Способ обработки сварных соединений гидридообразующих металлов Советский патент 1982 года по МПК C22F1/00 C22F1/18 

(54) СПОСОБ ОБРАБОТКИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ГИДРИДООБРАЗУЮЩИХ МЕТАЛЛОВ

Изобрегение огносигся к гермоофа- богке сварных соединений гидридообра: ю щих металлов (например, гитана и его сплавов), преимущественно гонколисговых в металле сварных швов которых имеются газовые включения в виде пор. Известно, что поры в сварных швах активных металлов (титана и его сплавов, в частности) являются опасным дефектом, значительно снижающим предел выносливости сварного соединения и тем самым долговечность свиных конструкций. РОЛЬ пор при этом сводится к концентрации поля напряхшний и снижении пластичности металла вблизи гракицы поры. В результате этого при достижении определенного уровня напряжений начинают развиваться трещины от пор, о чем судят по наличию в изломе усталостных площадок. 1 СтепеньВЛИЯНИЯ пор на долговечность работы сварных соединений зависит от таких факторов, как величина и расположение пор в металле сварного шва, величина активной нагрузки и остаточных сварочных напряжений, а также загазованность металла, окружающего пору. Механизм образования и развития холодных трещин от пор связывеиот с водо- родом.сегрегании которого в зоне пор способствуют развитию микротрещин в результате снижения поверхностной энергии у их вершин. Основньж источником пор при сварке активных металлов является водород, который абсорбируется методом, окружающем пору, при понижении температуры металла шва и в процессе работы сварного соединения. Последнее объясняется тем, чтчэ гидрообразуклцие металлы по огношеншо к водороду 5шляются экзотермическими оклюдерами (растворимость водорода в них увеличиваекя с повгажением температуры). Водород, образуютщй газовые пузьфь- ки и поры в сварных швах активных мв;р таллов, выделяется в основном в результате протекания реакции влаги и металла на торцовых поверхностях свариваемых кромок при нагреве в процессе сварки. Например, + Об абсорбции металлом водорода из поры свидетельствуют результаты замера микротвердости поверхностного слоя металла шва окружающего пору. Так при сварке пластин из сплава ОТ4 толщиной 1,О мм глубина газонасышэнного (навороженного) слоя вокруг поры диаметром О,4 мм составляла 0,175мм,при этом микротвердость металла в этом слое по мере удаления от поверхности поры уменьшилась с 386 кгс/мм до 314 кгс/мм .В определенном слое металла, окружакядем пору, образуется сегрегация (пик) водорода, значительно превращая по концентрации основной металл, Таким образом, снижение концентраци водорода в этой зоне, с целью повышения предела выносливости сварных соедгшений является ванмой технической задачей. Известен способ понижения концентрации водорода в активных металлах путем отжига в вакууме либо в инертном газе. Согласно этому способу полуфабрикаты из титана и его сплавов отжигаются при температуре полного отжига (например, ВТ 1-0 при 57ОС, ОТ4-570 Ср ВТ2О-75О°С в течение 45-12О мин в зависимости от толщины металла L }. Известен также способ обработки сва рного шва, понижающий концентрацию водорода, в сварном шве и сглаживающий пики водорода в околошовной зоне путем нагрева сварной конструкции по режиму полного отжига в вакууме либо в проточном аргоне 2j. Недостатком известных способов явда ется то, что в процессе их реализации не устраняются в требуемой мере пики водо рода в металле шва, окружающего пору. Цель изобретения - снижение степени концентрации водорода в зоне пор. Поставленная цель достигается тем, что нагрев ведут на толщину зоны пор металла до температуры, равной 0,90,95 тйvtпeparypы начала полиморфного превращения металла (сплава) и выдержи вшот при этой температуре в течение времени Т , определяемого из соотношения,, lrrO,5-0,, С| - диаметр пор t - температура нагрева сГ - толщина металла, см. Кроме того, с целью экономии энергии нагревают зону пор радиусом 8-100 , При темперЬтурах выше, устойчивости гидридов (для титана выше 700с) концентрация водорода (И) на границе раздела газ-металл подчиняется закону СиверсаiHhKVp;, где К - коэффициент растворимости, зависящий от температуры; Рц - давление водорода в поре или парциальное давление его в защитной среде, В процессе нагрева металла до температуры выше усгойчивосш гидридов (в противном случае процесс диффузии водорода, связанного в гидриды, происходить не будут) возможен обратный процесс диффузии части водорода из слоя металла, прилежащего к поре в объем этой поры, что объясняется упсыянутым выше характером растворимости водорода в активных металлах. Однако при установившейся температуре нагрева за счет развития процесса концентрационной диффузии десорбции водорода через поверхность изделия начинается процесс откачки водорода из поры и прилежащего к ней слоя металла. Это связано с тем, что парциальное давление водорода в вакууме или инертной газово среде значительно ниже, чем в объеме поры. В математическом аспекте это явление можно рассматривать как процесс концентрационной диффузии газа через металлическую перегородку (расстояние от поверхности поля до поверхности изделия) за счет разности парциальных давлений водорода по обе стороны от перегородки/ следовательно, разности