CC BY-NC
46
DOI: 10.24937/2542-2324-2021 -2-S-I-121-125 УДК 621.9.048.6:629.5-112.81
В.В. Степанов
АО «Центр технологии судостроения и судоремонта», Санкт-Петербург, Россия
РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИИ НИЗКОЧАСТОТНОЙ ВИБРАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ СВАРНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ СУДО-И МАШИНОСТРОЕНИЯ
Остаточные сварочные деформации и напряжения оказывают негативное влияние на прочность, долговечность и надежность корпусных конструкций судов и широкого спектра сварных металлических конструкций изделий станко-, машино-, вагоностроения и строительной индустрии. Возникающие в результате сварки деформации повышают трудоемкость изготовления конструкций.
Для снижения остаточных напряжений в судостроении и других отраслях промышленности традиционно применяют термообработку, являющуюся трудоемкой и дорогостоящей операцией. В качестве альтернативного процесса используется низкочастотная вибрационная обработка (НВО), которая отличается сравнительной простотой и высокой экономической эффективностью.
Сущность процесса НВО заключается в воздействии на металл конструкций знакопеременными нагрузками на резонансных или околорезонансных частотах, которые создаются с помощью электромеханического вибровозбудителя. Стабилизация размеров с помощью НВО обеспечивается за счет снижения и перераспределения остаточных напряжений первого рода (уравновешивающиеся в масштабе всего объема изделия или его крупных элементов) и приведения структуры материала в более устойчивое равновесное состояние.
В статье рассмотрен опыт АО «ЦТСС» в практическом внедрении технологии НВО сварных металлических конструкций на судо- и машиностроительных предприятиях, современное оборудование для ее проведения, приборы, используемые для оценки и контроля результатов обработки.
Ключевые слова: низкочастотная вибрационная обработка, метод конечных элементов, частоты собственных колебаний, остаточные напряжения, перераспределение напряжений. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2021 -2-S-I-121-125 UDC 621.9.048.6:629.5-112.81
V. Stepanov
JSC Shipbuilding and Ship Repair Technology Centre (SSTC), St. Petersburg, Russia
PROGRESS IN LOW-FREQUENCY VIBRATION PROCESSING TECHNOLOGY FOR METAL WELDS IN SHIPBUILDING AND MACHINE ENGINEERING
Residual welding strains and stresses affect strength, lifetime and reliability of shipbuilding hull structures and a wide spectrum of welded metal structures applied in manufacturing of machine tools, machines and railroad cars, as well as in building industry. Welding strains also increase man-hours required for manufacturing.
A traditional way of residual stress mitigation in shipbuilding and other industries is thermal processing which is known to be a costly and labour-intensive operation. An alternative process is low-frequency vibration processing that is relatively easy and highly cost-efficient.
Low-frequency vibration processing basically means that metal structures are subjected to alternating-sign loads at resonant or near-resonant frequencies by means of an electromechanical vibration exciter. Size stabilization in this kind of processing
Для цитирования: Степанов В.В. Развитие технологии низкочастотной вибрационной обработки сварных металлических конструкций судо- и машиностроения. Труды Крыловского государственного научного центра. 2021; Специальный выпуск 2: 121-125.
For citations: Stepanov V. Progress in low-frequency vibration processing technology for metal welds in shipbuilding and machine engineering. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2021; Special Issue 2: 121-125 (in Russian).
В. В. Степанов. Развитие технологии низкочастотной вибрационной обработки сварных металлических конструкций судо- и машиностроения
is achieved through mitigation and re-distribution of the first-kind residual stresses, i.e. those equilibrating over the entire product or its large elements, so that material structure comes to a more stable equilibrium.
This paper discusses SSTC experience in the induction of low-frequency vibration processing of welded metal structures to the practice of shipyards and machine manufacturing enterprises, as well as describes state-of-the-art equipment for its performance and the equipment used to assess and check its results.
Keywords: low-frequency vibration processing, finite-element method, natural vibration frequencies, residual stresses, stress re-distribution.
Authors declare lack of the possible conflicts of interests.
Введение
Introduction
Известно, что высокий уровень остаточных сварочных напряжений в металлоконструкциях и их неравномерный характер распределения оказывают отрицательное влияние на прочностные и эксплуатационные характеристики изделий. Кроме того, перераспределение полей собственных напряжений в конструкции, вызванное ее последующей механической обработкой, релаксационными процессами в металле с течением времени или под действием эксплуатационных нагрузок может вызвать изменение размеров и формы конструкции.
