RU2683990C1 - Method of obtaining welded metal compounds - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.SUBSTANCE: invention relates to a method of obtaining welded joint of metals during arc welding. Welding is performed with through penetration and in vertical direction in plane perpendicular to axis of welded seam, cyclic vibration oscillations are applied to crystallized metal of welding bath with frequency from 10 to 35 Hz and amplitude from 0.1 to 0.5 mm. Providing continuous through penetration of welded seam without sampling to separate teardrop-shaped elements. Vibration oscillations are applied after welding is completed during 5 minutes. Vibration oscillations are applied by at least two vibrating devices arranged symmetrically relative to the seam axis on each of two welded edges. Vibrators operate in one phase or in counter phase. Two additional vibrators are used for welding of structures with significant longitudinal dimensions.EFFECT: technical result consists in obtaining maximum values of static and fatigue strength, as well as reduced consumption of material while maintaining effective removal of residual stresses in weld joint, grinding grain, obtaining homogeneous chemical composition of weld and reduced formation of pores in weld seam.6 cl, 3 dwg, 1 ex

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к области технологии сварки, в частности к способу получения сварного соединения металлов в процессе дуговой сварки со сквозным проплавлением, например, при сварке на весу или при сварке на подкладке с канавкой, с сопутствующим наложением на кристаллизующийся металл сварочной ванны циклических вибрационных колебаний, и может быть использовано для изготовления ответственных сварных конструкций.The invention relates to the field of welding technology, in particular to a method for producing a welded joint of metals during arc welding with through penetration, for example, when welding on weight or when welding on a lining with a groove, with the accompanying superposition of cyclical vibrational vibrations on the crystallized metal of the weld pool, and can be used for the manufacture of critical welded structures.

Уровень техникиState of the art

Для стыковых сварных соединений ответственных сварных конструкций, как правило, требуется сквозное проплавление, то есть проплавление на всю толщину: при этом достигается максимальные значения статической и усталостной прочности, а также снижается расход материала. Действительно, статическая прочность сварного соединения определяется наиболее ослабленной его частью, которой является сварной шов, поэтому уменьшение глубины проплавления приведет к уменьшению площади действия прилагаемых сил, а, следователь, к уменьшению максимального усилия, которое выдержит соединение без разрушения. С другой стороны, обеспечение гарантированной глубины проплавления позволяет уменьшить толщины свариваемых заготовок, по сравнению со случаем, когда полного проплавления не обеспечивается, а, следовательно, снизить расход металла. Кроме того, при сквозном проплавлении отсутствует концентратор напряжения при корне шва, который значительно снижает усталостную прочность сварного соединения.For butt welds of critical welded structures, through penetration, that is, penetration through the entire thickness, is usually required: the maximum values of static and fatigue strength are achieved, and the material consumption is also reduced. Indeed, the static strength of the welded joint is determined by the most weakened part of it, which is the weld, therefore, a decrease in the penetration depth will lead to a decrease in the area of action of the applied forces, and, consequently, to a decrease in the maximum force that can withstand the joint without breaking. On the other hand, providing a guaranteed penetration depth allows to reduce the thickness of the welded workpieces, compared with the case when complete penetration is not provided, and, consequently, to reduce the consumption of metal. In addition, during through penetration there is no stress concentrator at the root of the seam, which significantly reduces the fatigue strength of the welded joint.

Для обеспечения сквозного проплавления применяют подкладки с формирующими канавками, располагающиеся со стороны корня шва сварного соединения. В ряде случаев (отсутствие доступа, сложность в обеспечении равномерного теплосъема криволинейных поверхностей и т.д.) применяется сварка на весу. И при сварке с применением формирующей канавки на подкладке, и при сварке на весу, подбор требуемых параметров режима сварки приводит к обеспечению сквозного проплавления и формирования с обратной стороны шва, то есть со стороны корня, требуемого усиления. Причем, обеспечение надежного, постоянного на всем протяжении сварного шва сквозного проплавления, что выполнимо при наличии некоторого усиления с обратной стороны, особенно важно для расчетных сварных соединений, с небольшим коэффициентом запаса, а также для герметичных сварных соединений.To ensure through penetration, linings with forming grooves are used, located on the side of the root of the weld joint. In some cases (lack of access, difficulty in ensuring uniform heat removal of curved surfaces, etc.), welding by weight is used. And when welding using a forming groove on the lining, and when welding on weight, the selection of the required parameters of the welding mode leads to through penetration and formation from the back of the seam, that is, from the root side, the required reinforcement. Moreover, the provision of reliable, constant throughout the weld through penetration, which is feasible in the presence of some reinforcement on the reverse side, is especially important for design welds with a small margin, as well as for sealed welds.

