CC BY
277
УДК 621.79 (075)
МЕТОДИКА УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА СВАРНЫХ ШВОВ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ УДАРНОЙ ОБРАБОТКОЙ С ОБОСНОВАНИЕМ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
В.Е. Зарезин
Военная академия материально-технического обеспечения им. генерала армии А.В. Хрулева, 199034, г. Санкт-Петербург, наб. Макарова, 8
В статье описана методика улучшения качества сварных швов ультразвуковой ударной обработкой, которая заключается в обосновании оптимальных режимов ультразвуковой ударной обработки сварных швов с целью релаксации внутренних напряжений, обусловленных процессами, происходящими в металле сварного шва и зоне термического влияния.
Ключевые слова: сварные швы, внутренние напряжения, сварка, методика, ультразвуковая ударная обработка, эффективность, надежность, долговечность.
TECHNIQUE OF IMPROVEMENT OF QUALITY OF WELDED SEAMS BY ULTRASONIC SHOCK HANDLING WITH REASONS FOR OPTIMUM PARAMETER S OF HARDENING OF THE BLANKET
V. E. Zarezin
Military academy of logistics named of general A.V. Hrulev 199034, St. Petersburg, Makarov Emb, 8
In article the technique of improvement of quality of welded seams is described by ultrasonic shock handling which consists in reasons for the optimum modes of ultrasonic shock handling of welded seams for the purpose of a relaxation of the internal tension caused by the processes happening in metal of a welded seam and a zone of thermal influence.
Keywords: welded seams, internal tension, welding, technique, ultrasonic shock handling, efficiency, reliability, durability.
Имеющиеся проблемы в процессе ремонта техники при производстве сварочных работ, особенно в полевых условиях, заставляет искать новые эффективные и малозатратные методы предотвращения и устранения дефектов сварных швов, особенно в условиях отсутствия поставок запасных частей и ограничения по времени проведения ремонта.
При ремонте металлического изделия в течение технологического процесса под влиянием различных технологических операций, вызывающих изменения в металле, возникают внутренние напряжения. В некоторых случаях внутренние напряжения создаются преднамеренно для улучшения качественных характеристик изделия (поверхностный наклеп, закалка, химико-термическая обработка), а при сварке, механической обработке возникающие внутренние напряжения, наоборот, снижают качество изделия.
Возникновение остаточных напряжений связано с различными процессами, происходящими в металле. В течение одной технологической операции могут действовать один или несколько факторов различной природы.
Характерными особенностями сварки являются ее локальный характер, высокие скорости нагрева до температур, превышающих температуры плавления металла (3000°С при газовой и 4000°С при электродуговой сварке), что вызывает температурные напряжения, неоднородные структурные преобразования в шве и зонах термического влияния, изменение растворимости газов, окружающих сварной шов. Объем зоны распределения остаточных напряжений зависит от мощности и продолжительности нагрева, а также от структурных превращений, происходящих в зоне, непосредственно примыкающей к сварному шву (20 ^ 25 мм при электродуговой и 80 мм при газовой сварке).
1 Зарезин Владимир Евгеньевич - адъюнкт Военной академии материально-технического обеспечения им. генерала армии А.В. Хрулёва, подполковник, тел.: +7 (911) 948 3533, e-mail: vzarezin@yandex.ru
Вследствие структурных превращений изменяется удельный объем, так как при нагреве переход структуры перлита и феррита в ау-стенит сопровождается уменьшением удельного объема, а при охлаждении превращение ау-стенита в мартенсит сопровождается значительным увеличением удельного объема. Кроме того,вследствие неравномерного охлаждения деталей, структурные превращения во всем объеме происходят не одновременно, и по мере охлаждения всего сечения распределение структурных напряжений изменяется. В низкоуглеродистых сталях распад аустенита при остывании происходит при температуре 600°С и мало влияет на остаточные напряжения, а в легированных сталях при остывании распад ау-стенита происходит при более низких температурах, когда металл находится в упругом состоянии и вызывает структурные остаточные напряжения, т.е. величина остаточных напряжений, вызванных фазовыми превращениями, зависит от химического состава стали [1].
Предметом исследования данной методики является научно-обоснованный выбор режимов упрочнения сварных швов ультразвуковой ударной обработкой (далее - УУО) в зависимости от конструктивно-технологических особенностей упрочняемых узлов и условиями выполнения работы конструкций.
