RU2384396C1

RU2384396C1 - Method of inhibiting growth of cracks in thin sheet material

Info

Publication number: RU2384396C1
Application number: RU2008130800/02A
Authority: RU
Inventors: Юрий Александрович Кузьмин (RU); Юрий Александрович Кузьмин
Priority date: 2008-07-25
Filing date: 2008-07-25
Publication date: 2010-03-20
Also published as: RU2008130800A

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: according to method structure barrier is created on top of crack by means of its local heating, melting and cooling in air till formation of nucleus with monolithic structure of cold metal overlapping crack minimum at value of 1/2 of its diametre; further, cold nucleus is subject to pulse thermo-treatment heating with light current and to cogging for removal of weld tension; also whole process is performed with contact spot or seam welding machine.

EFFECT: invention ensures increased residual durability of structures of thin sheet material out of structural low and medium carbon steel; also it facilitates automating process and expanding its functionality.

3 dwg

Description

Изобретение относится к эксплуатации и ремонту техники, содержащей тонколистовые элементы конструкции с усталостными трещинами. Изобретение может быть использовано при восстановлении авиационной, сельскохозяйственной, автотракторной и другой техники.The invention relates to the operation and repair of equipment containing thin-sheet structural elements with fatigue cracks. The invention can be used in the restoration of aviation, agricultural, automotive and other equipment.

Известны различные способы торможения усталостных трещин путем создания конструктивных барьеров на пути их развития в виде канавок, отверстий в ее вершине либо с помощью структурных барьеров с напряжениями сжатия в зонах, прилегающих к трещине (см. Буренко Л.А. Ремонт сельскохозяйственных машин / Л.А.Буренко, В.Н.Винокуров. - М.: Росагропромиздат, 1991. - 196 с.).There are various methods of braking fatigue cracks by creating structural barriers to their development in the form of grooves, holes in its apex or using structural barriers with compressive stresses in areas adjacent to the crack (see L. Burenko, Agricultural machinery repair / L. A. Burenko, V.N. Vinokurov. - M .: Rosagropromizdat, 1991 .-- 196 p.).

Недостатками известных способов являются снижение прочности путем сокращения живого сечения трещиносодержащей конструкции в результате проведения канавок или высверливания, сложность и низкая производительность реализуемого ими способа, предельно ограниченные функциональные возможности и области применения.The disadvantages of the known methods are the reduction of strength by reducing the living section of the fracture-containing structure as a result of grooves or drilling, the complexity and low productivity of the method they implement, extremely limited functionality and applications.

Наведение сжимающих остаточных локальных напряжений способствует появлению структурных концентраторов напряжений. При переменных нагрузках пластическая деформация развивается в основном металле, а в наклепанной зоне будет накапливаться упругая энергия. При этом могут создаваться условия, облегчающие возникновение и дальнейшее развитие трещины.Guidance of compressive residual local stresses contributes to the appearance of structural stress concentrators. Under variable loads, plastic deformation develops in the base metal, and elastic energy will accumulate in the riveted zone. In this case, conditions can be created that facilitate the occurrence and further development of the crack.

Отмеченные недостатки выявляют малоэффективность и ненадежность способов по торможению роста трещин и повышению остаточной усталостной долговечности листовых элементов конструкций с трещинами из конструкционных, мало- и среднеуглеродистых сталей при переменных нагрузках.The noted drawbacks reveal the inefficiency and unreliability of methods for inhibiting crack growth and increasing the residual fatigue life of sheet structural elements with cracks from structural, low- and medium-carbon steels under variable loads.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ торможения роста усталостных трещин в тонколистовых материалах из конструкционных, мало- и среднеуглеродистых сталей. На пути роста трещин создают структурные барьеры путем локального плавления материала, охлаждения полученного расплава струей жидкого азота, послойного ступенчатого нагрева материала от 150°С до 700°С импульсным лазерным источником (см. авторское свидетельство SU 1787732, кл. A1 B23P 6/00, 15.01.1993).The closest method of the same purpose to the claimed invention in terms of features is a method of inhibiting the growth of fatigue cracks in sheet materials from structural, low- and medium-carbon steels. Structural barriers are created on the growth path of cracks by local melting of the material, cooling of the obtained melt by a stream of liquid nitrogen, stepwise heating of the material from 150 ° С to 700 ° С by a pulsed laser source (see copyright certificate SU 1787732, class A1 B23P 6/00, 01/15/1993).