концентраций в поверхностных слоях металла. Конечное давление водорода в поре (значит и концентрация его в поверхностном слое металла, окружающего пору) определится при достижении термодинамического равновесия системы, зависящего от температуры нагрева и величины парциального давления водорода над изделием. Чем выше температура нагрева, тем меньше растворимость водорода в активном металле и. тем больше его лесорбируется через поверхность изделия. Кроме того, учитывая экспоненциальный характер зависимости коэффициента диффузии водорода от температуры, нагрев следует вести при температурах как можно выше. Чем выше температура нагрева, гем быстрее идет процесс ог- качки . Оптимальная величина этой температуры (с учетом допустимости неравномер ности нагрева) находится в пределах 0,9...0,95 Тс - Ь . Эксперименты показали, ч го если установить температу , ру нагрева равной или выше начала полиморфного превращения, то возникает опасность роста зерна т-сходного полуфабриката (участка сварного соединения находящегося за пределами ci- / зоны термического влияния при сварке), Следствием этого является потеря механических свойств металла в зоне нагре- ва. При снижении температуры отжига увеличивается значение остаточной концентрации водорода и возрастает длительность откачки водорода из поры. Экспериментально установлено также, что в зависимости от выбранной оппгк{альной температуры нагрева Т, толщина металла У и диаметра пор (для экстремального случая расположения центра поры на расстоянии от поверхности, равном сГ/2) длительность нагрева С можно определить из соотношения ,5 сг-а frOff-ObUJ,- -г Для одинакового размера пор, центра которых находятся на расстоя 1ии: о г поверхности меньшем, чем {Я/2, величина времени определяемого из этого соотношения, окажется и подавно достаточной. В целях экономии энергии нагрев ведут локально в зоне пор, расположение которой в сварном шве определяется по рентгеновскому снимку. В качестве источником нагрева целесообразно применят расфокусированны или сканированный эл ктронный луч в вакууме, а также нагрев плазменными горелками в инертной среде (например, в аргоне). Учитывая, что часть водорода из при лежащего в поре слоя металла может диффундировать не только к поверхности изделия, но и вглубь металла, то с цель рассредоточения этой части водорода, а .также для создания благоприятных условий для поддержания величины требуемой температуры в зоне активной диффузии и десорбции через поверхность изделия, оп тимальная площадь нагрева вокруг пор должна быть ограничена радиусом R 8-lOcf . Если сварная конструкция подвергает ся отжиму для снятия напряжения, либо отжигу с термофиксацией, то для ускоре ния технологического процесса целесообразно нагрев по предложенному режиму совместить с названными видами термообработки.. Последнее рационально и в том случае, когда количество сварных швов и пор в них сравнительно велико. Испытание предложенного способа производили на сварных соединениях . из титановых сплавов ОТ4 толщиной 1,0 мм и ВТ20 толщиной 2,5 мм. В первом случае диаметр фиксируемых на рентгенограмме пор был порядка 0,4 мм, а во втором- 0,7 мм. Температура начала полиморфного с/. -9 |Ь превращения для ОТ4 составляет 920°С в ВТ20 - 99Cf С (Отсюда задаваемая температура зоны нагрева для ОТ4830-875 0, а для ВТ20 890-940с. Длительность нагрева для ОТ4-3,6 мин, а для ВТ2О-9,б мин. Нагрев производили в течение 4 мин для ОТЗ и 1 О мин для ВТ20, Соответственно зоны нагрева с темпораг/рой в пределах 830-875 С и 890-940 С для этих сплавов соответственно составляла ,9 см и ,5cM, Нагрев образцов проиоводили локально сканирующим лучом в вакууме плазмой, а также общим нагревом в печи электросопротик1епия в гсонтеЛнере с аргоном. ААеталлограЬическими исследованиями не обнаружено в Citoe металла, прилежащем к поре, повышенком концентрации и водорода по сравнен по с основным металлом. Кроме того, по результатам спектрального анализа наблюдалась тенденция снижения исходной концентрации водорода к наиболее значительно для случея нагрева в вакууме (с 0,008вес.% до 0,005-0,006 вес.%. Микротвердость металла вокруг- пор при замерах с нагрузкой 20 г находилась на уровне 310320 кгс/см (в зоне замера шириной до 0,6-0.8 MK-t). Предложенный способ найдет применение при сварке самолетных конструкций ответственного назначения, например изготавливаемых из титана и его сплавов и работающих в условиях циклических нагрузок. Формула изобретения I. Способ обработки сварных соединений .гидридообразуюших метаппов путем нагрева в вакууме или инертной среде, отличающийся тем, что, с цегаью снижения степени концентрации водорода в зоне пор, нагрев ведут локально в зоне пор до температуры равной 0,9-О,95 TQviiieparypu начала полимор кого превращения металла и выдерживают при этой температуре в течение време«и Т , определяемого по формуле С-0,540,0; 5 , d диаметр пор, см; -fe - температура нагрева; (Г - толщина металла, см. 2. Способ по п. 1, отличающий с я тем, что, с целью экономии 9 3 энергии, нагревают зону пор радиусом 8-10 ff . Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Особенности применения титанного сплава ВТУО. Инструкция № 1024-73, ВИАМ, 1973, с. 10. 2. Сварочное производство, 1974, 6, с. гО-12.