книги из ГПНТБ / Биметаллические трубы

Предельное соотношение пределов текучести свариваемых мате­ риалов определится из условия неосуществимости процесса термо­ диффузионной обработки с внутренним подпором при а4 = 0 .

Для реального процесса это условие неприемлемо. Следова­ тельно, можно записать

Обозначим отношение пределов текучести металлов слоев

лов текучести тоже является функцией размеров внутреннего слоя (рис. 53)

h = f (аз)-

Процесс термодиффузионной сварки с применением внутреннего подпора возможен при значениях А,', лежащих ниже области, огра­

ниченной кривой (см. рис. 58), т. е. при повышении предела теку­ чести металла наружной трубы или уменьшении толщины стенки внутреннего слоя.

Следовательно, применение термодиффузионной сварки с вну­ тренним подпором ограничивается соотношением размеров слоев и их пределов текучести. Значительного расширения области при­ менения термодиффузионной сварки с внутренним подпором можно достигнуть применением наружных жестких чехлов-матриц или созданием наружного давления, достаточного для пластического деформирования наружной трубы. В этих случаях внутреннее дав­ ление может значительно превышать предел пластического сопро­ тивления двухслойной трубы, а следовательно, будет возрастать кон­ тактное давление и прочность сварки.

121

давления, способствующие плотному прилеганию свариваемых по­ верхностей и протеканию диффузионных процессов.

При этом возможны следующие случаи:

1 ) между слоями отсутствуют начальный натяг и зазор, сваривае­ мые поверхности соприкасаются по всей длине;

2 ) между слоями имеется начальный натяг за счет различной упругой отдачи после сочленения.

Рассмотрим первый случай. Предположив, что двухслойная труба при нагреве находится в области упругих деформаций, определим давление на границе контакта слоев.

Деформации труб под действием равномерного температурного поля будут:

В случае равенства коэффициентов линейного расширения метал­ лов труб напряжения на границе слоев не возникают и деформации

ления, вызывающие дополнительные радиальные и осевые переме­ щения в слоях и соответствующие им деформации:

в наружном слое

_ Uн

8 г н — > 8 г н — т з »

во внутреннем слое

где UH и UB— радиальные перемещения на границе слоев;

пг3 и пг4 — коэффициент Пуассона металла наружной и вну­ тренней труб соответственно при температуре тер­ модиффузионной обработки;

о2 1 и аг 2 — осевые напряжения в наружной и внутренней тру­ бах соответственно;

122

Из условия совместности деформаций граничащих слоев следует равенство суммарных деформаций слоев

£ н . т -"*■ 6 в . т И Л И

Используя решение Ляме—Годолина, перемещения границы слоев в зависимости от давлений, действующих на ней, можно запи­

где Рк — контактное давление на границе слоев при Т. Подставляя соответствующие значения в уравнение совместности деформаций, получим

Решая уравнение (24) относительно Рк, получим контактные давления, получающиеся при нагреве двухслойной заготовки, с уче­ том осевых напряжений, возникающих в результате различий осе­ вых перемещений слоев в связи с разницей коэффициентов расши­

Осевые напряжения в слоях определятся из уравнения совместно­ сти деформаций в осевом направлении [46]:

125

Подставляя значения (25) в уравнение совместности деформаций, получим

Учитывая, что внутренние силы в двухслойной трубе уравновеши­

Следовательно, осевые напряжения создают дополнительные кон­ тактные давления. Это в значительной мере способствует получению надежной сварки слоев.

Для ряда металлов, с которыми приходится сталкиваться на практике, можно принять

т3 = т 4 = 0,27,

тогда

124

откуда видно, что

Рк

1,27 (ав ~ а п)ТЕ = f (а8; ««)•

На рис. 54 показана зависимость' контактного давления от гео­ метрических размеров труб. С ростом а 4 и а 3 происходит падение контактных давлений.

