RU2110379C1

RU2110379C1 - Method of fusion welding of metals and alloys undergone polymorphic transformation

Info

Publication number: RU2110379C1
Application number: RU96106783/02A
Authority: RU
Inventors: В.И. Муравьев; Б.Н. Марьин; В.Н. Войтов; Ю.Л. Иванов; П.В. Фролов; Ю.Д. Богатов
Original assignee: Комсомольское-на-Амуре авиационное производственное объединение
Priority date: 1996-04-03
Filing date: 1996-04-03
Publication date: 1998-05-10

Abstract

FIELD: methods of welding structures from metals and alloys undergone polymorphic transformation; may be used in fabrication of complicated large sheet structures. SUBSTANCE: plastic deformation of weld is carried out both in heating after welding, or in cooling during welding up to temperature 15-20 C below the temperature of allotropic transformation by a value equalling the height of reinforcement and weld penetration above base metal thickness. EFFECT: reduced labor input; increased operating efficiency; extended process potentialities of use of existent equipment for welding of structures; improved mechanical properties of welded joints such as strength, ductility and durability. 2 cl, 1 tbl

Description

Изобретение относится к сварке плавлением в среде защитных газов и может быть использовано при изготовлении сложных крупногабаритных листовых конструкций в машиностроительной, авиационной и космической промышленности. The invention relates to fusion welding in a protective gas environment and can be used in the manufacture of complex large-sized sheet structures in the engineering, aviation and space industries.

Известен способ дуговой сварки [1], при котором одновременно с выполнением сварного шва производят его упрочнение вместе с околошовной зоной путем принудительного воздействия на них роликом. There is a known method of arc welding [1], in which at the same time as performing the weld, it is hardened together with the heat-affected zone by forcing them with a roller.

Недостатком известного способа является то, что деформацию осуществляют в момент, когда металл находится при 400-800^oC, что вызывает необходимость применения значительных усилий и, как следствие, вызывает анизотропию свойств соединения.The disadvantage of this method is that the deformation is carried out at the moment when the metal is at 400-800 ^o C, which necessitates the application of significant efforts and, as a result, causes anisotropy of the properties of the compound.

Наиболее близок к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту способ дуговой сварки [2], при котором с целью уменьшения прикладываемого усилия и повышения качества сварного соединения, воздействие роликом осуществляют на хвостовую часть ванны, а величину деформации усиления шва берут равной 0,75 - 1,0 величины усиления шва при его свободном формировании. The method of arc welding [2] closest to the proposed technical essence and the achieved effect, in which, in order to reduce the applied force and improve the quality of the welded joint, the roller is applied to the caudal part of the bath, and the value of the joint reinforcement strain is taken to be 0.75 - 1 , 0 values of reinforcement of the seam during its free formation.

Недостатками известного способа являются:
1) Степень деформации, равная 0,75 - 1,0 величины усиления шва при его свободном формировании, допускает некоторое превышение усиления сварного шва над основным металлом, что требует дополнительных трудовых затрат для его удаления, особенно в крупногабаритных и сложных конструкциях. Процесс удаления усиления сварного шва нежелателен, во-первых, из-за значительных затрат на охрану труда и технику безопасности и, во-вторых, выносливость после зачистки снижается более чем в два раза по сравнению с выносливостью без зачистки.The disadvantages of this method are:
1) The degree of deformation equal to 0.75 - 1.0 of the value of the weld reinforcement during its free formation allows a certain excess of the weld reinforcement over the base metal, which requires additional labor costs for its removal, especially in large and complex structures. The process of removing the reinforcement of the weld is undesirable, firstly, due to the significant costs of labor protection and safety, and secondly, the endurance after stripping is reduced by more than two times compared with the endurance without stripping.

2) Обжатие хвостовой части сварочной ванны в момент кристаллизации металла не в полной мере реализует улучшение механических характеристик сварного соединения за счет измельчения зерна из-за роста центров кристаллизации. Пластическая деформация металлов сопровождается некоторым повышением их температуры. При этом у металлов и сплавов с высокой температурой плавления и повышенных толщинах свариваемых листовых конструкций увеличивается температурно-временной интервал, при котором происходит интенсивный рост зерна, что снижает эффект улучшения механических характеристик сварного соединения даже при получении достаточного количества центров кристаллизации из-за увеличения теплоотдачи в формирующую подкладку и ролик. 2) Compression of the tail of the weld pool at the time of metal crystallization does not fully realize the improvement of the mechanical characteristics of the welded joint due to grain refinement due to the growth of crystallization centers. Plastic deformation of metals is accompanied by a slight increase in their temperature. Moreover, in metals and alloys with a high melting point and increased thicknesses of welded sheet structures, the temperature-time interval increases during which intensive grain growth occurs, which reduces the effect of improving the mechanical characteristics of the welded joint even when there are a sufficient number of crystallization centers due to an increase in heat transfer in forming lining and roller.