При дуговой сварке металлов происходит резкий и неравномерный нагрев энергией движущейся дуги, а также неравномерное и быстрое последующее остывание по мере распространения теплоты в массе изделия. Температурные расширения и сокращения металла сопровождаются временными деформациями и соответствующими им напряжениями. При достижении напряжениями предела текучести, значение которого понижается при повышенных температурах, происходит пластическая деформация. При последующем остывании, пластически деформированные участки сварного соединения, а именно зона термического влияния и прилегающая зона основного металла, ограничивают при остывании возможность возвращения формы и размеров сварной конструкции к состоянию до сварки: это является одной из причин возникновения остаточных напряжений. Неравномерная кристаллизация металла сварного шва, начинающаяся от зоны сплавления, и продолжающаяся растущими внутрь сварного шва и, впоследствии, соединяющимися между собой, кристаллитами в твердо-жидкой кристаллизующейся ванне, препятствует сокращению объема вследствие литейной усадки оставшейся жидкой составляющей: это является другой из причин возникновения остаточных напряжений. При наличии структурных превращений в металле шва, они также являются источником остаточных напряжений: если при определенной, критической температуре происходят фазовые превращения металла, связанные с изменением его объема, то зоны сварного соединения, не претерпевшие структурные превращения, препятствуют изменению объема зонам со структурными превращениями: это является третьей из возможных причин возникновения остаточных напряжений. Таким образом, термодеформационный цикл дуговой сварки приводит к возникновению остаточных напряжений, которые могут значительно понижать усталостную прочность, коррозионную стойкость, способность конструкции выдерживать рабочие нагрузки, а также приводить к нестабильности размеров и формы с течением времени вследствие «старения», то есть вследствие релаксации части остаточных напряжений (Сагалевич В.М., Савельев В.М. Стабильность сварных соединений и конструкций. - М.: Машиностроение, 1986. - 264 с.; Стрельников И.В., Пономарев К.Е. К вопросу применения вибрационной обработки сварных конструкций космических аппаратов для повышения точности и размерной стабильности. Обзор. // Вестник НПО им. С.А. Лавочкина. 2017. №4 (38). С. 89-95.).During metal arc welding, sharp and uneven heating by the energy of a moving arc occurs, as well as uneven and rapid subsequent cooling as heat spreads in the mass of the product. Thermal expansion and contraction of the metal are accompanied by temporary deformations and their corresponding stresses. When stresses reach the yield strength, the value of which decreases at elevated temperatures, plastic deformation occurs. During subsequent cooling, plastically deformed sections of the welded joint, namely, the heat-affected zone and the adjacent zone of the base metal, limit the possibility of cooling the shape and dimensions of the welded structure back to the state before welding: this is one of the causes of residual stresses. Uneven crystallization of the weld metal, starting from the fusion zone, and continuing to grow inside the weld and subsequently interconnected by crystallites in the solid-liquid crystallizing bath, prevents the volume reduction due to casting shrinkage of the remaining liquid component: this is another reason for the residual stresses. In the presence of structural transformations in the weld metal, they are also a source of residual stresses: if, at a certain critical temperature, phase transformations of the metal occur, associated with a change in its volume, then the welded joint areas that have not undergone structural transformations prevent the volume change from the zones with structural transformations: this is the third of the possible causes of residual stresses. Thus, the thermo-deformation cycle of the arc welding leads to the appearance of residual stresses, which can significantly reduce the fatigue strength, corrosion resistance, the ability of the structure to withstand working loads, and also lead to instability of size and shape over time due to “aging”, that is, due to relaxation of the part residual stresses (Sagalevich V.M., Savelyev V.M. Stability of welded joints and structures. - M .: Mashinostroenie, 1986. - 264 p .; Strelnikov I.V., Ponomarev K.E. To the question the use of vibration processing of welded structures of spacecraft to improve accuracy and dimensional stability. Overview. // Bulletin of the NPO named after SA Lavochkin. 2017. No. 4 (38). P. 89-95.).

Известны несколько методов частичного снятия напряжений в готовых сварных соединениях. Основными из них являются термическая обработка и приложение внешней механической нагрузки.Several methods are known for partial stress relieving in finished welded joints. The main ones are heat treatment and the application of an external mechanical load.

Известен способ снятия остаточных напряжений, заключающийся в нагреве до 600-650°C с последующим медленным охлаждением. При температуре нагрева 600°С и последующей выдержке 5 часов происходит уменьшение тангенциальных растягивающих напряжений на 42%, при выдержке 6 часов - на 52% (Кудрявцев П.И. Остаточные напряжения и прочность соединений. М.: Машиностроение, 1964, стр. 66-68). Применяется также «местный нагрев» (Винокуров В.А. Сварочные деформации и напряжения. - М.: Машиностроение, 1968. - 236 с.), так, например, на некотором расстоянии от сварного шва, где происходит опасная для конструкции концентрация остаточных напряжений и сложение их с напряжениями от рабочей нагрузки, производят местный локальный нагрев детали кислородно-ацетиленовой горелкой до температуры 700°С. Недостатком являются большая длительность процесса, необходимость наличия сложного и громоздкого оборудования, наличие заводских условий для проведения процесса.A known method of relieving residual stresses, which consists in heating to 600-650 ° C followed by slow cooling. At a heating temperature of 600 ° C and subsequent holding for 5 hours, the tangential tensile stresses are reduced by 42%, while holding for 6 hours - by 52% (Kudryavtsev P.I. Residual stresses and joint strength. M .: Mashinostroenie, 1964, p. 66 -68). "Local heating" is also used (VA Vinokurov. Welding strains and stresses. - M .: Mashinostroenie, 1968. - 236 p.), For example, at a certain distance from the weld, where the concentration of residual stresses dangerous for the structure occurs and adding them to the stresses from the workload, local local heating of the part with an oxygen-acetylene burner to a temperature of 700 ° C is carried out. The disadvantage is the long duration of the process, the need for complex and bulky equipment, the presence of factory conditions for the process.

Известен способ снятия остаточных напряжений, заключающий в подогреве при сварке. Подогрев приводит к более равномерному полю напряжений вследствие снижения напряжений растяжения в околошовной зоне. Напряжения выравниваются тем больше, чем выше температура подогрева. Недостаток в том, что для полного снятия остаточных напряжений температура подогрева должна быть близкой к температуре плавления металла, что практически невозможно. Кроме того, подогрев в процессе сварки требует больших затрат энергии.A known method of relieving residual stresses, which involves heating during welding. Heating leads to a more uniform stress field due to a decrease in tensile stresses in the heat-affected zone. The stresses equalize the more, the higher the heating temperature. The disadvantage is that in order to completely remove residual stresses, the heating temperature should be close to the melting temperature of the metal, which is practically impossible. In addition, heating during the welding process requires a lot of energy.