При увеличении радиуса границы контакта контактные давле­ ния возрастают до определенной величины, затем значения их сни­

жаются. На рис. 55 представлена зависимость ^ ^ д ^ ТЕ

от радиуса границы контакта. Максимум на кривых наблюдается при п = 0,5ч-0,55.

Для труб с меньшим раздельным диаметром контактные давле­ ния имеют большую величину.

Если имеются начальные контактные давления, полученные при совместной пластической деформации, то общее контактное давление будет равно сумме начальных и температурных контактных давле­ ний в области упругих деформаций:

При повышении начальных контактных. давлений и разницы коэффициентов линейного расширения общие контактные давления возрастают. Создание контактных давлений возможно и при а в =

125

= а н. В этом случае температурный натяг отсутствует, а контактные давления создаются только за счет различной упругой деформации слоев при совместной пластической деформации [25].

Если суммарные контактные давления превышают предел со­ противления пластическим деформациям менее прочного слоя, то начинается его пластическая деформация. Контактные давления в этом случае будут определяться пределом сопротивления пластиче­ ским деформациям менее прочного слоя:

Если на контактной границе только начались пластические де­ формации, то контактное давление, по данным [47 ]

Рк — 0,5от. Т(1 — ос!)-

Так как силы, действующие на границе на каждый слой, равны и началась пластическая деформация, можно записать равенство

Решая уравнение (26а) относительно а4, получим предельные его значения

Г° Т . н. т

При а 4 < ]/" 1 — Яі (1 — аз) двухслойные заготовки проходят тер­ модиффузионную обработку в области упругих деформаций наруж­ ного слоя. При — Яі (1 — аз) двухслойные заготовки про­

ходят термодиффузионную обработку в области упруго-пластических деформаций наружного и упругих деформаций внутреннего слоев. На рис. 56 представлена зависимость а\ = f (а3, Я4). По графикам и формулам можно определять и задавать размеры слоев для созда­ ния нужных контактных давлений или, зная размеры слоев двух­ слойной заготовки, определять контактные давления при нагреве до температуры термодифіфузионной обработки.

Пример. Труба из низкоуглеродистой стали сочленена без зазора с трубой из нержавеющей стали аустенитного класса. Размер труб после сочленения: наружной из низкоуглеродистой стал'и 48 X 1,1 мм,- внутренней из нержавеющей стали 45,8X4,5 мм.

Изменение основных свойств металлов в зависимости от темпе­ ратуры нагрева показано на рис. 57. Необходимо рассчитать кон­ тактные давления при нагреве до разных температур, в том числе и температуры термодиффузионной обработки, определить темпера­ туру, при которой начнется пластическая деформация на поверх­ ности контакта, и контактные давления в области пластических деформаций,

126

При нагреве двухслойной заготовки до 100° С основные свойства металлов будут следующими:

ат н = 20,5-9,8 Мн/м2; Е х = 2-104 -9,8 Мн/м2;

а н = 12,6-ІО“6; ссв = Ш-Ю“6;

каждые 100 град. Далее определяем сопротивление пластической деформации наружного слоя при каждой температуре:

= 10,5 МН/м2(1,05 кгс/мм2).

из анализа полученных расчетных данных следует, что при дости­ жении двухслойной заготовкой температуры 300° С контактные давления превосходят предел пластического сопротивления наруж­ ного слоя, следовательно, при нагреве до более высоких температур контактные давления будут определяться пределом сопротивления пластической деформации наружного слоя, так как а 4 > а' во всем

интервале температур.

127

По данным расчетов построены графики изменения контактного давления в зависимости от температуры нагрева двухслойных заго­ товок (рис. 58).

При нагреве до температуры диффузионной сварки, равной для двухслойных труб нержавеющая сталь — углеродистая сталь 1050—

«с

1100° С; наружный слой заданных размеров пластически деформи­ руется.

При изменении соотношения размеров слоев, выражаемого коэф­ фициентом плакирования, контактные давления будут зависеть от сопротивления пластическим деформациям менее прочного слоя (рис. 59).

С повышением температуры контактные давления снижаются и максимальные значения их смещаются в сторону меньших зна­ чений коэффициента плакирования.

