CC BY
18УДК 621.791.053:539.4.014.13
DOI: 10.24411/9999-046A-2020-11008
СПОСОБ ОБРАБОТКИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
A METHOD OF PROCESSING WELDED JOINTS AND A TOOL FOR ITS IMPLEMENTATION
Крамской А. В., кандидат технических наук; ведущий инженер технолог по сварке Филиала АО «АЭМ-технологии» «Атоммаш» в г. Волгодонск, ГК «Росатом»; руководитель отдела аттестации ООО «ГОССп ЮР»; ingenersvarka@yandex.ru Kramskoy A. V., candidate of technical sciences; Lead Welding Engineer, Branch of AEM-technology Atommash JSC in Volgodonsk, The State Atomic Energy Corporation ROSATOM; Head of the certification department of LLC «GOSSp UR» e-mail: ingenersvarka@yandex.ru Людмирский Ю. Г., доктор технических наук; профессор кафедры «МиАСП» Донского государственного технического университета; svarka@dstu.edu.ru
Lyudmirsky Y. G., Doctor of Technical Sciences;
Professor, Department of «M&AWP»,
Don State Technical University;
e-mail: svarka@dstu.edu.ru
Котлышев Р. Р., кандидат технических наук;
Заместитель директора ООО «ГОССп ЮР»,
руководитель ЮР-1ГАЦ,
руководитель ЦОК-003; gac-ur@yandex.ru
Kotlyshev R. R., candidate of technical sciences;
Deputy Director of LLC GOSSp UR,
Head of UR-1GAС, Head of œ^003;
e-mail: gac-ur@yandex.ru
Солтовец М. В., кандидат технических наук;
доцент кафедры Управление качеством ДГТУ;
Soltovets M. V., candidate of technical sciences;
Associate Professor of the Department of Quality
Management DSTU;
Жидков М. Е., Директор по операционной
деятельности Филиала АО «АЭМ-технологии»
«Атоммаш» в г. Волгодонск, ГК «Росатом»;
zhidkov_me@atommash.ru
Zhidkov M. E., Director of Operations, Branch
of AEM-technology Atommash JSC in Volgodonsk,
The State Atomic Energy Corporation ROSATOM;
e-mail: zhidkov_me@atommash.ru
Усенко М. И., ведущий специалист Отдела
по техническому перевооружению
Филиала АО «АЭМ-технологии» «Атоммаш»
в г. Волгодонск, ГК «Росатом»;
usenko_mi@atommash.ru
Usenko M. I., Leading Specialist of the
Department for Technical Re-equipment,
Branch of AEM-technology Atommash JSC
in Volgodonsk, The State Atomic Energy
Corporation ROSATOM;
e-mail: usenko mi@atommash.ru
в
Рассмотрены факторы, снижающие усталостную прочность сварных соединений. Разработана технология ротационной термопластической обработки для повышения усталостной прочности сварных соединений. Выявлена закономерность распределения теплоты и разработана модель, использующая МКЭ, распределения упругопластических деформаций при воздействии вращающегося инструмента на сварное соединение. Определено, что предложенная технология обеспечивает повышение усталостной прочности сварных соединений алюминиевых сплавов до 39 %.
In the article the factors reducing the fatigue strength of welded joints are considered. A technology of rotational thermoplastic processing to increase the fatigue strength of welded joints has been developed. The regularity of heat distribution was revealed and a the FEM computer model of distribution of elastoplastic deformations when a rotating tool influence on a welded joint was developed. It was determined that the proposed technology provides an increase in the fatigue strength of welded joints of aluminum alloys up to 39 %.
Ключевые слова: сварные соединения, усталостная прочность, ротационная термопластическая обработка, сверхпластичность, вращающийся инструмент, распределение теплоты, компьютерная модель, упругопластические деформации, алюминиевые сплавы
Keywords: welded joints, fatigue strength, rotational thermoplastic processing, superplasticity, rotating tool, heat distribution, computer model, elastoplastic deformations, aluminum alloys
Наиболее весомыми факторами, негативно влияющими на качество сварных конструкций, особенно при их эксплуатации в условиях повторно-статических нагрузок или при коррозионной усталости, являются остаточные сварочные напряжения и концентрация напряжений. Однако количественно оценить степень их влияния в каждом конкретном случае непросто. Поэтому в необходимых случаях предпочитают исключить или хотя бы снизить это влияние. Разработано достаточно много способов снижения ОСН, основанных на разных принципах реализации: термических, физических, механических. Практика показала, что последние наиболее эффективны и технологичны [1].
Именно к этой группе относится разработанная технология ротационной термопластической обработки (РТО) стыковых сварных соединений и инструмент для ее осуществления [8]. Данная технология прошла апробацию на алюминиевых сплавах [1].
