[1]Предлагаемое изобретение относится к области технологии сварки и служит для снятия остаточных напряжений, возникающих в сварных соединениях в процессе сварки.
[2]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.
[3]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].
[4]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.
[5]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.
[6]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.
[7]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.
[8]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.
[9]Задачей изобретения является повышение эффективности снятия остаточных напряжений в сварных соединениях.
[10]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.
[11]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).
[12]Эти явления приводят практически к полному снятию остаточных напряжений в сварных соединениях металлов.
[13]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.
[14]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.
[16]1. Кудрявцев П.И. Остаточные напряжения и прочность соединений. М.: Машиностроение, 1964 г., стр.66-68.
[17]2. Зелезин В.Н. Деформации и напряжения при сварке конструкционной закаливающей стали. «Автогенное дело», 1952 г., №3.
[18]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.
[19]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.
[20]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.
