химического травления для выявления макротрещин в сварном шве усложняет процесс оценки свариваемости материалов, что требует наличия специализированного дополнительного оборудования. Способ реализуем только для термоупрочняемых материалов и является более затратным из-за применения двукратной термической обработки.

Раскрытие изобретения

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является оценка свариваемости более широкого спектра металлов с применением разных видов швов с повышенной точностью с изменениями во времени и с уменьшением энергозатрат.

Технический результат заключается в комбинации сварных швов и их пересечений на одном образце, построение зависимостей количества трещин от шовных зон и времени вылеживания образцов.

Технический результат достигается тем, что в способе оценки свариваемости металла, включающем в себя исследование сварных образцов под микроскопом, на стойкость к образованию трещин на поверхности швов, подсчет трещин на поверхности швов, согласно изобретению, на поверхности плоских образцов наносят комбинацию не пересекающихся и пересекающихся сварных швов, которую разбивают на зоны по количеству плавлений в каждой зоне. В границах каждой зоны подсчитывают количество трещин в швах, строят графики зависимостей распределения количества трещин от номера зоны, определяют коэффициенты аппроксимирующих уравнений, по которым оценивают трещиностойкость и свариваемость металла.

Совокупность существенных признаков обеспечивает получение технического результата, заключающегося в комбинации сварных швов и их пересечений на одном образце, построении зависимостей распределения количества трещин по шовным зонам и в функции времени. Это позволяет решить задачу оценки свариваемости более широкого спектра металлов, разного вида швов и любых видов сварки с повышенной точностью и с изменениями во времени, а также снижение затрат на оборудование и уменьшение энергозатрат.

Краткое описание чертежей.

На фиг. 1 представлена схема расположения двух внутренних сварных швов в форме треугольников и одного наружного сварного шва в форме круга в плоскости образца.

На фиг. 2 представлена схема расположения участков сварных швов, образующих три шовные зоны.

На фиг. 3 в табличном виде приведено количество трещин по каждой из трех шовных зон трех образцов из стали ЗОХГСА, предварительно прошедших три вида термической обработки (закалку, нормализацию и закалку с отпуском), и формульный вид экспоненциальной зависимости распределения количества трещин по трём шовным зонам после каждого вида термообработки.

На фиг. 4 в графическом виде представлены экспоненциальные зависимости распределения количества трещин по трем шовным зонам.

На фиг. 5 в табличном виде приведено суммарное количество трещин по всем шовным зонам образцов в зависимости от времени вылеживания образцов после закалки и отпуска.

На фиг.6 представлены графические и формульные зависимости распределения суммарного по всем шовным зонам количества трещин в функции времени.

Осуществление изобретения

Экспериментальные исследования по оценке трещиностойкости проводят на плоских образцах толщиной 4 мм из стали марки ЗОХГСА в состоянии поставки после нормализации. В данном варианте рассматривают комбинацию пересекающихся сварных швов. Это не исключает использование комбинаций, в которых есть пересекающиеся и непересекающиеся швы.

На поверхности плоских сварных образцов наносят комбинацию пересекающихся внутренних 1, 2 и наружного 3 сварного шва на машине лазерной сварки, как показано на фиг. 1. Наружный шов 3 имеет круговую форму, а внутренние швы 1 и 2 треугольную форму. Точки пересечения этих швов определяют участки этих швов.

Комбинацию трех швов разбивают на три зоны в зависимости от непересекающихся и пересекающихся участков этих швов. Первая зона соответствует непересекающимся участкам швов однократного плавления 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 фиг. 2. Вторая зона, отличающаяся повторным плавлением материала образца, соответствует пересечениям участков швов 5, 7, 9, 11; также 10, 11, 13, 14; также 13, 15, 17, 18; также 4, 6, 7, 8; также 8, 9, 10, 12; также 12, 14, 15, 16 и 16, 17, 19, 20 на фиг. 2. Третья зона, отличающаяся многократным плавлением, соответствует пересечению участков швов 4, 5, 6, 18, 19, 20 на фиг. 2.

