close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Трофимов

код для вставкиСкачать
 Трофимов Адольф Иванович
д.т.н., профессор, Заслуженный деятель науки РФ,
академик РАЕН, член президиума РАЕН
Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ, Обнинский институт атомной энергетики (ИАТЭ)
Зав. кафедрой «Автоматика, контроль и диагностика АЭС»
Научный руководитель проблемной лаборатории
«Контроль и диагностика АЭС»
Директор ООО «Научно-производственный центр неразрушающего контроля»
Ультразвуковой метод снятия остаточных напряжений в сварных соединениях металлов и сплавов и повышения прочностных свойств конструкционных материалов
Причины образования остаточных напряжений при сварке
1. Термодеформационные процессы. Температурные деформации, возникающие при затвердевании металла.
2. Физико-химические процессы. В процессе сварки в металле образуются физические и химические неоднородности, которые являются источником внутренних напряжений.
3. Процессы кристаллизации металла. В металле сварного соединения образуются столбчатые кристаллы, на границах которых в процессе эксплуатации возникают межкристаллитные микротрещины.
Распределение остаточных напряжений в сварном соединении
Применяемые методы снятия остаточных напряжений в сварных соединениях
1. Термическая обработка сварных конструкций
Термическая обработка включает в себя следующие стадии: нагрев, выравнивание температуры по длине и сечению конструкции, выдержка при заданной температуре и остывание. При местном отпуске образуются градиенты температур, которые создают собственные остаточные напряжения.
2. Деформационные методы
Основаны на создании в сварном шве и околошовной зоне пластической деформации, противоположной по знаку остаточной сварочной деформации. Особенностью деформационных методов является то, что на отдельных участках сварочного шва остаточные деформации имеют разную величину. Для полного устранения остаточных напряжений отдельным участкам должна быть сообщена деформация разной величины.
Данные методы позволяют снизить уровень остаточных напряжений в околошовной зоне но не устраняют структурную нестабильность металла сварного шва, в результате которой возникают внутренние напряжения и микротрещины.
Ультразвуковое устройство снятия остаточных напряжений:
1 – сварное соединение, 2 – электрод, 3 – держатель, 4 – кронштейн, 5 – ультразвуковой преобразователь, 6 – ультразвуковой генератор.
L
5
1
2 3
4
6
Метод ультразвуковой обработки сварных соединений в процессе сварки
Воздействие ультразвука на процесс кристаллизации металла сварного шва
При введении ультразвука в металл сварного соединения в процессе кристаллизации металла имеет место комплексное действие нескольких факторов, основанных на следующих физических явлениях: 1.
Механическое перемешивание металла. 2.
Кавитация. 3.
Дегазация. 4.
Диспергирование, в результате которого кристаллы распадаются на мелкие частицы, что приводит к устранению столбчатой структуры металла. Воздействие ультразвука на металл околошовной зоны
Механизм воздействия ультразвука на металлы и сплавы в твердом состоянии аналогичен механизму нагрева. Воздействие ультразвука приводит к повышению внутренней энергии металла, возбуждению колебаний решетки, точечных дефектов и активизации «задержанных» дислокаций. При этом температура металла практически не повышается. Поэтому отсутствуют структурные изменения металла. Ультразвуковые колебания металла необходимо рассматривать как разновидность состояния металла. Экспериментальные исследования влияния ультразвука и нагревания на процесс пластической деформации
Воздействие ультразвука вызывает такое же снижение напряжений при растяжении образцов, как и нагревание.
Достижение предела текучести металла достигается при плотности тепловой энергии 10
22
эВ/см
3
, акустической энергии – 10
15
эВ/см
3
.
20
60
20
60
2
4
6
s
, кГ/мм
2
e
, %
1
2
3
4
5
6
7
8
б)
а)
Характеристики зависимости статического напряжения при растяжении образцов из алюминия от воздействий на образцы:
а
– ультразвука различной интенсивности (1 – 0; 2 – 15; 3 – 35; 4 – 50 Вт/см
2
); б
- температуры (5 – 18; 6 – 200; 7 – 400; 8 – 600
°
С) В результате воздействия ультразвука на металл сварных соединений имеют место следующие положительные эффекты:
1.