Исследование процесса термодиффузионной сварки

В процессе термодиффузионной обработки должна быть получена прочная сварка слоев из разнородных металлов. Прочность сварки слоев в основном зависит от температуры нагрева, времени выдержки, контактного давления и состояния контактных поверхностей. Иссле­ дования проводили на образцах двухслойных труб углеродистая сталь + нержавеющая сталь и углеродистая сталь + цветной ме­ талл (медь).

Для выбора режима термодиффузионной обработки и установ­ ления влияния начальных контактных давлений на прочность сварки

128

слоев (при а н < а в) трубы размером 53ч-56х 1,1-4-2 мм из армкожелеза были взяты в термически обработанном состоянии и после прокатки на стане ХПТР со степенью деформации 47% и обезжири­ вания в растворе щелочей. Внутреннюю поверхность и тех и других труб подвергали шлифовке на внутришлифовальном станке. Трубы размером 48х2,5н-4,5 из стали аустенитного класса (ЭИ847) в тер­ мически обработанном состоянии и в состоянии после прокатки на стане ХПТ-55 со степенью деформации 53%, обезжиривания в рас­ творе щелочей и осветления в азотно-плавиковом растворе шлифо­ вали снаружи.

Трубы из углеродистой стали и меди подвергали шлифовке или химической обработке. После подготовки поверхностей трубы состав­ ляли в пары так, чтобы наружный наклепанный слой сочленялся с термически обработанным или наклепанным внутренним, а терми­ чески обработанный наружный слой — с наклепанным или терми­ чески обработанным внутренним. Чистота поверхности всех сочле­ няемых пар соответствовала 8-му классу.

Совместное безоправочное волочение пар проводили йа волочиль­ ных станах через кольца диаметром 43—48 и 67 мм с углом наклона

с выдержками 30 и 60 мин; сталь 10 + медь — в лабораторной печи

вырезали образцы высотой 20 мм для испытания на сплющивание и 35 мм для исследования прочности сварки на срез. Образцы сплю­ щивали на прессе до расстояния между стенками 3S или 2S.

При сплющивании металл трубы подвергается пластическому изгибу и на границе контакта слоев возникают скалывающие тан­ генциальные напряжения.

Если сварка металлов достаточно прочная, то оба слоя деформи­ руются без расслоений. Этот вид испытаний с достаточной точностью характеризует качество сварки слоев, что весьма важно для биметал­ лических труб, подвергаемых последующим операциям волочения или прокатки на стане ХПТ, особенностью которых является много­ кратный знакопеременный изгиб сечения трубы по мере его переме­ щения в очаге деформации (многократное знакопеременное сплю­ щивание).

На рис. 60 представлены образцы биметаллических труб из стали ЭИ847, плакированной армко-железом внутри и снаружи, до и после сплющивания.

Для испытания прочности снарки слоев на срез труб армкожелезо + сталь ЭИ847 (h ~ 0,9~-2 мм) была выбрана методика

испытания на растяжение (рис. 61). Образцы для испытания имели длину 30—35 мм и ширину 10 мм. В центре образца оставляли рабо­ чую площадь среза, равную 12—20 мм2 в зависимости от поперечного сечения наружного слоя (армко-железа). Для труб сталь + медь

(h = 2—3 мм) внутри применяли методику испытания на срез коль­ цевых образцов, описанную выше (см. рис. 9).

Лучшие результаты по испытаниям на сплющивание и срез получены на трубах, которые изготовлены из двухслойных загото­ вок, составленных из термически обработанных труб армко-железо и

сталь 10 с наклепанными трубами из стали. ЭИ847 и меди, соответ­ ственно. Прочность сварки слоев для этой группы труб наибольшая: для армко-железа + сталь ЭИ847 при t = 1100° С и т = 60 мин она составила 190—260 МН/м2 (19—26 кгс/мм2), для стали 10+ медь при t = 960° С и т = 30 мин 140 МН/м2 (14 кгс/мм2).

130