Недостатками указанного способа-прототипа является сложность технологии торможения роста трещины в тонколистовом материале из конструкционных, мало- и среднеуглеродистых сталей. Это объясняется необходимостью в жидком азоте, требующем безопасного обращения с ним, специальной емкости (сосуда Дьюара) и оборудованного помещения для складирования и хранения, четкого температурного режима послойного обогрева материала с большими интервалами: 150-200°С; 450-500°С; 600-700°С в узких кольцевых зонах; потребностью оптической системы, включающей аксикон и фокусирующую линзу. При малейшем отклонении расчетных данных или температурного режима при термообработке материала и настройке лазерной технологической установки (ЛТУ) есть опасность не получить желаемого результата: равнопрочности обработанного участка с исходным материалом, ибо локальная прочность является концентратором напряжений и трещина через некоторое время может продолжить свой путь в обход структурного барьера, так как он расположен перед вершиной трещины. В связи с изложенным, вершина трещины материала должна быть охвачена структурным барьером, то есть находиться в остывшем расплаве металла.The disadvantages of this prototype method is the complexity of the technology for braking the growth of cracks in sheet material from structural, low- and medium-carbon steels. This is explained by the need for liquid nitrogen, which requires safe handling, a special container (Dewar vessel) and an equipped room for warehousing and storage, a clear temperature regime for layer-by-layer heating of the material at large intervals: 150-200 ° C; 450-500 ° C; 600-700 ° C in narrow annular zones; the need for an optical system including an axicon and a focusing lens. At the slightest deviation of the calculated data or the temperature regime during the heat treatment of the material and the adjustment of the laser processing unit (LTU), there is a danger of not getting the desired result: equal strength of the treated section with the source material, because local strength is a stress concentrator and the crack can continue to bypass after some time structural barrier, as it is located in front of the crack tip. In connection with the foregoing, the crack tip of the material should be covered by the structural barrier, that is, be in the cooled metal melt.

Технология торможения усталостных трещин в тонколистовом материале по способу-прототипу чрезвычайно сложна и ненадежна, ее нельзя автоматизировать и нужно отнести к числу дорогостоящим.The technology for braking fatigue cracks in sheet material according to the prototype method is extremely complex and unreliable, it cannot be automated and must be considered expensive.

Сущность предлагаемого способа заключается в расширении технологической возможности и повышении остаточной долговечности конструкций из тонколистового материала из конструкционных, мало- и среднеуглеродистых сталей.The essence of the proposed method is to expand the technological capabilities and increase the residual durability of structures made of sheet material from structural, low- and medium-carbon steels.

Технический результат - упрощение способа, повышение его производительности, автоматизации процесса, расширение функциональной возможности.The technical result is a simplification of the method, increasing its productivity, process automation, expanding the functionality.

Указанный технический результат при осуществлении способа достигается тем, что в известном способе структурный барьер образуется путем нагрева на ЛТУ и охлаждением его жидким азотом, а в предлагаемом способе создание структурного барьера осуществляется на вершине трещины путем ее локального нагрева, плавления, охлаждения на воздухе до образования ядра с монолитной структурой остывшего металла, перекрывающего трещину как минимум на величину 1/2 своего диаметра, импульсного термообрабатывающего нагрева остывшего ядра малым током и его проковки для снятия сварочных напряжений, при этом весь технологический процесс осуществляют на контактной точечной или шовной сварочной машине.The specified technical result in the implementation of the method is achieved by the fact that in the known method, the structural barrier is formed by heating on LTE and cooling it with liquid nitrogen, and in the proposed method, the creation of the structural barrier is carried out at the top of the crack by local heating, melting, cooling in air to form a core with a monolithic structure of the cooled metal blocking the crack by at least 1/2 of its diameter, pulsed heat-treating heating of the cooled core with low current and its forging to relieve welding stresses, while the entire process is carried out on a contact spot or seam welding machine.

На фиг.1 и 2 представлены деталь 1 с трещиной 2. Для создания на вершине 3 трещины 2 структурного барьера на контактной точечной или роликовой контактной сварочной машине размещают деталь 1 между электродами 4 и 5 для локального нагрева так, чтобы они перекрывали трещину, где расплавленное ядро 6 поглотило бы вершину 3 трещины 2 полностью или частично, по крайней мере, как минимум на величину 1/2 диаметра остывшего ядра.Figures 1 and 2 show detail 1 with a crack 2. To create a crack 2 on top 3 of a crack 2, a part 1 is placed on the contact spot or roller contact welding machine between the electrodes 4 and 5 for local heating so that they overlap the crack where the molten core 6 would absorb the top 3 of crack 2 in whole or in part, at least by at least 1/2 the diameter of the cooled core.