Научная новизна данной методики заключается в обосновании оптимальных режимов ультразвуковой ударной обработки сварных швов с целью релаксации внутренних напряжений, обусловленных процессами, происходящими в металле сварного шва и зоне термического влияния, на примере конструкцио-ной низколегированной стали 09Г2С.
Эффективность методики характеризуется отсутствием необходимости демонтажа (вырезки) участков металлоконструкций при проведении ремонта.
В сравнении с аналогами пневмо- и электро-виброобработкой, ультразвуковая ударная обработка позволяет осуществлять упрочнение объектов малой толщины без риска их ударного разрушения, а также отличается безопасностью для работающего, так как не создает вибраций корпуса инструмента.
Основную техническую задачу настоящей методики можно кратко сформулировать как, решение оптимизационной задачи в области вариаций параметров УУО путем установления максимально возможной надежности сварных соединений.
При разработке методики УУО рассматривалась известная модель физического воздействия ультразвука на поверхность сварного соединения, разработанная Статниковым Е.Ш. (рис.1) [2].
ЗОНЫ ЭФФЕКТ
«белый слой» износостойкость, коррозионная стойкость
пластическая деформация циклическая долговечность, компенсация деформаций, коррозионно-усталостная прочность
импульсная релаксация снижение остаточных сварочных напряжений и деформаций до 70% от исходного состояния
ультразвуковая релаксация снижение остаточных сварочных напряжений и деформаций до 50% от исходного состояния
Рисунок 1 - Физические зоны влияния ультразвуковой ударной обработки
Модель разделяет воздействие УУО на зоны с известными физическими процессами при механической обработке материалов и соответствующих им основных эффектов, которые положительно влияют на свойства сварного соединения. Однако рассматриваемая модель не связана с технологией изготовления сварных конструкций и не рассматривает, каким образом и в какой последовательности необходимо воздействовать на материал сварного соединения для обеспечения необходимых эффектов.
Для определения степень воздействия ультразвуковой ударной обработки на обрабатываемый материал в зависимости от свойств этого материала рассмотрим воздействие на материал ультразвуковым инструментом в режиме зазора между инструментом и обрабатываемой поверхностью.
При контакте деформирующего тела с поверхностью излучателя, совершающего ультразвуковые колебания, деформирующее тело получает дополнительный импульс. Величина импульса зависит от момента времени, в который произошел контакт. Скорость деформирующего тела после соударения описывается уравнением [3]:
= 4^1 + т 5т(2л:/"£ + (р), (1) где - коэффициент, характеризующий степень упругого соударения с поверхностью излучателя; у1 - скорость движения деформирующего тела до соприкосновения с поверхностью излучателя;/и - частота и амплитуда колебательных смещений; ф - начальная фаза.
Максимальное изменение скорости у2 равно: Дг = 2 п f^т. В интервале амплитуд смещений ^т= 1 ... 20 мкм увеличение скорости будет Ду = 0,1 ... 0,2 м/с. С этой скоростью деформирующее тело движется до момента контакта с обрабатываемой поверхностью. В конечном итоге, деформирующий элемент ударяется об обрабатываемую поверхность, совершая работу и деформируя поверхность.
Процесс взаимодействия деформирующего элемента при ударе об обрабатываемую поверхность будем описывать уравнением: й2К
т
dt2
= —nHBDh,
(2)
где q
з HBD
4т
-; v - скорость шара перед соуда-
рением; т - время, отсчитываемое относительно начала соударения.
Отсюда найдем максимальный диаметр отпечатка:
dr
М
Dv-,
q
(4)
и длительность контакта:
*>=£■ (5)
После этого деформирующий элемент отскакивает от обрабатываемой поверхности. Поскольку процесс является упругопластиче-ским, скорость отскока у4 пропорциональна скорости перед ударом у3:
г?4 = Ч2у3, (6)
где q2 - коэффициент, характеризующий степень неупругости соударения.
Далее деформирующее тело снова контактирует с поверхностью излучателя и описанный выше процесс повторяется. Оценки времени, необходимого для перемещения деформирующего элемента от излучателя до обрабатываемой поверхности и обратно, показывают, что оно много больше периода ультразвуковых колебаний. Поэтому момент касания деформирующего элемента поверхности излучателя является случайной величиной. В целом процесс ультразвуковой обработки при наличии зазора является стохастическим. Частота ударов существенно ниже, а их величина является случайной функцией времени. Тем не менее, можно предположить, что средние значения щ, 11,иЩ возрастают пропорционально амплитуде колебательной скорости.