По сравнению с прототипом в изобретении разные виды швов (прямолинейный, треугольный, круговой) наносят на один образец. Таким образом, достигают технический результат комбинации сварных швов и их пересечений на одном образце в виде решения задачи оценки свариваемости более широкого спектра металлов с применением разного вида швов и любого вида сварки с уменьшением количества опытных образцов, снижение затрат на оборудование и уменьшение энергозатрат.

В границах каждой зоны подсчитывают количество трещин в швах (фиг. 3) при увеличении до 700 крат при помощи электронного микроскопа. Строят графики экспоненциальных зависимостей изменения количества трещин в различных зонах комбинации швов, как показано на фиг. 4. Затем в процессе вылеживания через заданные промежутки времени подсчитывают количество трещин по зонам или суммарно (фиг. 5) и строят график зависимости количества трещин в функции времени (фиг. 6). Графики строят автоматически в стандартной программе Excel с аппроксимацией экспериментальных точек в виде уравнения зависимости функции (количества трещин) от выбранного аргумента (длительности вылеживания образца). Подобные графики можно построить отдельно для каждой шовной зоны. При этом также задается команда и автоматически для каждого из уравнений подсчитывается величина достоверности аппроксимации R². Это позволяет решить задачу повышения точности оценки свариваемости.

Наилучшей аппроксимирующей кривой распределения количества трещин по шовным зонам принята экспонента (фиг. 3 и фиг. 4). При этом основой характеризации свариваемости по трещиностойкости являются коэффициент А (сомножитель экспоненты) и коэффициент В при показателе степени экспоненты уравнения вида Y=Ae^Bx. Такой вид аппроксимации, судя по весьма высокой тесноте связи экспериментальных точек (фиг. 3) и аппроксимированной линии (фиг. 4) по величине достоверности аппроксимации R² от 0,9695 до 1,0, достаточно точно может охарактеризовать трещиностойкость материала, что подтверждает высокую точность оценки свариваемости.

Определяют коэффициенты уравнения вида Y=Ae^Bx, по которым делают оценку свариваемости металла. Так, коэффициент А соответствует экстраполированному значению при х=0 (мнимая зона) и характеризует степень трещиностойкости. Чем больше значение коэффициента А, тем больше склонность к образованию трещин и хуже свариваемость материала в данном состоянии. В случае трех рассмотренных вариантов (фиг. 3) по степени лучшей свариваемости материалы в зависимости от вида термообработки располагаются в следующем порядке: закалка; нормализация; закалка с отпуском.

Коэффициент В показателя степени экспоненты характеризует влияние повторного плавления металла на интенсивность образования трещин. Для варианта термообработки «закалка, (фиг. 3)» меньшему значению коэффициента А (лучшей свариваемости при меньшем влиянии повторного плавления) соответствует большее по абсолютной величине значение коэффициента В. Значения этих коэффициентов позволяют в количественном выражении решать задачу повышения точности оценки свариваемости применяемого материала при данном виде сварки.

Затем оценивают трещиностойкость сварных швов в функции времени. На фиг. 5 приведена табличная зависимость суммарного по всем шовным зонам количества трещин от времени вылеживания образцов после режима термообработки, включающего только закалку и отпуск.

На фиг. 6 приведен график зависимости количества трещин от времени вылеживания (фиг. 5), аппроксимированный в стандартной программе Excel в виде полиномиальной функции с очень высоким коэффициентом достоверности аппроксимации R²=0,9978. Как видно, при вылеживании в данном интервале времени происходит интенсивный рост количества трещин, что является следствием термоупрочнения стали 30ХГСА и задержанным во времени характером зарождения и развития микротрещин.

Такие расчеты позволяют более точно оценивать свариваемость данного материала при разных видах швов в функции времени.