Вершина 3 трещины 2, утопая в расплавленном ванне, исчезает, кристаллизуясь в тонколистовом материале, и, остывая на воздухе до образования ядра, полностью восстанавливается, превращаясь в монолитный металл. Затем сразу проводится импульсный термообрабатывающий нагрев ядра 6 малым током и проковка для снятия сварочных напряжений в точечном ядре нагретого металла.The top 3 of crack 2, drowning in a molten bath, disappears, crystallizing in a sheet material, and, cooling in air until a core is formed, is completely restored, turning into a monolithic metal. Then, a pulsed heat treatment of heating the core 6 with a small current and forging to relieve welding stresses in the point core of the heated metal is immediately carried out.

Полученный структурный барьер, вобрав в себя вершину 3 трещины 2, оказывает мощное препятствие на пути роста трещины 2, так как, лишившись своей вершины 3, трещина 2 заблокирована образованным ядром 6 с монолитной структурой остывшего металла. Острие трещины 2, являющееся сильнейшим концентратором, расплавилось. У трещины 2 появилась новая притупленная вершина. Соответственно снизилась концентрация напряжений в зоне новой вершины трещины 2. В результате эффективно происходит задержка роста усталостных трещин и повышается долговечность тонколистового материала из конструкционных, мало- и среднеуглеродистых сталей при переменных нагрузках.The resulting structural barrier, having absorbed the vertex 3 of crack 2, presents a powerful obstacle to the growth of crack 2, since, having lost its peak 3, crack 2 is blocked by the formed core 6 with a monolithic structure of the cooled metal. The tip of crack 2, which is the strongest hub, has melted. At crack 2, a new blunted peak appeared. Correspondingly, the stress concentration in the zone of the new crack tip 2 decreased. As a result, growth retardation of fatigue cracks effectively occurs and the durability of sheet material made of structural, low- and medium-carbon steels increases under variable loads.

Весь процесс технологической последовательности (плавления трещины 2, охлаждение на воздухе, нагрев термообрабатывающий и проковка) автоматизирован и регулируется плавно контактной точечной сварочной машиной, которая работает в заданном режиме.The whole process of the technological sequence (melting of crack 2, cooling in air, heating, heat treatment and forging) is automated and regulated smoothly by a contact spot welding machine, which operates in a given mode.

Некоторые стали при точечной сварке закаливаются. Их нужно расплавлять в жестком режиме с последующим охлаждением и отпуском в электродах 4 и 5 машины (с циклом электротермообработки) при помощи дополнительного импульса тока менее сварочного (см. фиг.3а), а для металла повышенной толщины цикл термообработки иногда дополняется импульсом дополнительного подогрева (см. фиг.3б). Это облегчает условие работы электродов и улучшает формирование структуры литого ядра 6 и в целом образование надежного структурного барьера, препятствующего росту трещины.Some steels are hardened during spot welding. They need to be melted in hard mode, followed by cooling and tempering in the electrodes 4 and 5 of the machine (with an electrothermal treatment cycle) using an additional current pulse less welding (see Fig. 3a), and for a metal of increased thickness the heat treatment cycle is sometimes supplemented by an additional heating pulse ( see figb). This facilitates the working condition of the electrodes and improves the formation of the structure of the cast core 6 and, in general, the formation of a reliable structural barrier that prevents crack growth.

Рассмотрим достоинства и недостатки прототипа и предлагаемого изобретения:Consider the advantages and disadvantages of the prototype and the invention:

- в прототипе структурный барьер установлен перед вершиной трещины: в таком положении вершина трещины свободна и может повернуть или обогнуть структурный барьер и рост трещины может продолжаться в любом направлении, тогда как в предлагаемом способе вершина 3 трещины 2 расплавлена по крайней мере на половину диаметра остывшего ядра 6, а сама трещина 2 закрепощена структурным барьером в виде остывшего ядра 6 тонколистового материала;- in the prototype, a structural barrier is installed in front of the crack tip: in this position, the crack tip is free and can rotate or go around the structural barrier and crack growth can continue in any direction, while in the proposed method, the top 3 of crack 2 is melted at least half the diameter of the cooled core 6, and the crack 2 itself is enslaved by a structural barrier in the form of a cooled core 6 of sheet material;