Известен также способ, в котором остаточные напряжения снимаются при напряжениях изгиба и кручения, равных 0,9 предела выносливости (Винокуров В. А. Сварочные деформации и напряжения. - М: Машиностроение, 1968. - 236 с.). Недостатком данного метода является ухудшение пластических свойств сварного шва, исчерпывание его способности к пластической деформации. Кроме того, полное устранение остаточных напряжений происходит при напряжениях, превышающих предел выносливости. Также, снятие остаточных напряжений наблюдается только при продольных нагружениях. При деформациях изгиба эффект снятия напряжений отсутствует.There is also known a method in which residual stresses are removed at bending and torsion stresses equal to 0.9 endurance limit (V. Vinokurov. Welding strains and stresses. - M: Mechanical Engineering, 1968. - 236 p.). The disadvantage of this method is the deterioration of the plastic properties of the weld, the exhaustion of its ability to plastic deformation. In addition, the complete elimination of residual stresses occurs at voltages exceeding the endurance limit. Also, the removal of residual stresses is observed only with longitudinal loads. With bending deformations, the effect of stress relieving is absent.

Известен способ снятия остаточных напряжений низкочастотной вибрационной обработкой, в котором применяется портативное вибрационное устройство дебалансного типа (Сутырин Г.В. Снижение остаточных напряжений сварных соединений низкочастотной вибрационной обработкой // Сварочное производство. - 1983. - №2. - С. 22-24). Метод уменьшения остаточных напряжений путем приложения внешней механической нагрузки заключается в том, что напряжения, вызываемые внешней нагрузкой, складываются с остаточными напряжениями, вызываемыми сваркой, и вызывают местную пластическую деформацию в местах наибольших остаточных напряжений. Пластическая деформация в определенной степени снимает остаточные напряжения или приводит к их перераспределению по поперечному сечению соединения. Применяется также воздействие переменных нагружений. Установлено, что уменьшение остаточных напряжений начинается при напряжениях, превышающих 0,7 предела выносливости детали. Однако вибрационная обработка здесь предусмотрена после процесса сварки, что приводит к недостаточной эффективности снятия остаточных напряжений, т.к. не может существенно влиять на структурные превращения в сварном шве и околошовной зоне, а также на литейную усадку, возникающую, в том числе, начиная с твердо-жидкого состояния сварного шва.A known method of relieving residual stresses by low-frequency vibration processing, which uses a portable vibrational device of an unbalanced type (Sutyrin G.V. Reducing the residual stresses of welded joints by low-frequency vibration processing // Welding production. - 1983. - No. 2. - P. 22-24) . The method of reducing residual stresses by applying an external mechanical load is that the stresses caused by the external load add up to the residual stresses caused by welding and cause local plastic deformation in the places of the highest residual stresses. Plastic deformation relieves residual stresses to a certain extent or leads to their redistribution over the cross section of the joint. The effect of variable loads is also applied. It is established that the reduction of residual stresses begins at voltages exceeding 0.7 of the endurance limit of the part. However, vibration processing is provided here after the welding process, which leads to insufficient efficiency of removing residual stresses, because cannot significantly affect the structural transformations in the weld and heat-affected zone, as well as the casting shrinkage that occurs, including, starting from the solid-liquid state of the weld.

Известен снятия напряжений, включающий наложение циклической вибрационной нагрузки на сварной шов в процессе сварки (Pat. 6223974 USA Trailing edge stress relief process (TESR) for welds / Madhavji A. - Publ. 01.05.2001). Дополнительные напряжения создается с помощью пневматического вибратора. Однако данный способ предусматривает наложение циклической нагрузки в хвостовую часть сварочной ванны в поперечном направлении в плоскости, перпендикулярной оси сварного шва, что не может обеспечить значительное снижение остаточных напряжений, поскольку наиболее эффективно на снятие напряжений влияют колебания, прикладываемые в вертикальном направлении в плоскости, перпендикулярной оси сварного шва. Также данный способ требует наличия механизма перемещения вибратора, синхронизированного с механизмом перемещения сварочной горелки, что с практической точки зрения ограничивает его применение только механизированными способами сварки.Known stress relieving, including the imposition of a cyclic vibrational load on the weld during the welding process (Pat. 6223974 USA Trailing edge stress relief process (TESR) for welds / Madhavji A. - Publ. 01.05.2001). Additional voltage is created using a pneumatic vibrator. However, this method involves applying a cyclic load to the tail of the weld pool in the transverse direction in a plane perpendicular to the axis of the weld, which cannot provide a significant reduction in residual stresses, since the most effective stress relieving effects are vibrations applied in the vertical direction in the plane perpendicular to the axis weld. Also, this method requires a vibrator moving mechanism synchronized with the welding torch moving mechanism, which from a practical point of view limits its use only by mechanized welding methods.

В качестве прототипа принят способ снижения остаточных напряжений в сварных соединениях металлов, включающий наложение на кристаллизующийся металл сварочной ванны циклических вибрационных колебаний, в вертикальном направлении в плоскости, перпендикулярной оси сварного шва (RU 2424885 Способ снижения остаточных напряжений в сварных соединениях металлов). Для наложения циклической нагрузки используют, по меньшей мере, два вибратора, работающих в противофазе и расположенных симметрично относительно оси шва на каждой из двух свариваемых кромок.As a prototype, a method has been adopted for reducing residual stresses in welded joints of metals, including applying cyclic vibrational vibrations to the weld pool of crystallized metal in a vertical direction in a plane perpendicular to the axis of the weld (RU 2424885 Method for reducing residual stresses in welded joints of metals). At least two vibrators working in antiphase and located symmetrically relative to the axis of the seam on each of the two welded edges are used to impose a cyclic load.