Если в формулу для определения максимального диаметра отпечатка подставить амплитуду колебательной скорости, то получим:
dr
m
= а
ж*
(7)
где НВ - твердость обрабатываемого материала НВ«оТ; т и D - масса и диаметр шара; h - смещение центра шара после контакта.
Решим это уравнение относительно h:
v3
h = —sin от, (3)
Ч
¡НВИ
Из выведенной автором зависимости видно, что диаметр пластического отпечатка возрастает с увеличением амплитуды колебательных смещений. По диаметру пластического отпечатка можно судить о степени воздействия ультразвуковой ударной обработки на материал. Данная формула позволяет оценить степень воздействия ультразвуковой ударной обработки на обрабатываемый материал в зависимости от свойств этого материала, а также параметров ультразвуковой обработки. Эта зависимость в дальнейшем подтверждается результатами экспериментальных исследований.
В разработанной методике автор использует проведенные им металлографические
исследования по изменению структуры различных металлов по глубине при воздействии УУО. В качестве инструмента воздействия на материалы, использовался многоэлементный ультразвуковой инструмент, который позволяет обеспечить обработку поверхности при любом характере неровности, в том числе и поверхности сварного шва. Схема рабочего узла многоэлементного инструмента приведена на рисунке 2.
В отличие от инструментов, используемых для упрочняющей ультразвуковой обработки, деформирующие элементы, не закреплены на конце волновода, а располагаются в зазоре между колеблющимся торцом волновода и обрабатываемой поверхностью. Обойма обеспечивает только одну степень свободы движения в направлении оси деформирующего элемента. Волновод, при работе, ориентируется по нормали к поверхности сварного шва.
Рисунок 2 - Схема рабочего узла многоэлементного инструмента для обработки сварных швов:
1 - волновод; 2 - обойма; 3 - деформирующие элементы
и накатка) и многоэлементным ультразвуковым инструментом.
Из рисунка 3 видно, что, в отличии от традиционных методов пластического деформирования, обработка многоэлементным ультразвуковым инструментом наиболее эффективна для создания сжимающих напряжений, поэтому имеются все основания для использования ультразвуковой ударной обработки многоэлементным инструментом для повышения качества сварных швов в целом повышения долговечности работы сварных соединений.
Рисунок 3 - Распределение остаточных напряжений сжатия в поверхностных слоях в зависимости от способа и режима обработки: а - глубина упрочненного слоя, ст- остаточные напряжения: 1 -
обработка пневмомолотком, 2, 3, 4 - обработка ультразвуковым инструментом с мощностью вводимых колебаний 500 (2), 1000 (3), 1100 (4) Вт, 5 -дробеструйная обработка (1 = 15 с), 6 - накатка
Проведенные исследования показали, что отличительной характеристикой материала, полученного в результате ультразвуковой обработки, является заметное измельчение зерен и сложный характер деформации (изгиб-кручение) кристаллической решетки. В результате обработки наблюдается также измельчение частиц вторых фаз, средние размеры которых составляют 0,1 ^ 0,3 мкм. В результате струк-турнофазовых превращений повышается прочность, твердость и коррозионная стойкость материала [1].
Особое значение, с точки зрения возможности использования многоэлементного инструмента для обработки сварных швов, имело то обстоятельство, что в результате обработки в приповерхностной зоне возникают сжимающие напряжения. На рисунке 3 приведено распределение напряжений по глубине стальных листов при обработке традиционными методами ППД (обработка пневмомолотком
В настоящей методике проведение УУО сварных соединений реализовано с помощью технологического комплекса для ударной ультразвуковой обработки сварных швов, созданного в ООО «Ультразвуковое оборудование и технологии». Технологический комплекс изготовлен в соответствии с комплектом конструкторской документации [УЗОИТ.ТК.УУО.001].
Устройство ультразвукового ударного инструмента показано на рисунке 4. Инструмент состоит из ультразвуковой колебательной системы, бачка, наружного корпуса, крышки, рукоятки, узла ударных элементов, шлангов системы охлаждения, кабеля и амортизирующего узла.