Если прочность сварного шва достигает прочности основного металла, то пластичность сварного шва - ниже. Угол загиба сварного шва соединения составляет не менее 95% угла загиба основного металла. If the strength of the weld reaches the strength of the base metal, then the ductility of the weld is lower. The bend angle of the joint weld is at least 95% of the bend angle of the base metal.

Если отвод теплоты из хвостовой части сварочной ванны позволяет заметно уменьшить ширину зоны сварочных деформаций и тем самым на 20 - 25% снизить общие сварочные деформации конструкции, то значения и распределение остаточных напряжений при этом остаются такими же, как и после обычной сварки. If the heat removal from the tail of the weld pool can significantly reduce the width of the zone of welding deformations and thereby reduce the overall welding deformation of the structure by 20 - 25%, then the values and distribution of residual stresses remain the same as after conventional welding.

3) Обжатие хвостовой части сварочной ванны в момент кристаллизации связано с некоторыми сложностями из-за возможного налипания расплавленного металла на раскатные ролики, особенно при свариваемых толщинах листа около 4 - 5 мм или при сварке тавровых соединений. 3) Compression of the tail of the weld pool at the time of crystallization is associated with some difficulties due to the possible adhesion of molten metal on the rolling rollers, especially when the welded sheet thickness is about 4 - 5 mm or when welding T-joints.

Цель изобретения - снижение трудоемкости изготовления сварных конструкций, повышение механических характеристик и качества, и улучшение технологичности. The purpose of the invention is to reduce the complexity of manufacturing welded structures, increase mechanical characteristics and quality, and improve manufacturability.

Поставленная цель достигается тем, что по предлагаемому способу пластическая деформация сварного шва производится как при нагреве, так и при охлаждении после сварки до температур на 15 - 20^oC ниже температуры аллотропического превращения на величину, равную высоте усиления и проплава над толщиной основного металла. При этом исключается одна из самых трудоемких операций - механическое удаление усиления и проплава сварного шва. Во-вторых, значительно повышаются механические свойства, в особенности пластичность и усталостная прочность сварных соединений металлов и сплавов.This goal is achieved by the fact that according to the proposed method, the plastic deformation of the weld is performed both during heating and during cooling after welding to temperatures of 15 - 20 ^o C below the temperature of allotropic transformation by an amount equal to the height of the gain and melt over the thickness of the base metal. This eliminates one of the most labor-intensive operations - mechanical removal of reinforcement and penetration of the weld. Secondly, mechanical properties, in particular ductility and fatigue strength of welded joints of metals and alloys, are significantly increased.

Литая структура сварного шва существенно снижает его механические характеристики по сравнению с основным металлом. Как холодная, так и горячая пластические деформации не обеспечивают необходимого предела прочности и в особенности пластичности сварного шва. The cast structure of the weld significantly reduces its mechanical characteristics compared to the base metal. Both cold and hot plastic deformations do not provide the necessary tensile strength and especially the ductility of the weld.

Пластическая деформация сварного шва и околошовной зоны в интервале температур аллотропического предпревращения как при нагреве, так и при охлаждении способствует с одной стороны использовать частично эффект сверхпластичности, с другой - эффект термомеханического воздействия при преобразовании структуры в момент аллотропического превращения в сварном шве и околошовной зоне. Эти эффекты позволяют значительно повысить прочность и пластические характеристики шва и околошовной зоны сварного соединения металлов и сплавов по сравнению с этими характеристиками основного металла. Plastic deformation of the weld and heat-affected zone in the temperature range of allotropic pre-transformation both during heating and cooling helps to partially use the superplasticity effect, and on the other hand, the effect of thermomechanical action when transforming the structure at the time of allotropic transformation in the weld and heat-affected zone. These effects can significantly increase the strength and plastic characteristics of the weld and heat-affected zone of the welded joint of metals and alloys compared with these characteristics of the base metal.

Этот эффект улучшения механических свойств (прочность, пластичность, долговечность) проявляется и после холодной пластической деформации и последующих либо горячей деформации, либо термообработки при температурах, близких к температуре аллотропического превращения, с обеспечением скоростного нагрева и охлаждения. This effect of improving the mechanical properties (strength, ductility, durability) also manifests itself after cold plastic deformation and subsequent either hot deformation or heat treatment at temperatures close to the temperature of allotropic transformation, providing high-speed heating and cooling.