Поскольку в данном способе применяются колебания, прикладываемые в вертикальном направлении в плоскости, перпендикулярной оси сварного шва, это обеспечивает эффективное снятие остаточных напряжений. Однако, данный способ предусматривает осуществление колебаний на частотах от 50 до 300 Гц, что обеспечивает оптимальное снятие остаточных напряжений, однако, в случае дуговой сварки со сквозным проплавлением, например, при сварке на весу или при сварке на подкладке с канавкой, может приводить к дискретному проплаву сварного шва, когда проплав распадается на отдельные каплевидные элементы. Тем самым, не обеспечивается надежное, постоянное на всем протяжении сварного шва сквозное проплавление, и, следовательно, поскольку не выполняется некоторое гарантированное усиление с обратной стороны. Все это может приводить к отказам ответственных сварных конструкций с расчетными сварными соединения, имеющими небольшой коэффициент запаса, а также к негерметичности сварных соединений, имеющих требования к герметичности. Кроме того, поскольку не выполняется некоторое гарантированное усиление с обратной стороны на всем протяжении сварного шва, для расчетных сварных соединений необходимо увеличивать толщины заготовок, что приведет к увеличению расхода металла.Since this method uses vibrations applied in the vertical direction in a plane perpendicular to the axis of the weld, this ensures effective removal of residual stresses. However, this method provides for oscillations at frequencies from 50 to 300 Hz, which ensures optimal removal of residual stresses, however, in the case of arc welding with through penetration, for example, when welding on weight or when welding on a lining with a groove, it can lead to discrete melt the weld when the melt breaks up into individual teardrop-shaped elements. Thereby, reliable, constant through penetration throughout the entire weld is not ensured, and therefore, since some guaranteed reinforcement is not achieved from the reverse side. All this can lead to failures of critical welded structures with design welded joints having a small safety factor, as well as to leakages of welded joints having tightness requirements. In addition, since some guaranteed reinforcement is not performed on the reverse side throughout the weld, for design welds it is necessary to increase the thickness of the workpieces, which will lead to an increase in metal consumption.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является улучшение характеристик сварного соединения и повышение эксплуатационных свойств ответственных сварной конструкции.The task to which the invention is directed is to improve the characteristics of the welded joint and increase the operational properties of the responsible welded structure.

Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого изобретения - получение максимальных значений статической и усталостной прочности, а также снижение расхода материала, при сохранении эффективного снятия остаточных напряжений в сварном соединении, измельчения зерна, получения однородного химического состава сварного шва и пониженного образования пор в сварном шве.The technical result obtained by the implementation of the claimed invention is to obtain maximum values of static and fatigue strength, as well as reducing material consumption, while maintaining effective removal of residual stresses in the welded joint, grinding grain, obtaining a uniform chemical composition of the weld and reduced pore formation in the weld.

Технический результат достигается тем, что на кристаллизующийся металл сварочной ванны в вертикальном направлении в плоскости, перпендикулярной оси сварного шва, осуществляют наложение циклической нагрузки посредством вибрационных колебаний, причем колебания осуществляются с частотой от 10 до 35 Гц и амплитудой от 0,1 до 0,5 мм, при которых обеспечивается постоянное на всем протяжении сварного шва сквозного проплавления, без дискретизации проплава на отдельные каплевидные элементы.The technical result is achieved in that a cyclic load is applied to the crystallizing metal of the weld pool in a vertical direction in a plane perpendicular to the axis of the weld by vibrational vibrations, the vibrations being carried out with a frequency of 10 to 35 Hz and an amplitude of 0.1 to 0.5 mm, which ensures a constant throughout the weld through penetration, without discretization of the melt into individual drop-shaped elements.

Действительно, сквозное проплавление, то есть проплавление на всю толщину, позволяет сварному соединению выдерживать без разрушения большие значения усилий по сравнению со случаем с неполным проплавлением, когда сварной шов имеет меньшую площадь поперечного сечения в зоне проплава. Следовательно, сварное соединение со сквозным проплавлением имеет и большую статическую прочность. С другой стороны, обеспечение гарантированной глубины проплавления позволяет уменьшить толщины свариваемых заготовок, по сравнению со случаем, когда полного проплавления не обеспечивается, а, следовательно, снизить расход металла. Кроме того, при сквозном проплавлении отсутствует концентратор напряжения при корне шва, который значительно снижает усталостную прочность сварного соединения.Indeed, through penetration, that is, penetration through the entire thickness, allows the welded joint to withstand large forces without breaking, compared to the case with incomplete penetration, when the weld has a smaller cross-sectional area in the penetration zone. Consequently, the weld through penetration also has a large static strength. On the other hand, providing a guaranteed penetration depth allows to reduce the thickness of the welded workpieces, compared with the case when complete penetration is not provided, and, consequently, to reduce the consumption of metal. In addition, during through penetration there is no stress concentrator at the root of the seam, which significantly reduces the fatigue strength of the welded joint.