Ультразвуковая колебательная система представляет собой магнитострикционный преобразователь (1) с жестко присоединенным волноводом (2). К волноводу на резьбовом соединении крепится удлинитель (3). Колебательная система установлена в бачке (5) и закреплена стаканом (6), к которому крепят дер-
жатель (7) с установленными иглами-ударниками (4).
Амортизирующий узел, предохраняющий оператора от воздействий вибрации, состоит из уплотнительных колец с оправкой (9) и пружины (10). Наружный корпус состоит из
кожуха (11), к которому крепится хомутом (13) чехол (12). К кожуху крепится рукоятка (16). Для охлаждения магнитострикционного преобразователя используется жидкость, которая подается и отводится по трубкам (15).
Рисунок 4 - Ультразвуковой ударный инструмент: 1 - пакет магнитострикционного преобразователя; 2 - волновод; 3 - удлинитель; 4 - игла-ударник; 5 - бачок охлаждения; 6 - стакан; 7 - держатель; 8 -уплотнительное кольцо; 9 - оправка; 10 - пружина; 11 - кожух; 12 - чехол; 13 - хомут; 14 - полукрышка; 15
- трубка; 16 - ручка
Проведенные опытные работы и результаты исследований обработанных сварных соединений позволяют утверждать, что данное оборудование наиболее эффективно использовать для перераспределения остаточных напряжений стальных конструкций толщинами до нескольких десятков миллиметров.
Разработанная автором методика позволяет конкретизировать указания по выбору режимов работы инструмента и действию персонала ремонтных органов по упрочнению сварных швов.
Технологический метод обработки сварных соединений выбирается в зависимости от ответственности конструкции, уровня ее на-груженности, толщины металла, а также от наличия оборудования, доступности мест обработки, производительности процесса, соображений техники безопасности и обеспечения санитарно-гигиенических условий труда, наименьшей трудоемкости и максимальной производительности процесса упрочнения, а также с учетом состояния конструкции в условиях эксплуатации.
Для упрочнения сварных соединений и зон нагрева (тепловой правки) любой геометрической формы, расположенных во всех про-
странственных положениях обработка производится только со стороны нагрева. Применение ограничивается возможностью доступности рабочего к обрабатываемой зоне, а также размерами инструмента, который необходимо располагать под углом 90° к обрабатываемой поверхности.
УУО является предпочтительной с точки зрения уровня шума и вибрации, возникающих при упрочнении конструкции. УУО должна быть подвергнута околошовная зона сварных соединений на ширину не менее 25 мм от линии сплавления. Схема обработки стыкового сварного соединения и вварного элемента приведена на рисунке 5.
Сварные соединения при толщине основного металла 5", большей или равной 12 мм, могут быть подвергнуты УУО с формированием «канавки» по линии сплавления сварного шва с основным металлом. Глубина «канавки» не должна быть более 1 мм. Возможное утонение материала корпусной конструкции в результате выполнения УУО с формированием «канавки», не должно быть больше 1,5 мм. Типовая схема обработки приведена на рисунке 6.
При обработке локальных зон нагрева, например, при правке конструкции, обрабаты-
вается все пятно нагрева с перекрытием по периметру не менее чем на 10 мм. При этом упрочнение допускается производить только со стороны нагрева.
Наружкя)
Наружи«
Наружная
Рисунок 5 - Схема обработки сварного соединения УУО с наружной стороны
Рисунок 6 - Типовая схема УУО с формированием «канавки»: 1 - основной металл; 2 - металл сварного шва; 3 - линия сплавления сварного шва с основным металлом; 4 - зона УУО («канавка»)
При сварке сталей различных марок, при отсутствии специальных указаний, сварные швы должны быть упрочнены с двух сторон (рисунок 7).
Для таврового соединения ширина обработанной зоны со стороны, противоположной приварке конструктивного элемента, должна быть не менее ширины В, в мм:
В = Ь + 2Ь1 + 2к, (8)
где Ь - толщина приварного элемента, мм; Ь1, - ширина сварного шва, мм; к - упрочняемая зона термовлияния шириной не менее 12 мм.
Рисунок 7 - Схема обработки сварного соединения УУО с двух сторон
Упрочнение сварных конструкций должно производиться после проведения всех сварочных и правочных работ. В качестве исключения разрешается производить сварочные работы и тепловые операции после упрочнения. При этом вновь выполненные сварные соединения и места нагрева должны быть подвергнуты повторной УУО в установленном порядке.