Снятие остаточных напряжений.
2.
Создание однородной мелкозернистой структуры.
3.
Повышение механических характеристик.
4.
Исключение газовых пор и непроваров. При этом повышается жидкотекучесть металла.
5.
Повышение коррозионной стойкости за счет снижения остаточных напряжений и создания однородной структуры.
Исследование влияния воздействия ультразвука на изменение микроструктуры металла сварных соединений
а б
Изменение микроструктуры сварного соединения образцов 150×100×20 мм стали Х25Т под действием ультразвука:
а- контрольный образец, б- образец, обработанный ультразвуком
Изменение микроструктуры сварного соединения образцов 150×100×20 мм стали Х18Н15Р3 под действием ультразвука:
а- контрольный образец, б- образец, обработанный ультразвуком.
а б
Изменение микроструктуры сварного соединения образцов 150×100×20 мм стали Ст3 под действием ультразвука:
а- контрольный образец, б- образец, обработанный ультразвуком
а б
Изменение микроструктуры сварного соединения образцов 150×100×20 мм стали 08Х18Н10Т под действием ультразвука:
а- контрольный образец, б- образец, обработанный ультразвуком
Автоматизированное ультразвуковое устройство снятия остаточных напряжений в процессе сварки аустенитных труб Ду 300 мм
В Научно-производственном центре неразрушающего контроля (г. Обнинск) разработано и изготовлено автоматизированное ультразвуковое устройство снятия остаточных напряжений, перемещающееся синхронно со сварочным автоматом, с помощью которого на Курской АЭС по штатной технологии выполнены сварные соединения 3-х образцов аустенитных труб ДУ 300 мм: без воздействия ультразвука, с воздействием ультразвука на номинальной мощности и с воздействием ультразвука на мощности 50% от номинальной. Образцы были переданы в НПО «ЦНИИТМАШ» для исследований остаточных напряжений, механических свойств и структуры металла сварных соединений.
Автоматизированное ультразвуковое устройство снятия остаточных напряжений в процессе сварки
Результаты исследований остаточных напряжений, механических свойств и структуры металла сварных соединений аустенитных труб Ду 300 мм, выполненных в НПО «ЦНИИТМАШ»
Для оценки уровня остаточных напряжений использовался метод отверстий. На поверхности труб были наклеены розетки из трех тензодатчиков типа ФКПА-1 и ФКПА-2. Показания датчиков регистрировались до и после сверления с использованием цифрового тензометрического модуля Field Point и программы LabVIEW.
Результаты исследований приведены в таблице. Исследования показали, что и на внешней и на внутренней поверхностях сварного соединения остаточные напряжения устранены практически полностью.
Результаты исследований остаточных напряжений
№ замера
Режим обработки
Зона измерения
s
ос
, МПа
s
окр
, МПа
Примечание
1
без УЗ обработки
Металл шва
, наружная поверхность
118
112
Наплыв снят на высоту 2 мм, диаметр отверстия 2.8 мм
2
без УЗ обработки
Металл шва
, наружная поверхность
166
125
Полное удаление наплыва, диаметр отверстия 5 мм
3
УЗ1
(номинальная мощность)
Металл шва
, наружная поверхность
45
82
Наплыв снят на высоту 2 мм, диаметр отверстия 2.8 мм
4
УЗ1
(номинальная мощность)
Металл шва
, наружная поверхность
3
7
9
6
наплыв снят на высоту 2 мм, диаметр отверстия 2.8 мм
5
УЗ1
(номинальная мощность)
Металл шва
, наружная поверхность
5.4
-0.8
полное удаление наплыва, диаметр отверстия 5 мм
6
УЗ
2
(50% от номинальной мощности)
Металл шва
, наружная поверхность
114
102
полное удаление наплыва, диаметр отверстия 5 мм
7
УЗ1
(номинальная мощность)
Металл шва
, внутренняя поверхность
-27
-37
полное удаление наплыва, диаметр отверстия 2.8 мм
8
Без УЗ обработки
Металл шва
, внутренняя поверхность