Вибрационные колебания приводят к механическому разрушению растущих в сварочной ванне кристаллитов и их перемешиванию с жидкой фазой сварочной ванны. Дробление кристаллитов на более мелкие и распространение части их осколков по сварочной ванне, в том числе как центров первичной кристаллизации, приводит к измельчению зерна сварного шва. Разрушение каркаса растущих кристаллитов позволяет объему оставшейся жидкой фазы сварочной ванны сокращаться более равномерно, вследствие чего литейная усадка приводит к меньшим величинам остаточных напряжений, чем при сварке без наложения вибрационных колебаний сварочных ванны. Следует отметить, что наложение вибрационных колебаний в вертикальном направлении в плоскости, перпендикулярной оси сварного шва, приводит к большему разрушению растущих кристаллитов, чем для случая, когда направление колебаний происходит в горизонтальной плоскости: прочность кристаллитов, упрощенно представляемыми стержнями с закрепленным одним концом, при изгибе много меньше, чем при сжатии, а большая часть кристаллитов растет горизонтально от линии сплавления. Дробление кристаллитов позволяет твердожидкой фазе более интенсивно перемешиваться, и более свободно сокращать объем в процессе остывания. Соответственно, снижается величина литейной усадки. Поэтому, при вибрационных колебаниях в вертикальном направлении в плоскости, перпендикулярной оси сварного шва, эффективность снятия остаточных напряжений больше, чем при вибрационных колебаний, направленных горизонтально. Кроме того, при вибрационных колебаниях снижение остаточных напряжений происходит также в зоне основного металла и зоне термического влияния, которые претерпели пластическую деформацию: в данных зонах, остаточные напряжения в сумме с механическими вибрационными напряжениями, при превышении предела текучести, приводят к пластическим деформациям микрообъемов. Учитывая обстоятельство, что предел текучести имеет пониженное значение при высоких температурах, снижение остаточных напряжений по закристаллизовавшемуся металлу сварного шва наиболее эффективно происходит непосредственно после сварки.Vibrational vibrations lead to mechanical destruction of crystallites growing in the weld pool and their mixing with the liquid phase of the weld pool. Crushing of crystallites into smaller ones and the distribution of parts of their fragments through the weld pool, including as primary crystallization centers, leads to grinding of the grain of the weld. The destruction of the framework of growing crystallites allows the volume of the remaining liquid phase of the weld pool to decrease more evenly, as a result of which casting shrinkage leads to lower residual stresses than when welding without imposing vibrational vibrations of the weld pool. It should be noted that the application of vibrational vibrations in the vertical direction in a plane perpendicular to the axis of the weld leads to greater destruction of growing crystallites than for the case when the direction of vibrations occurs in the horizontal plane: the strength of crystallites, simplified by rods with one end fixed, when bending much less than during compression, and most crystallites grow horizontally from the fusion line. The crushing of crystallites allows the solid-liquid phase to mix more intensively, and more freely reduce the volume during cooling. Accordingly, the value of casting shrinkage is reduced. Therefore, with vibrational vibrations in the vertical direction in a plane perpendicular to the axis of the weld, the efficiency of removing residual stresses is greater than with vibrational vibrations directed horizontally. In addition, during vibrational vibrations, a decrease in residual stresses also occurs in the zone of the base metal and the heat-affected zone that underwent plastic deformation: in these zones, the residual stresses, combined with mechanical vibrational stresses, exceeding the yield strength, lead to plastic deformations of microvolumes. Given the fact that the yield strength is low at high temperatures, the reduction of residual stresses on the crystallized weld metal most effectively occurs immediately after welding.

Дробление, разрушение и частичное перемешивание каркаса растущих кристаллитов приводит к объемной кристаллизации, без значительного вытеснения примесей в центр сварного шва. Кроме того, циклические нагрузки в виде механических вибрационных колебаний приводят к механическому перемешиванию микрообъемов сварочной ванны. Все это приводит к получению сварного шва с однородным химическим составов. Упомянутое дробление кристаллитов позволяет в большей степени провести дегазацию, при выделении газов из-за уменьшения растворимости с понижением температуры: газы в большей степени успевают выйти на поверхность, а оставшиеся в жидких объемах не успевают коагулироваться в большие объемы из-за объемной кристаллизации и механического перемешивания. В результате сварной шов отличается пониженным образованием пор.Crushing, destruction and partial mixing of the framework of growing crystallites leads to bulk crystallization, without significant displacement of impurities in the center of the weld. In addition, cyclic loads in the form of mechanical vibrational vibrations lead to mechanical mixing of the microvolumes of the weld pool. All this leads to a weld with homogeneous chemical compositions. The mentioned crushing of crystallites allows degassing to a greater extent, when gases are released due to a decrease in solubility with decreasing temperature: the gases have time to reach the surface to a greater extent, and the remaining in liquid volumes do not have time to coagulate into large volumes due to volume crystallization and mechanical mixing . As a result, the weld is characterized by reduced pore formation.

К основным параметрам вибрационной обработки относятся частота и амплитуда, которые выбираются в зависимости от толщины, типа свариваемого материала, а также жесткости сварной конструкции.The main parameters of vibration processing include frequency and amplitude, which are selected depending on the thickness, type of material being welded, as well as the rigidity of the welded structure.

Осуществление колебаний с амплитудой более 1 мм может приводить к возникновению горячих трещин, выплескиванию расплавленного металла из сварочной ванны, с амплитудой менее 0,1 мм приводят к снижению эффективности обработки из-за малого значения вводимой механической энергии. Также сопутствующая вибрационная обработка с амплитудами более 0,5 мм представляет сложность в поддержании постоянной длины дуги и может приводить к периодическим коротким замыканиям, особенно при выполнении процесса сварщиком, без применения средств автоматизации или роботизации при перемещении горелки. При дуговой сварке плавящимся электродом короткое замыкание может привести к повышенному разбрызгиванию или к залипанию электродной проволоки, при дуговой сварке неплавящимся электродом короткое замыкание, кроме перечисленного может привести к попаданию частиц вольфрама в сварной шов.The implementation of vibrations with an amplitude of more than 1 mm can lead to hot cracks, splashing of molten metal from the weld pool, with an amplitude of less than 0.1 mm, lead to a decrease in processing efficiency due to the low value of the input mechanical energy. Also, concomitant vibration processing with amplitudes greater than 0.5 mm is difficult to maintain a constant arc length and can lead to periodic short circuits, especially when the process is performed by the welder, without the use of automation or robotics when moving the torch. In arc welding with a consumable electrode, a short circuit can lead to increased spatter or sticking of the electrode wire; in arc welding with a non-consumable electrode, a short circuit, in addition to the above, can cause tungsten particles to enter the weld.