Достигаемый результат обеспечивается не только наличием известных отличительных признаков, но и зависит от взаимодействия его с другими существенными признаками заявляемого способа, что позволяет ему расширить свои функциональные возможности и обеспечить высокий технический результат.

Так комбинация сварных швов и их пересечений на одном образце позволяет решить задачу оценки свариваемости более широкого спектра как термоупрочняемых, так и не термоупрочняемых металлов, а также возможность применения любых видов сварки.

Применение способа в виде комбинации швов и расширение границ увеличений при анализе позволяет решить задачу снижения затрат на оборудование и уменьшения энергозатрат.

Построение зависимостей количества трещин от шовных зон и времени вылеживания образцов позволяет решить задачу повышения точности оценки свариваемости с учетом изменений во времени.

Расширенная функция, обеспечиваемая отличительными признаками, и получение неожиданного результата от использования этих признаков в совокупности с другими признаками, свидетельствует о соответствии предлагаемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

При проведении анализа уровня техники, включающего поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявлении источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам данного изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».

Промышленная применимость

Предлагаемое техническое решение обеспечивает возможность оценки свариваемости термоупрочняемых и не термоупрочняемых материалов. Это подтверждает промышленную применимость предлагаемого способа. Предложенный способ может быть использован в машиностроении, авиастроении и космической технике, там, где предъявляются высокие требования к оценке свариваемости металла. Предложенный вариант осуществления способа может быть реализован на существующем в настоящее время оборудовании с использованием имеющихся материалов. Это доказывает работоспособность и подтверждает промышленную применимость способа.

Изобретение может быть использовано для оценки трещиностойкости сварных соединений в сложнопрофильных конструкциях со всевозможными типами швов. На поверхность плоских образцов наносят комбинацию не пересекающихся и пересекающихся сварных швов, которую разбивают на зоны по числу плавлений в каждой зоне. В границах каждой зоны подсчитывают количество трещин в швах с помощью микроскопа. Строят графики экспоненциальной зависимости распределения количества трещин от номера зоны. Определяют коэффициенты аппроксимирующих уравнений, по которым оценивают трещиностойкость и свариваемость металла. В зависимости от комбинации сварных швов и их пересечений на одном образце возможно построение зависимостей количества трещин от расположения шовных зон и времени вылеживания образцов. Технический результат заключается в обеспечении с высокой точностью оценки свариваемости широкого спектра металлов с учетом разных видов швов. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ оценки трещиностойкости металла при сварке, включающий исследование сварных образцов под микроскопом на стойкость к образованию трещин путем подсчета трещин на поверхности швов, отличающийся тем, что на поверхность плоских образцов наносят комбинацию не пересекающихся и пересекающихся сварных швов, которую разбивают на зоны по количеству плавлений в каждой зоне, при этом к первой зоне относятся участки швов однократного переплава металла образца, не пересекающиеся с другими швами, ко второй зоне - пересекающиеся участки швов с повторным плавлением металла образца, а к третьей зоне - пересекающиеся участки швов с многократным плавлением металла образца, в границах каждой зоны подсчитывают количество трещин в швах, строят графики вида Y=Ae^Bx экспоненциальной зависимости распределения количества трещин от номера зоны, где коэффициент «А» соответствует экстраполированному значению при х=0 и характеризует степень трещиностойкости, при этом чем больше значение коэффициента «А», тем больше склонность к образованию трещин однократного переплава в металле образца, а коэффициент «В» характеризует влияние повторного плавления металла на интенсивность образования трещин, чем больше значение коэффициента «В», тем больше склонность к образованию трещин повторного переплава в металле образца.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сварные швы выполняют лазерной сваркой.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что комбинация сварных швов представляет собой наружный шов, выполненный в форме круга, и внутренние по отношению к нему швы, расположенные в форме треугольника.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что количество трещин подсчитывают при увеличении до 700 крат.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно определяют количество трещин в зависимости от времени вылеживания образцов, при этом используют построение графиков в функции времени.