Количество проходов инструмента при УУО выбирается специалистом производящим обработку произвольно, не менее одного прохода, чтобы обеспечивалось полное насыщение обрабатываемой поверхности отпечатками ударных элементов. Особое внимание на качество обработки необходимо уделять в зоне сплавления сварного шва с основным металлом. На расстоянии 10 мм от линии сплавления
допускаются лишь отдельные пропуски обработки протяженностью по длине и ширине не более 5 мм, далее - не регламентируется.
УУО гладкой поверхности металла в околошовной зоне и в зоне нагрева выполняется инструментом с двумя и более рядами игл-ударников, количество которых определяется в зависимости от доступности места обработки и характера обрабатываемой поверхности.
Для УУО поверхностей с ярко выраженными неровностями, например, со следами коррозионных язвенных поражений, должен быть применен рабочий орган, содержащий только один ряд игл-ударников.
При УУО инструмент должен быть установлен на обрабатываемую поверхность металла под углом 60-90° и перемещаться возвратно-поступательно с осевым усилием прижатия 20-40 Н (2-4 кгс).
Сварные конструкции, подвергающиеся упрочнению, должны быть очищены от грязи, ржавчины, следов воды, масляных загрязнений, грунтовки, краски и т.п.
В результате УУО на поверхности материала образуется наклепанный слой со сжимающими остаточными напряжениями глубиной 0,8-1,0 мм, в более глубоких слоях происходит частичная релаксация остаточных напряжений.
При необходимости обеспечения контроля качества обработки, она проводится в 100 %-ном объеме, посредством сравнения обработанной поверхности с эталонным образцом качества, представляющим собой пластину размером 100x100 мм с наплавленным валиком или сварным швом, околошовная зона которых подвергнута качественной УУО.
Применение настоящей методики позволит повысить надежность и долговечность сварных корпусных конструкций из конструк-тированных низколегированных сталей за счет благоприятного перераспределения остаточных растягивающих напряжений и снижения уровня концентрации напряжений в зоне сопряжений сварных швов с основным металлом, в локальных местах нагрева от сварки и правки.
Разработанный комплекс технологических методов обеспечивает обработку сварных соединений в сложных по геометрической форме корпусных конструкциях, труднодоступных местах, закрытых объемах, узкостях и т.п.
Литература
1. Зарезин В.Е. Повышение ресурса соединений сварных узлов и конструкций техники железнодорожных войск.// Технико-технологические проблемы сервиса - №4(34), - 2015. С. 26-31
2. Статников Е.Ш., Шевцов Е.М., Куликов В.Ф. и др. Ультразвуковой инструмент для упрочнения сварных швов и уменьшения остаточных сварочных напряжений. // Тр. Московского института стали и сплавов, - 1977, №92, с. 27-29.
3. Приходько В.М., Петрова Л.Г., Чудина О.В. Ме-таллофизические основы разработки упрочняющих технологий. М.: Машиностроение, - 2003. 384 с.
4. Разработка и создание инновационного ультразвукового оборудования для повышения ресурса деталей военной техники в интересах обороноспособности страны. Зарезин В.Е., Дружинин П.В., Ко-ломеец Н.П. Журнал «Вопросы оборонной техники». Серия 16. Технические средства противодействия терроризму. - М.: НТЦ «Информтехника», -2016. - Выпуск 7-8 (97-98).
5. Возможности применения ультразвуковых технологий при эксплуатации и ремонте техники ЖДВ. Зарезин В.Е. Сборник научных статей научно-практических конференций; 27 ноября, 19 декабря 2014 г. / ВИ (ЖДВ и ВОСО) - Петродворец, 2014. -156 с.
6. Казанцев В.Ф. Особенности пластического деформирования при ударном ультразвуковом воздействии. Акустика и ультразвуковая техника, Киев, -1980. Вып. 16. с. 58-76.
7. Сидоров М.М. Влияние ультразвуковой ударной обработки на механические свойства и перераспределение остаточных напряжений сварных соединений трубопроводов, эксплуатируемых в условиях Сибири и Крайнего Севера. Дисс... канд. тех. наук, -Якутск. - 2014.
8. Коломеец Н.П. Улучшение свойств изделий из конструкционных сталей исплавов методом силового воздействия. Автореф. дис... на канд. тех. наук,-М.: МГТУ «СТАНКИН», - 2003 г.