Осуществление колебаний на частотах до 35 Гц обеспечивает постоянное на всем протяжении сварного шва сквозное проплавление, без дискретизации проплава на отдельные каплевидные элементы. Циклические вибрационные колебания в вертикальном направлении, в плоскости, перепендикулярной оси сварного шва, приводят к нарушению гидродинамики потоков расплавленного металла сварочной ванны. В результате нарушения течения потоков расплавленного металла и быстрого, «объемного» характером кристаллизации из-за дробления кристаллитов, происходит: с одной стороны - «сужение» хвостовой части сварочной ванны и, соответственно, к увеличение проплавляющей способности за счет более концентрированного ввода тепла, с другой - увеличение скорости кристаллизации твердожидкой сварочной ванны на заключительном этапе, когда сварочная дуга перемещается далее по направлению сварки. Быстрый характер кристаллизации сварочной ванны на заключительном этапе может привести к дискретному проплаву, когда отдельные каплевидные элементы не соединяются в сплошной проплав. Однако, эффекты «объемного» характером кристаллизации из-за дробления кристаллитов и «сужения» хвостовой части сварочной ванны за счет более концентрированного ввода тепла зависят от выбранной частоты вибрационной обработки и поддаются регулированию. Поэтому, определив критическую частоту, возможно проводить вибрационную обработку с получением сплошного, непрерывного по всей длине сварного шва проплава. Следует отметить, что осуществление колебаний на ряде частот способствует появлению заболеваний человека: при частотах порядка от 1 до 12 Гц наблюдается ослабление внимания, при частотах от 1 до 4 Гц ухудшается способность следить за колебательными движениями объекта, при частотах от 4 до 10 Гц речь искажается или прерывается, при частотах от 7 до 10 Гц может наблюдаться природная волна страха или паники, при частотах от 7 до 9 Гц речь искажается или прерывается; поэтому осуществление сопутствующей вибрационной обработки на частотах до 10 Гц не рекомендуется.The implementation of oscillations at frequencies up to 35 Hz ensures constant through penetration throughout the entire weld, without discretization of the penetration into individual drop-shaped elements. Cyclic vibrational vibrations in the vertical direction, in a plane perpendicular to the axis of the weld, violate the hydrodynamics of the flows of the molten metal of the weld pool. As a result of the disruption of the flow of molten metal flows and the fast, “volumetric” nature of crystallization due to crushing of crystallites, there is: on the one hand, a “narrowing” of the tail of the weld pool and, accordingly, an increase in the melting ability due to more concentrated heat input, the other is an increase in the crystallization rate of a solid-liquid weld pool at the final stage, when the welding arc moves further along the direction of welding. The rapid crystallization of the weld pool at the final stage can lead to discrete penetration, when individual teardrop-shaped elements are not connected into a continuous penetration. However, the effects of the "volumetric" nature of crystallization due to crushing of crystallites and the "narrowing" of the tail of the weld pool due to more concentrated heat input depend on the selected frequency of vibration processing and are adjustable. Therefore, having determined the critical frequency, it is possible to carry out vibration processing to obtain a continuous melt that is continuous along the entire length of the weld. It should be noted that the implementation of oscillations at a number of frequencies contributes to the appearance of human diseases: at frequencies of the order of 1 to 12 Hz, weakening of attention is observed, at frequencies from 1 to 4 Hz, the ability to monitor the vibrational movements of an object is impaired, at frequencies from 4 to 10 Hz, speech is distorted or interrupted, at frequencies from 7 to 10 Hz, a natural wave of fear or panic may be observed, at frequencies from 7 to 9 Hz, speech is distorted or interrupted; therefore, concomitant vibration processing at frequencies up to 10 Hz is not recommended.

Следует отметить, что время вибрационной обработки не относится к основным параметрам, поскольку способ предусматривает наложение вибрационных колебаний на кристаллизующийся металл в процессе сварки, и, частично, после. Соответственно, по окончанию сварки, либо через короткий промежуток времени после окончания (до 5 минут), необходимый для окончательного остывания сварной конструкции, вибрационную обработку прекращают. Эффективность вибрационной обработки значительна, как было показано выше, при воздействии именно на кристаллизующийся металл сварочной ванны, а также когда сварной шов находится в высокотемпературной области и происходит релаксация остаточных напряжений при пониженном значение предела текучести. Дальнейшее продолжение вибрационной обработки вызывает снижение усталостной прочности, что ограничивает ресурс сварной конструкции. Кроме того, длительное продолжение вибрационной обработки после окончания сварки требует значительных затрат времени, энергии, материальных и трудовых ресурсов.It should be noted that the time of vibration processing does not belong to the main parameters, since the method involves the imposition of vibrational vibrations on the crystallizing metal during the welding process, and, partially, after. Accordingly, at the end of welding, or after a short period of time after the end (up to 5 minutes), necessary for the final cooling of the welded structure, vibration processing is stopped. The efficiency of vibration processing is significant, as was shown above, when it is exposed to the crystallizing metal of the weld pool, and also when the weld is in the high-temperature region and the residual stresses are relaxed at a lower yield strength. Further continuation of the vibration processing causes a decrease in fatigue strength, which limits the resource of the welded structure. In addition, the long-term continuation of the vibration processing after the end of welding requires a significant investment of time, energy, material and labor resources.

Тип вибрационного устройства может варьироваться от пневматического до электромагнитного, в зависимости от типа производства (единичное, массовое, серийное).The type of vibrating device can vary from pneumatic to electromagnetic, depending on the type of production (single, mass, serial).

Наложение вибрационных колебаний на кристаллизующийся металл сварочной ванны двумя вибраторами, расположенными симметрично относительно оси шва на каждой из двух свариваемых кромок приводит к повышению эффективность сопутствующей вибрационной обработки и обеспечению ее большей надежности. Действительно, каждый из двух вибраторов разрушает кристаллиты со «своей» стороны, что повышает эффективность. Также, второй вибратор позволяет поддерживать требуемый уровень амплитуды вибрационных колебаний. Кроме того, необходимо учесть, что механические колебания передаются в местах, где сварной шов уже выполнен, и, в меньшей мере, в местах разделки, где сварка еще не осуществлена; поэтому надежность повысится с применением двух вибраторов.The imposition of vibrational vibrations on the crystallizing metal of the weld pool by two vibrators located symmetrically relative to the axis of the seam on each of the two welded edges leads to an increase in the efficiency of the accompanying vibration processing and to ensure its greater reliability. Indeed, each of the two vibrators destroys crystallites from their “own” side, which increases efficiency. Also, the second vibrator allows you to maintain the required level of amplitude of vibrational vibrations. In addition, it must be taken into account that mechanical vibrations are transmitted in places where the weld has already been completed, and, to a lesser extent, in places of cutting where welding has not yet been carried out; therefore, reliability will increase with the use of two vibrators.