- в прототипе охлаждение металла осуществляется жидким азотом (с температурой минус 196°С), к которому предъявляются высокие требования безопасности, необходимы специальная емкость (сосуд Дьюара), склады-хранилища, а в предлагаемом способе охлаждение расплавленного ядра 6 происходит на воздухе и не требуются специальные хранилища и дополнительные операции;- in the prototype, the metal is cooled by liquid nitrogen (with a temperature of minus 196 ° C), which has high safety requirements, a special tank (Dewar vessel), storage warehouses are required, and in the proposed method, the molten core 6 is cooled in air and not required special storages and additional operations;

- в прототипе способ торможения роста усталостных трещин 2 нетехнологичен и практически невозможно механизировать или автоматизировать процесс, как в предлагаемом изобретении;- in the prototype, the method of inhibiting the growth of fatigue cracks 2 is not technologically advanced and it is practically impossible to mechanize or automate the process, as in the present invention;

невозможно или трудно создать послойно температурный режим с большим интервалом на узких кольцевых зонах, обычно нагрев металлических изделий происходит непрерывно и плавно, увеличиваясь или убывая по величине;it is impossible or difficult to create a layer-by-layer temperature regime with a large interval in narrow annular zones; usually, metal products are heated continuously and smoothly, increasing or decreasing in magnitude;

распространенность оборудования для контактной точечной или шовной сварки по сравнению с дорогостоящей дефицитной лазерной установкой обеспечивает доступность способа и низкую себестоимость работы по торможению роста усталостных трещин 2;the prevalence of equipment for contact spot or seam welding compared to an expensive scarce laser unit ensures the availability of the method and low cost of work to inhibit the growth of fatigue cracks 2;

- в предлагаемом способе торможение роста усталостных трещин 2 можно проводить в любых условиях (полевых, цеховых и т.п.), например при ремонте мостов, ферм, каркасов и т.п., с помощью портативных гибких сварочных клещей точечной контактной сварочной переносной машины, что практически невозможно выполнить на ЛТУ с азотным охлаждением разогретого металла, предлагаемым в прототипе.- in the proposed method, the inhibition of the growth of fatigue cracks 2 can be carried out in any conditions (field, workshop, etc.), for example, when repairing bridges, trusses, frames, etc., using portable flexible welding pliers for a spot contact welding portable machine that it is almost impossible to perform on LTU with nitrogen cooling of a heated metal, proposed in the prototype.

Таким образом, способ торможения роста усталостных трещин в тонколистовом материале из конструкционных, мало- и среднеуглеродистых сталей, включающий создание структурного барьера на вершине трещины путем ее локального нагрева, плавления, охлаждения на воздухе до образования ядра с монолитной структурой остывшего металла, перекрывающего трещину как минимум на величину 1/2 своего диаметра, импульсного термообрабатывающего нагрева остывшего ядра малым током и его проковки для снятия сварочных напряжений, при этом весь технологический процесс осуществляют на контактной точечной или шовной сварочной машине.Thus, a method of inhibiting the growth of fatigue cracks in thin-sheet material from structural, low- and medium-carbon steels, including creating a structural barrier at the top of the crack by local heating, melting, cooling in air until a core with a monolithic structure of the cooled metal overlaps the crack at least by 1/2 of its diameter, pulsed heat-treating heating of the cooled core with low current and its forging to relieve welding stresses, while the entire technological The process is carried out on a contact spot or seam welding machine.

Предлагаемый способ торможения роста усталостных трещин в тонколистовых материалах прост, доступен, технологичен, автоматизирован, экономичен и обеспечивает надежное торможение роста трещин.The proposed method of inhibiting the growth of fatigue cracks in sheet materials is simple, affordable, technologically advanced, automated, economical and provides reliable braking of crack growth.

Claims

A method of inhibiting the growth of fatigue cracks in a sheet material from structural low- and medium-carbon steels, including creating a structural barrier to the crack growth path, characterized in that the structural barrier is created at the crack tip by local heating, melting, cooling in air to form a core with the monolithic structure of the cooled metal blocking the crack by at least 1/2 of its diameter, the pulsed heat-treating heating of the cooled core with a small current and its rokovki remover welding stresses, the entire process is carried out on the contact spot or seam welding machine.