При РТО происходит деформационное воздействие на сварной шов при вдавливании в него торца вращающегося цилиндрического стержня специального инструмента и последующем его перемещении вдоль шва.
Схема ротационной термопластической обработки представлена на рис. 1.
К достоинством процесса РТО можно отнести следующее:
— фреза за один проход срезает часть выпуклости сварного шва, что обеспечивает равномерность деформирования обрабатываемой поверхности;
— стержень осаживает оставшуюся часть выпуклости заподлицо с основным металлом, что снижает практически до нуля концентрацию напряжений на линии сплавления основного металла с металлом шва.
На рис. 2 показан внешний вид сварных швов до (а) и после РТО (б).
Основными факторами, обуславливающими процесс протекания РТО, являются тепловыделение на обрабатываемой поверхности (трение инструмента о детали и энергия деформации обрабатываемого материала) и пластическая деформация сварного шва от силового воздействия инструмента (нормальное давление стержня инструмента на обрабатываемую
Рис. 1. Схема процесса ротационной термопластической обработки: 1 — стержень; 2 — фреза; 3 — срезаемая часть выпуклости сварного шва; 4 — осаживаемая часть выпуклости сварного шва; 5 — поверхность основного металла; 6 — подкладка
Рис. 2. Внешний вид сварных швов: а — до РТО; б — после РТО
поверхность и сдвиговые деформации за счет вращения инструмента).
Основные закономерности распределения теплоты при воздействии стержня вращающегося инструмента на обрабатываемую поверхность рассмотрены в работе [3]. Авторами разработана схема определения теплового баланса процесса (см. рис. 3), применимая для процесса РТО.
В результате анализа была предложена прогностическая модель (1) для расчета максимальной температуры в обрабатываемой детали от воздействия вращающегося цилиндрического инструмента, подтвержденная экспериментально.
х(0, ^ =
_ 2q2'Jat
+ То
(1)
где t — время, с; q2 — тепломощность процесса, Вт/м2; Х5 — теплопроводность обрабатываемого материала, Вт/м • °С; а — температуропроводность обрабатываемого материала, м2/с; То — температура окружающей среды [3].
На основе экспериментальных данных работ [2] и [4] для оценки объема пластифицированного металла, величины нормальных напряжений и размеров зоны пластической деформации была разработана компьютерная МКЭ модель в программном комплексе
С учетом принятых граничных условий [4] был произведен расчет зоны пластических дефор-
Рис. 3. Распределение тепловой энергии от источника тепловой мощности: q2 — вводимая тепломощность; qт — сток теплоты в свариваемые детали за счет теплопроводности; qп — сток теплоты в стальную деталь; qо — сток теплоты в сборочно-сварочную оснастку; qк — потери теплоты на конвективный теплообмен
маций в пластины в зависимости от ее толщины, диаметра вращающегося инструмента и величины его заглубления в обрабатываемую поверхность.
Расхождение между экспериментальными и расчетными данными не превышало 5Л0 %, что является приемлемым для инженерных расчетов [4].
Таким образом, в поверхностном слое обрабатываемых сварных соединений создаются условия для возникновения эффекта сверхпластичности. Эти данные подтверждаются и в исследованиях [6, 7].
В состоянии свехпластичности достигается мелкий размер зерен металла (в среднем не более 20 мкм), что способствует повышению механических свойств обрабатываемых поверхностей. Также в состоянии сверхпластичности волна деформированного материала заполняет все макро-и микронеоднородности обрабатываемых поверхностей, за счет чего достигается отсутствие концентраторов напряжений.
Для оценки эффективности метода РТО на реальных сварных соединениях целью снижения остаточных сварочных напряжений была разработана методика измерения последних [5]. Ее суть заключается в нанесении на поверхность подвергнутого РТО шва нескольких серий лунок в форме квадратов 10 х 10 мм, полученных на твердомере Роквелла. Продольную и поперечную координаты каждой лунки фиксировали трехкратно на двухкоординатном измерительном приборе ДИП-6, имеющем разрешение 0,1 мкм, и по их средним значениям вычисляли длины сторон квадратов. Затем каждый квадрат вырезали из шва четырьмя резами на глубину 0,9 толщины металла, освобождая тем самым вырезанные участки шва от существующих в них ОСН. После вырезки измерения координат повторяли и по изменению длин сторон квадратов (баз) рассчитывали действовавшие в них продольные и поперечные напряжения. Анализ использованной измерительной системы по ГОСТ Р 51814.5—2005 подтвердил ее приемлемость при изменении измеряемых баз более, чем на 5,8 мкм, что имело
место в большинстве случаев. Учитывая доста- пряжений в шве. Для оценки степени изменения
точно высокую трудоемкость процедуры изме- ОСН в результате РТО описанную процедуру вы-
рений, по величине поверхностных деформаций полняли на таком же образце, сваренном по той
могли судить лишь об интегральном уровне на- же технологии, одновременно с первым.