Стоит отметить, что для сварки конструкций, имеющих сварные швы значительной протяженности (значительные продольные или диаметральные размеры), целесообразна установка дополнительных пар вибраторов. Это позволяет поддерживать требуемый уровень амплитуды вибрационных колебаний, а, следовательно, сохранять эффективность обработки сварных швов по мере удаления сварочной ванны от близлежащей пары вибраторов к расположенной далее паре.It is worth noting that for welding structures with welds of considerable length (significant longitudinal or diametrical dimensions), it is advisable to install additional pairs of vibrators. This allows you to maintain the required level of amplitude of vibrational vibrations, and, therefore, to maintain the efficiency of processing welds as you remove the weld pool from a nearby pair of vibrators to the next pair.

Применение пары вибраторов, работающих в одной фазе, имеет меньшую эффективность по сравнению с парой, работающей в противофазе. Однако, пара вибраторов, работающих в одной фазе, приводит к уменьшению вероятности выплесков расплавленного металла сварочной ванну, снижению разбрызгивания, а также уменьшению вероятности короткого замыкания: действительно, работающие в противофазе вибраторы при направлении колебания к центру сварочной ванны приводят к движению жидкого металла к центру со стороны обоих кромок.The use of a pair of vibrators operating in one phase has lower efficiency compared to a pair operating in antiphase. However, a pair of vibrators operating in one phase reduces the likelihood of splashes of molten metal in the weld pool, reduces spatter, and also reduces the likelihood of a short circuit: indeed, out-of-phase vibrators with the oscillation direction toward the center of the weld pool lead to the movement of the molten metal toward the center from both sides.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Изобретение поясняется описанием конкретного примера ее выполнения и прилагаемыми графическими материалами, где на:The invention is illustrated by a description of a specific example of its implementation and the accompanying graphic materials, where:

на фиг. 1 представлен общий вид способа получения сварного соединения металлов в процессе дуговой сварки со сквозным проплавлением.in FIG. 1 shows a General view of the method for producing a welded joint of metals in the process of arc welding with through penetration.

на фиг. 2 - фотографии оборотных сторон сварных соединений с результатами определения характера проплава на наличие дискретизации при дуговой сварке неплавящимся электродом образцов из алюминиевого сплава АМг6 толщиной 3 мм с сопутствующей вибрационной обработкой с циклическими вибрационными колебаниями в вертикальном направлении в плоскости, перпендикулярной оси сварного шва с амплитудой колебаний ±0,225 мм (размах 0,45 мм):in FIG. 2 - photographs of the backs of welded joints with the results of determining the nature of the melt for discretization during arc welding of non-consumable electrode samples of 3 mm thick AMg6 aluminum alloy with concomitant vibration processing with cyclic vibrational vibrations in the vertical direction in a plane perpendicular to the axis of the weld with an oscillation amplitude ± 0.225 mm (span 0.45 mm):

А - без вибрационной обработки;A - without vibration processing;

В - вибрационная обработка на частоте 20 Гц;In - vibration processing at a frequency of 20 Hz;

С - то же на частоте 30 Гц;C - the same at a frequency of 30 Hz;

D - то же на частоте 40 Гц;D is the same at a frequency of 40 Hz;

Е - то же на частоте 50 Гц;E - the same at a frequency of 50 Hz;

F - то же на частоте 60 Гц;F - the same at a frequency of 60 Hz;

G - то же на частоте 70 Гц;G is the same at a frequency of 70 Hz;

Н - то же на частоте 80 Гц.H - the same at a frequency of 80 Hz.

на фиг. 3 - схема парной установки вибраторов, в том числе дополнительных.in FIG. 3 - diagram of the pair installation of vibrators, including additional ones.

Позициями на фиг. 1-3 обозначены:With reference to FIG. 1-3 are indicated:

1 - сварной шов;1 - weld;

2 - вибратор;2 - vibrator;

3 - свариваемая заготовка;3 - weldment;

4 - сварочная дуга;4 - welding arc;

5 - сварочная ванна;5 - weld pool;

6 - источник вибрационных колебаний;6 - source of vibrational vibrations;

7 - устройство согласования фаз;7 - phase matching device;

8 - направление колебаний.8 - direction of oscillation.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретенияInformation confirming the possibility of carrying out the invention

Сущность изобретения состоит в том, что на расплавленный сварочной дугой 4 и, впоследствии, кристаллизующийся металл сварочной ванны 5 накладываются циклические вибрационные колебания 8, направленные вертикально в плоскости, перпендикулярной оси сварного шва 1. Наложение колебаний 8 на заготовку 3 осуществляется, по меньшей мере, одним вибратором 2 от источника питания 6. При сварке обеспечивается сквозное проплавление заготовок 3 на всем протяжении сварного шва, без дискретизации проплава на отдельные каплевидные элементы (фиг. 1).The essence of the invention lies in the fact that cyclic vibrational vibrations 8 superimposed vertically in a plane perpendicular to the axis of the weld seam 1 are superimposed on the molten metal arc 4 and, subsequently, the crystallized metal of the weld pool 5. The vibrations 8 are applied at least 3 one vibrator 2 from the power source 6. During welding, through penetration of the workpieces 3 is provided throughout the entire weld, without sampling the melt into individual drop-shaped elements (Fig. 1).

Вибрационные колебания, направленные вертикально в плоскости, перпендикулярной оси сварного шва 1, позволяют повысить эффективность снятия остаточных напряжений в сварном соединении (по сравнению с горизонтальными колебаниями), а также измельчить зерно, получить однородный химический состав сварного шва и понизить в нем образование пор.Vibrational vibrations directed vertically in the plane perpendicular to the axis of the weld 1, can improve the efficiency of removing residual stresses in the weld (as compared with horizontal vibrations), as well as grind grain, obtain a uniform chemical composition of the weld and reduce pore formation in it.