По предлагаемому способу сварку неплавящимся электродом непрерывной дугой стыкового соединения из листа толщиной 2 мм титанового сплава ВТ20 в среде аргона производят по режиму: I = 140 А, диаметр вольфрамового электрода 3 мм, V_св = 20 м/ч, u_дуги = 10 В, расход аргона 8 л/мин. Усилие прокатки для деформации на величину высоты усиления сварного шва над толщиной основного металла, устанавливают 1200 - 1500 Н. Прокатку с таким усилением сварного шва и околошовной зоны производят роликом ⌀ 200 мм после охлаждения сварного шва до температуры 940 -980^oC в процессе сварки.According to the proposed method, non-consumable electrode welding of a butt joint from a sheet of 2 mm thick VT20 titanium alloy in argon medium by a continuous arc is performed according to the mode: I = 140 A, tungsten electrode diameter 3 mm, V _cv = 20 m / h, u _arc = 10 V, argon consumption 8 l / min. The rolling force for deformation by the value of the height of the weld reinforcement over the thickness of the base metal is set to 1200 - 1500 N. Rolling with such reinforcement of the weld and the heat-affected zone is performed using a ⌀ 200 mm roller after cooling the weld to a temperature of 940 -980 ^o C during welding.

Усилие прокатки устанавливают 1200 - 1500 Н для деформации сварного шва и околошовной зоны на величину высоты усиления сварного шва над толщиной основного металла после нагрева до температуры 940 - 980^oC электроконтактным способом трансформатором ТОЭСЗ 250/40.The rolling force is set to 1200 - 1500 N for deformation of the weld and heat-affected zone by the height of the weld reinforcement over the thickness of the base metal after heating to a temperature of 940 - 980 ^o C by an electric contact method with a TOESZ 250/40 transformer.

Усилие холодной прокатки сварного шва и околошовной зоны составляет 34000 - 38000 Н. Затем заготовки сварные подвергаются горячей штамповке после электроконтактного нагрева трансформатором ТОЭСЗ 250/40 до температур 940 - 980^oC.The cold rolling force of the weld and the heat-affected zone is 34000 - 38000 N. Then, the welded workpieces are hot stamped after electrical contact heating by a TOESZ 250/40 transformer to temperatures of 940 - 980 ^o C.

После холодной прокатки сварного шва и околошовной зоны с усилием 34000 -38000 Н сварные заготовки подвергают электроконтактному нагреву до температур 940 - 980^oC, выдержке не более 60 с и охлаждению на воздухе.After cold rolling the weld and heat-affected zone with a force of 34000 -38000 N, the welded billets are subjected to electrical contact heating to temperatures of 940 - 980 ^o C, holding no more than 60 s and cooling in air.

Результаты испытаний механических свойств образцов сплава ВТ20 приведены в таблице. The test results of the mechanical properties of VT20 alloy samples are shown in the table.

Полученные результаты подтверждают улучшение качества сварных соединений при сварке по предлагаемому способу. Аналогичные результаты получают при опробовании способа на других материалах. The results obtained confirm the improvement in the quality of welded joints during welding by the proposed method. Similar results are obtained when testing the method on other materials.

Таким образом, пластическая деформация сварного шва и околошовной зоны в интервале температур аллотропического превращения как при нагреве, так и при охлаждении способствует за счет эффектов сверхпластичности термомеханического воздействия в момент образования структуры при превращении значительно увеличить прочность, пластичность и долговечность сварного соединения. Thus, the plastic deformation of the weld and the heat-affected zone in the temperature range of allotropic transformation both during heating and cooling contributes to significantly increase the strength, ductility and durability of the welded joint due to the superplasticity of thermomechanical effects at the time of formation of the structure during the transformation.

Расширяются технологические возможности изготовления сварных конструкций за счет использования имеющегося широко используемого оборудования. За счет исключения операций удаления усиления и проплава сварного шва снижается трудоемкость и улучшаются условия труда, повышаются механические характеристики: прочность, пластичность и долговечность. The technological capabilities of manufacturing welded structures are expanding through the use of existing widely used equipment. Due to the exclusion of operations to remove reinforcement and weld penetration, labor intensity is reduced and working conditions are improved, and mechanical characteristics are increased: strength, ductility and durability.

Claims

1. The method of fusion welding of metals and alloys undergoing polymorphic transformation, including fusion welding, hardening of the seam and the heat-affected zone by forcing them to be hot applied by a roller, heat treatment and final finishing, characterized in that the plastic deformation of the weld and heat-affected zone is made to a thickness base metal at a temperature lower by 15 - 20 ^o With the temperature of the allotropic transformation of the metal and alloy.

2. The method according to claim 1, characterized in that before the hot deformation, cold plastic deformation of the weld and the heat-affected zone is performed.