С учетом вышесказанного при изготовлении ответственных конструкций всегда пытаются уменьшить величину остаточных напряжений, применяя различные приемы и мероприятия. Традиционно с целью снижения уровня остаточных напряжений и стабилизации формы и размеров конструкций используют термообработку. Однако данная операция является очень энергоемкой и требует дополнительных работ, связанных с подготовкой оснастки, очисткой конструкции от окалины и т.п. Все это значительно увеличивает сроки и удорожает изготовление продукции.
Наряду с термообработкой уже более 20 лет в промышленности применяется метод низкочастотной вибрационной обработки (НВО), который отличается универсальностью, доступностью и высокой экономической эффективностью.
Научная основа низкочастотной вибрационной обработки
Scientific fundamentals of low-frequency vibration processing
Метод НВО заключается в инициации и введении в конструкцию упругой низкочастотной вибрации малых амплитуд. В результате происходит снижение и перераспределение остаточных напряжений, устранение структурно-нестабильного состояния
в металле конструкции, при этом повышаются длительная и усталостная прочность, коррозионная стойкость, происходит стабилизация формы и размеров конструкции.
При НВО энергия для релаксации остаточных напряжений сообщается конструкции за счет возбуждения в ней вынужденных колебаний. Для этого применяется специальное оборудование (рис. 1, см. вклейку).
Процесс наиболее эффективен при воздействии на изделие колебаниями на резонансных или околорезонансных частотах. Важную роль также играют место приложения колебательного усилия и положение виброопор, на которые устанавливается конструкция. Таким образом, эффективность НВО зависит от выбора схемы и режимов обработки. Раньше схемы и режимы обработки определялись опытным путем. Однако такой подход не гарантирует оптимальности выбранной технологии НВО и может быть успешно применен лишь при обработке сравнительно простых конструкций, таких как балки и рамы. Для сложных объемных конструкций, имеющих большое количество частот и сложные формы собственных колебаний, метод проб и ошибок не подходит.
В связи с этим мы разработали новый подход, основанный на применении модального анализа с использованием метода конечных элементов [1]. Такой подход позволяет определить все частоты собственных колебаний конструкции в заданном диапазоне, а также соответствующие им формы колебаний. Анализ полученных данных дает возможность определить оптимальные схемы и частоты НВО. Этот подход позволил нам разработать технологии и выполнить НВО целого ряда конструкций.
Методом НВО обеспечивается стабилизация свойств металлов и сплавов как при термической обработке аналогичного назначения, благодаря чему возможна замена дорогостоящей термостабилизации на вибростабилизацию. В подтверждение этой концепции на рис. 2, (см. вклейку) показано сравнение микротвердости стали при сварке с последующей НВО и при термическом отпуске. При сварке стали 12Х2НВА микротвердость околошовной зоны до-
стигла 5600 МПа, что указывает на образование закалочной структуры. НВО полностью устранила пиковое значение микротвердости в околошовной зоне (ОШЗ) и по воздействию сравнивается с отпуском при Т = 560 °С (остаточная твердость после НВО снизилась до 3100 МПа, а после отпуска - до 3400 МПа).
Низкочастотная вибрационная обработка балочной конструкции из сталей различных марок
Low-frequency vibration processing of a beam made of various steels
Одной из практических задач, решаемых нашими специалистами на протяжении многих лет, является снижение остаточных сварочных напряжений в конструкциях «Полушахта» балочного типа, изготавливаемых на АО «Адмиралтейские верфи». В их состав входят детали из различных марок сталей, и они имеют большое количество сварных швов [1]. Это обуславливает сложное напряженное состояние в металле после сварки. После изготовления отдельные конструкции подвергаются механической обработке. Конструкция в целом при ее эксплуатации испытывает действие циклических нагрузок. Таким образом, для сохранения формы и размеров после выполнения механической обработки, а также для повышения работоспособности конструкций необходимо после сварки выполнять перераспределение и снижение уровня остаточных напряжений.
Поскольку в рассматриваемых конструкциях имеются детали из различных марок сталей, различающихся теплофизическими характеристиками, применение термообработки затруднительно и может вызвать значительные остаточные деформации или появление в конструкциях трещин. По этой причине взамен термообработки было решено использовать НВО. С целью разработки технологии выполнения вибрационной обработки для каждой конструкции выполнялся расчет частот и форм собственных колебаний по МКЭ. Модель одной из конструкций представлена на рис. 3 (см. вклейку).
Результаты расчета частот собственных колебаний конструкции в рабочем диапазоне оборудования, используемого для НВО, показали наличие резонансов на частотах 77, 84, 100 и 110 Гц. Формы колебаний конструкции на указанных частотах приведены на рис. 4 (см. вклейку).