Пример.Example.

Образы сварного соединения из алюминиевого сплава АМг6 толщиной 3 мм выполняли дуговой сваркой неплавящимся электродом в среде аргона с применением присадочной проволоки Св-АМг6 с наложением вибрационного воздействия и без. Для случаев с наложением циклических вибрационных колебаний они были направлены вертикально в плоскости, перпендикулярной оси сварного шва, и осуществлялись с амплитудой ±0,225 мм (размах 0,45 мм). Как показывают результаты частота в 35 Гц является критической: при меньших частотах проплав сварного шва составляет «одно целое», при больших - распадается на отдельные каплевидные элементы. Действительно, для частот 20 и 30 Гц (В и С соответственно) наблюдается сплошной проплав корня шва, как если бы сварка выполнялась без наложения циклических вибрационных колебаний (А). В то же время, для частот 40, 50, 60, 70 и 80 Гц (D, Е, F, G и Н соответственно) Данные результаты объясняются, как было изложено выше, нарушением течения потоков расплавленного металла и быстрым, «объемным» характером кристаллизации (фиг. 2).The images of a welded joint of aluminum alloy AMg6 with a thickness of 3 mm were performed by arc welding with a non-consumable electrode in argon atmosphere using filler wire Sv-AMg6 with and without vibration exposure. For cases with overlapping cyclic vibrational vibrations, they were directed vertically in a plane perpendicular to the axis of the weld, and were carried out with an amplitude of ± 0.225 mm (span 0.45 mm). As the results show, a frequency of 35 Hz is critical: at lower frequencies, the weld melt is “one piece”, at high frequencies it breaks up into separate drop-shaped elements. Indeed, for frequencies of 20 and 30 Hz (B and C, respectively), a continuous penetration of the weld root is observed, as if welding was performed without imposing cyclic vibrational vibrations (A). At the same time, for frequencies of 40, 50, 60, 70, and 80 Hz (D, E, F, G, and H, respectively). These results are explained, as described above, by a disturbance in the flow of molten metal flows and a fast, “bulk” nature crystallization (Fig. 2).

Также, для увеличения эффективности и надежности, может быть применено наложение колебаний одной или несколькими парами вибраторов 2, симметрично расположенными относительно оси шва, на каждой из двух свариваемых кромок заготовок 3. Для согласования работ вибраторов 2, между последними и источником вибрационных колебаний 6 расположено устройство согласования фаз 7: таким образом, имеется возможность работы вибраторов как в одной фазе, так и в противофазе. Случай применения дополнительных пар вибраторов 2 обоснован для сварки конструкций, имеющих значительные продольные размер: это позволяет сохранять эффективность обработки сварных швов по мере удаления сварочной ванны 5, образованной теплотой сварочной дуги 4, от близлежащей пары вибраторов 2 к расположенной далее паре (фиг. 3).Also, to increase the efficiency and reliability, the application of vibrations by one or more pairs of vibrators 2, symmetrically located relative to the axis of the seam, on each of the two welded edges of the workpieces 3. To coordinate the work of the vibrators 2, between the last and the source of vibrational vibrations 6 is a device coordination of phases 7: thus, it is possible to operate the vibrators both in one phase and in antiphase. The case of using additional pairs of vibrators 2 is justified for welding structures with significant longitudinal dimensions: this allows you to maintain the efficiency of processing welds as the weld pool 5 formed by the heat of the welding arc 4 is removed from the adjacent pair of vibrators 2 to the next pair (Fig. 3) .

Техническое решение может быть реализовано промышленным способом в условиях серийного производства с использованием известных технических средств, технологий и материалов и отвечает требованиям критерия «промышленная применимость».The technical solution can be implemented industrially in mass production using well-known technical means, technologies and materials and meets the requirements of the criterion of "industrial applicability".

Claims (6)

1. Способ получения сварного соединения металлов, включающий дуговую сварку со сквозным проплавлением металлов и наложение на кристаллизующийся металл сварочной ванны циклических вибрационных колебаний в вертикальном направлении в плоскости, перпендикулярной оси сварного шва, отличающийся тем, что вибрационные колебания осуществляют с частотой от 10 до 35 Гц и амплитудой от 0,1 до 0,5 мм, при этом обеспечивают постоянное сквозное проплавление сварного шва без дискретизации проплава на отдельные каплевидные элементы.1. A method of producing a welded joint of metals, including arc welding with through-penetration of metals and applying cyclic vibrational vibrations in a vertical direction in a plane perpendicular to the axis of the weld on the crystallized metal of the weld pool, characterized in that the vibrational vibrations are carried out with a frequency of 10 to 35 Hz and with an amplitude of 0.1 to 0.5 mm, while providing continuous through penetration of the weld without sampling the melt into individual drop-shaped elements. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что наложение вибрационных колебаний осуществляют по окончании сварки в течение 5 минут.2. The method according to p. 1, characterized in that the imposition of vibrational vibrations is carried out at the end of welding for 5 minutes. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для наложения вибрационных колебаний используют по меньшей мере два вибрационных устройства, которые располагают симметрично относительно оси шва на каждой из двух свариваемых кромок.3. The method according to p. 1, characterized in that for the application of vibrational vibrations, at least two vibrational devices are used that are arranged symmetrically with respect to the axis of the seam on each of the two welded edges. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что наложение вибрационных колебаний осуществляют вибраторами, работающими в одной фазе.4. The method according to p. 3, characterized in that the imposition of vibrational vibrations is carried out by vibrators operating in one phase. 5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что наложение вибрационных колебаний осуществляют вибраторами, работающими в противофазе.5. The method according to p. 3, characterized in that the imposition of vibrational vibrations is carried out by vibrators operating in antiphase. 6. Способ по п. 3, отличающийся тем, что для сварки конструкций, имеющих значительные продольные размеры, используют два дополнительных вибратора.6. The method according to p. 3, characterized in that for welding structures having significant longitudinal dimensions, two additional vibrators are used.

Images