-.196516 -.148371 -.100227 -.052082 -.003938
-.172444 -.124299 -.076155 -.02801
Рис. 4. Расчетная зона пластических деформаций в пластине в поперечном сечении
-.18161 -.004181 .173248 .350677 .528105
-.092896 .084533 .261962 .439391
МЫ
Рис. 5. Расчетная зона пластических деформаций в пластине в продольном сечении ах, МПа
100
50
95 Продольные напряжения ст£р = 94,66 МПа - - 101 05
стхср = 74,75 МПа 3 7 75 7 8 91 70 -88
I 64
37 I
20
40
60
а)
100
cy, МПа
50
45 I -оУср = 32,1 Поперечные напряжения 50 5 7 аСр = 52,6 МПа 7 У 51
3 МПа -„ .34 38 33 27 37 28
1 15 1
0 20 40 60 80 100
Сварные соединения
120
■Н Прошедшие РТО: I Не прошедшие РТО б)
Рис. 6. Распределение продольных ах (а) и поперечных оу (б) остаточных сварочных напряжений в прошедшем РТО
и необработанном стыковых швах сплава АД31Т
0
0
120 140 Хшва, мм
0
140 ¿Шва, мм
Измерения проводили на сварных стыковых соединениях алюминиевого сплава АД31Т толщиной 10 мм, полученных сваркой плавлением. Результаты представлены на рис. 6.
На шве, прошедшем РТО, величины ОСН были измерены в восьми точках на длине шва 140 мм. На необработанной части шва длиной 50 мм второго образца ОСН измерили в трех точках. Результаты показывают, что средний уровень продольных ОСН в обработанном шве ниже, чем в необработанном на 21 %, а поперечных - на 39 % [1].
Выводы
На базе сравнительного анализа существую -щих методов упрочнения разработан новый способ и инструмент ротационной термомеханической обработки (РТО) сварных соединений.
Разработана методика оценки результативности РТО, включающая оценку приемлемости измерительного процесса.
Методом РТО снижает уровень остаточных напряжений в стыковых сварных соединениях сплава АД31Т на 21—39 % [1].
Список использованной литературы
1. Людмирский Ю. Г. Анализ результативности ротационной термопластической обработки сварных соединений алюминиевых сплавов. [Текст] / Ю. Г. Людмирский, М. В. Солтовец, М. А. Веников // Сборник статей Международной научно-практической конференции «Проблемы современных интеграционных процессов и пути их решения» (г. Киров, 23.05.2016). — Уфа: Омега сайнс, 2016. — 266 с.
2. Котлышев Р. Р. Механизм образования соединения и особенности технологии сварки алюминиевых сплавов трением с перемешиванием: дисс. канд. техн. наук: 05.02.10 / Р. Р. Котлышев; ДГТУ. — Ростов н/Д, 2010. — 140 с.
3. Котлышев Р. Р. Расчет температур при сварке трением с перемешиванием алюминиевых сплавов / Р. Р. Котлышев, К. Г. Шучев, А. В. Крамской // Вестник ДГТУ. — 2010.— Т. 10, № 5 (48). — С. 693—699.
4. Крамской А. В. Получение нахлесточных соединений за счет фрикционного нагрева поверхности вращающимся инструментом: дисс. канд. техн. наук: 05.02.10 / А. В. Крамской; ДГТУ. — Ростов н/Д, 2013. — 125 с.
5. Наука в современном обществе: закономерности и тенденции развития: сборник статей Международной научно-практической конференции (8 апреля 2016 г., г. Магнитогорск): в 2 ч. Ч. 2. — Уфа: МЦИИ ОМЕГА САЙНС, 2016. — 248 с.
6. Рзаев Р. А. Макрокинетика формирования сварных соединений при сварке трением с перемешиванием / Р. А. Рзаев, А. А. Чуларис, Д. И. Меркулов // Сварка и диагностика. — 2017. — № 5(65). — С. 43—48.
7. Рзаев Р. А. Основные аспекты формирования сварного соединения способом сварки трением с перемешиванием и учетом механизмов пластической деформации на разных структурно-масштабных уровнях / Р. А. Рзаев, А. А. Чуларис / М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2017. — С. 43—49.
8. Способ обработки сварных соединений и инструмент для его осуществления: пат. 2507048 Рос. Федерация: МПК В23К 37/00 В23С 3/12 / Лукьянов В. Ф., Людмирский Ю. Г., Котлышев Р. Р., Артеменко А. Г., Крамской А. В., Бу-бенок Е. С. № 2011152589 / 02; заявл. 22.12.2011; опубл. 20.02.2014. Бюл. № 5. С. 2.