На частотах 77 и 100 Гц деформации конструкции носят характер скручивания, а на частотах 84 и 110 Гц они распределяются по длине направляю-
щей в виде одной полуволны. Таким образом, с точки зрения эффективного перераспределения и снижения уровня остаточных напряжений оптимальной для рассматриваемой конструкции является обработка на резонансных частотах 84 и 110 Гц.
В соответствии с формами колебаний определялась схема установки виброопор и вибровозбудителя. Виброопоры устанавливаются в районах конструкции, имеющих минимальные перемещения. Вибровозбудитель закрепляется посередине пролета между опорами.
В производственных условиях на подготовительном этапе была проверена правильность выбранной схемы проведения НВО по наличию устойчивого резонанса, а также уточнены фактические резонансные частоты, величины которых составили 87 и 112 Гц. Обработка конструкций выполнялась на указанных частотах, суммарное время обработки составило 20 минут. Обработка изделия «Полушахта» показана на рис. 5 (см. вклейку) [1].
Для оценки эффективности НВО выполнялись измерения величин эквивалентных механических напряжений в контрольных точках на конструкции до и после проведения НВО. Измерения проводились с помощью портативного прибора магнитоупругой тензометрии БЫЫТ-З, предназначенного для нераз-рушающего контроля механических напряжений. Схема расположения контрольных точек приведена на рис. 6 (см. вклейку). Величины эквивалентных внутренних напряжений в контрольных точках до и после проведения НВО приведены в таблице. Перевод показаний прибора в действующие напряжения выполнялся по тарировочной кривой.
Результаты измерения остаточных напряжений Calculated residual stresses
№ точки Величина эквивалентных напряжений до НВО, МПа Величина эквивалентных напряжений после НВО, МПа Изменение, %
1 223 210 б
2 225 201 11
З 245 185 24
4 238 128 4б
S 235 103 S6
б 213 135 З1
l 225 178 21
S 230 195 is
9 228 204 11
В.В. Степанов. Развитие технологии низкочастотной вибрационной обработки сварных металлических конструкций судо- и машиностроения
Из приведенных в таблице данных можно сделать вывод, что низкочастотная вибрационная обработка позволила снизить остаточные напряжения в конструкциях. При этом основной эффект наблюдается в центральной части конструкций (точки 3-7), где при резонансных колебаниях возникали максимальные напряжения от изгиба. При переходе к концевым участкам эффективность резко снижается. Однако с точки зрения стабилизации формы конструкций направляющих и их последующей эксплуатации НВО дало несомненный положительный результат.
Низкочастотная вибрационная обработка конструкции стальковша
Low-frequency vibration processing of a molten-steel ladle
Еще одной интересной задачей стала разработка технологии НВО обечайки стальковша КС-160. Обечайка стальковша имеет крупные приварные цапфы, в районе которых с одной стороны возникает концентрация напряжений, а с другой - действуют максимальные эксплуатационные напряжения.
Для определения резонансных частот и форм колебаний стальковша была сформирована конечно-элементная модель (рис. 7, см. вклейку).
Далее был проведен модальный анализ в диапазоне частот от 0 до 100 Гц, поскольку это диапазон является рабочим для используемого нами оборудования. Анализ показал, что резонансные колебания стальковша происходят на частотах 27, 30, 31, 39, 77, 80, 93 и 104 Гц.
При выборе схемы виброобработки учитывалось, что максимальный эффект наблюдается в тех областях, в которых при колебаниях возникают максимальные напряжения. У стальковша КС-160 наиболее проблемной является зона приварки цап-фовых плит. Для обеспечения максимального снижения напряжений в этих областях необходимо класть стальковш цапфовой плитой вверх. Для обеспечения максимального снижения напряжений в обоих цапфовых плитах стальковш следует обрабатывать в двух положениях: располагая вверху вначале одну цапфовую плиту, а затем - другую. Вибровозбудитель нужно устанавливать непосредственно на цапфовую плиту. При этом анализ форм колебаний показал, что наибольшие напряжения в районе цапфовых плит возникают на частотах 77 и 27 Гц. Формы колебаний для данных частот показаны на рис. 8 и 9, см. вклейку.
НВО стальковша КС-160 на территории АО «Оскольский электрометаллургический комбинат» показана на рис. 10, см. вклейку [1].
Таким образом, на базе модального анализа были разработаны схемы НВО и определены режимы обработки.
Заключение
Conclusion
Выполненный АО «ЦТСС» комплекс исследований и многолетний опыт внедрения НВО на судо-и машиностроительных заводах показал, что данный процесс позволяет снизить остаточные напряжения в стальных и титановых сварных конструкциях до 60 - 65 %, в алюминиевых - до 7-75 % [2-7]. При этом для получения максимального эффекта необходимо оптимизировать схемы и режимы обработки. Традиционно данные схемы и режимы определялись опытным путем, методом проб и ошибок. Однако такой подход не гарантирует оптимальности выбранной технологии НВО и может быть успешно применен лишь при обработке сравнительно простых конструкций балочного типа.
В связи с этим АО «ЦТСС» разработан новый подход, основанный на применении модального анализа с использованием метода конечных элементов. Такой подход позволяет определить все частоты собственных колебаний конструкции в заданном диапазоне, а также соответствующие им формы колебаний. Анализ полученных данных дает возможность определить оптимальные схемы и режимы НВО.
Этот подход позволил специалистам АО «ЦТСС» разработать технологии и выполнить НВО целого ряда сложных конструкций: секций корпусов судов, фундаментов, рам, опор и реек изделий машиностроения, сталеразливочных ковшей, ферменных конструкций.
Список использованной литературы
1. АлександровМ.В., Михайлов В.С., Белый Д.О., Васильев А.А., Животовский Р.П., Зеленин М.Н., Метел-кин П.Д., Степанов В.В. Низкочастотная вибрационная обработка сварных металлических конструкций. СПб.: ЦТСС, 2019, 104 с.
2. Горбач В.Д., Михайлов В.С., Зеленин М.Н., Животовский Р.П. Выбор режимов низкочастотной вибрационной обработки конструкций на основе моделирования по методу конечных элементов // Вестник технологии судостроения. 2011. № 19.
3. Сагалевич В.М. Методы устранения сварочных деформаций и напряжений. М.: Машиностроение, 1974.
4. ЯрлыковА.П., Смирнов В.Г. Теоретические основы низкочастотной вибрационной обработки // Науч.-техн. сб., сер. Технология. 1991. Июнь.
5. Михайлов В.С., Горбач В.Д., Стеганцев В.П., Кириллов А.Н., Коломеец Н.П. Низкочастотная виброобработка конструкций и поверхностное упрочнение сварных соединений - эффективные процессы снижения и перераспределения остаточных напряжений // Вестник технологии судостроения. 1999. № 5.
6. Кириллов А.Н., Коломеец Н.П., Михайлов В.С. Опыт использования низкочастотной вибрационной обработки (НВО) для снижения остаточных сварочных напряжений // Сб. Моринтех. 2001.
7. Dawson R., MoffatD.G. Vibratory Stress Relief: a Fundamental Study of Its Effectivness Journal of Engineering Materials and Technology. 1980. V. 102.
References
1. Low-frequency vibration processing of welded metal structures / M. Alexandrov, V. Mikhailov, D. Bely, A. Vasi-lyev, R. Zhivotovsky, M. Zelenin, P. Metelkin, V. Stepanov. St. Petersburg, SSTC, 2019, 104 p. (in Russia)
2. Selection of low-frequency vibration processing scenarios based on FE simulation / V. Gorbach, V. Mikhai-lov, M. Zelenin, R. Zhivotovsky // Vestnik tekhnologii sudostroyeniya (Transactions of SSTC). 2011. No. 19 (in Russian).
3. Sagalevich V. Elimination methods for welding strains and stresses. Moscow: Mashinostroyeniye, 1974 (in Russian).
4. Yarlykov A., Smirnov V. Theoretical fundamentals of low-frequency vibration processing // Research Bulletin. Technology Series. 1991. June (in Russian).
5. Low-frequency vibration processing of structures and surface hardening of welds / V. Mikhailov, V. Gorbach, V. Stegantsev, A. Kirillov, N. Kolomeets // Vestnik tekhnologii sudostroyeniya (Transactions of SSTC), 1999 No. 5 (in Russian).
6. Kirillov A., Kolomeets N., Mikhailov V. Low-frequency vibration processing in mitigation of residual welding stresses: experience // Morintekh Bulletin. 2001 (in Russian).
7. Dawson R., Moffat D.G. Vibratory Stress Relief: a Fundamental Study of Its Effectivness // Journal of Engineering Materials and Technology. 1980. Vol. 102.
Сведения об авторе
Степанов Виталий Вячеславович, инженер-технолог 1 категории АО «Центр технологии судостроения и судоремонта». Адрес: 198095, Россия, Санкт-Петербург, Промышленная ул., д. 7. Тел.: +7 (812) 610-64-17. E-mail: [email protected].
About the author
Vitaly V. Stepanov, 1st Category Technology Engineer, JSC Shipbuilding and Ship Repair Technology Centre (SSTC). Address: 7, Promyshlennaya st., St. Petersburg, Russia, post code 198095. Tel.: +7 (812) 610-64-17. E-mail: [email protected].
Поступила / Received: ??.??.21 Принята в печать / Accepted: ??.??.21 © Степанов В.В., 2021
