Напряжения и деформации в сварных конструкциях из титановых сплавов. Тепловые процессы при сварке плавлением, страница 12

Наблюдаемый эффект повышения пластичности при неизменной и даже несколько увеличенной прочности сварных соединений, по-видимому, связан с двумя, присущими данному процессу факторами. Во-первых, процесс полиморфного превращения любого металла, в том числе и титана, характеризуется повышенной подвижностью атомов и, как следствие, снижением прочностных характеристик и повышением пластичности, т. е. наступает сверхпластичность. Во-вторых, быстрое охлаждение с момента окончания пластической деформации, высокая теплопроводность через пуансон и малая теплоемкость титана создают условия для высокотемпературной термомеханической обработки.

При этом быстрое охлаждение сразу после окончания процесса пластической деформации предотвращает собирательную рекристаллизацию, что обеспечивает получение весьма мелкозернистой микроструктуры и в результате повышенный предел выносливости и хорошие показатели пластичности. Наибольший эффект повышения прочности и пластичности сварных соединений из титановых сплавов наблюдается при деформации в момент предпревращения a®b. Особое состояние предпревращения характеризуется наименьшей устойчивостью атомов для a- и b-фазы. Деформация металла в этом состоянии позволяет управлять процессами искажения кристаллической ячейки и гетерогенизации структуры, что повышает не только прочностные характеристики, но и пластические (патент РФ 2021058).

Известные способы пластической деформации металла шва и ЗТВ технического титана ВТ1-1 путем принудительного воздействия на них роликом имеют ряд существенных недостатков.

Деформация металла шва в момент, когда металл находится при 400…800 °С, вызывает применение значительных усилий и, как следствие, анизотропию свойств металла шва и ЗТВ.

Недостатками при этом 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.

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 при 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.

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.

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.

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.