65
97
полное удаление наплыва, диаметр отверстия 2.8 мм
Как видно из таблицы остаточные напряжения при воздействии ультразвука на номинальной мощности уменьшились:
На наружной поверхности: осевые с 166 МПа до 5,4 МПа,
окружные с 125 МПа до -0,8 МПа
На внутренней поверхности: осевые с 65 МПа до -27 МПа,
окружные с 97 МПа до -37 МПа
№ п/
п
Диаметр
образца
,
мм
Площадь сечения
,
мм
2
Максимальная нагрузка
,
Н
R
m
,
МПа
Нагрузка
на пределе текучести, Н
R
p02
,
МПа
А
,
%
Z,%
Образцы без УЗ обработки
1
5.89
27.25
12850
471.8
9600
352.2
6.67
21.6
2
5.9
27.34
13760
503.3
9910
362.6
10.0
28.6
Образцы с УЗ обработкой (УЗ1)
3
5.93
27.62
16700
604.6
9750
353.1
45.4
35.7
4
5.92
27.53
16730
607.7
10040
364.7
45.6
38.0
Данные испытаний образов металла сварного соединения на растяжение
Характеристики деформирования образцов, вырезанных из металла шва, сваренного без применения УЗ обработки
Характеристики деформирования образцов, вырезанных из металла шва, полученного с применением УЗ обработки
Внешний вид образцов после испытаний. Верхний образец вырезан из трубы с применением УЗ обработки, нижний из трубы, сваренной по штатной технологии без УЗ.
Как видно из приведенных результатов, относительное удлинение образцов, сваренных с применением ультразвука примерно в 4,5 раза выше, чем образцов без ультразвуковой обработки.
а б
Микроструктура аустенитного металла сварного шва трубопровода Ду 300 мм (сталь 08Х18Н10Т), полученного: а- без воздействия ультразвука, б- с воздействием ультразвука (увеличение 125*).
Результаты исследований ультразвуковой обработки перлитной стали 10Г2БЮ, выполненные в ОАО «Челябинский трубопрокатный завод»
а б
Микрошлифы сварных соединений стали 10Г2БЮ, полученных: а – без воздействия ультразвука, б- с воздействием ультразвука. а б
Микрошлифы сварных соединений стали 10Г2БЮ, полученных: а – без воздействия ультразвука, б- с воздействием ультразвука (увеличение 1000*).
Результаты испытаний на ударный изгиб сварного соединения из перлитной стали 10Г2БЮ
Выводы:
1.
Ультразвуковая обработка в процессе сварки приводит к существенному снижению остаточных напряжений в сварных соединениях металлов и сплавов. 2. Микроструктура металла в зоне сварного соединения при ультразвуковой обработке становится мелкозернистой и однородной.
3. Существенно повышаются механические свойства металла сварного соединения. При испытаниях на разрыв образцы сварного соединения, выполненные без воздействия ультразвука разрушались по металлу шва, образцы, сваренные с применением ультразвуковой обработки, разрушались по основному металлу. Относительное удлинение образцов, сваренных с применением ультразвука, примерно в 4.5 раза выше, чем образцов без ультразвуковой обработки. Ударный изгиб образцов, сваренных с применением ультразвука, происходит при напряжениях в 5,3 раза выше, чем образцов без ультразвуковой обработки.
Направления работ по применению технологии ультразвуковой обработки
1. При формировании корпусов трубопроводной арматуры и их наплавке. В результате воздействия ультразвука на процесс кристаллизации металл корпуса приобретает однородную мелкозернистую структуру, что приводит к повышению прочностных характеристик и срока службы трубопроводной арматуры. 2. В технологии получения функциональных наноматериалов с заданными свойствами.
•
В технологии получения нанокристаллических компактных металлов.
•
В технологии получения композитных материалов на основе эпоксидной матрицы и углеродных наполнителей.
Автор
anagor
Документ
Категория
Презентации
Просмотров
943
Размер файла
13 881 Кб
Теги
трофимов
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа