Общие сведения. Сварные конструкции, непосредственно после сварки, имеют достаточно высокую степень отклонений по «геометрии». Причина таких отклонений состоит в возникновении остаточных сварочных напряжений, а также в некоторых случаях и деформаций (короблений) сваренных изделий, которые неизбежно сопутствуют процессу сварки. Возникает необходимость дополнительной обработки сварных соединений.
Остаточные механические напряжения, действующие на металлоконструкции (судовые, строительные, мостовые, трубопроводы и др.), приводят к деградации металла и вызывают возникновение в них, в процессе эксплуатации, дефектов и их развитие.
В местах концентраторов напряжений более интенсивно развиваются дефекты, например, коррозионные растрескивания под воздействием напряжений (КРН), питтинги, интенсивное протекание коррозионных процессов и др.
В большинстве случаев, именно в зоне сварного шва, наблюдаются максимальные уровни остаточных напряжений. В поперечном к сварному шву направлении обычно фиксируется их максимальный градиент. На базе, которая соответствует ширине сварного шва, значение напряжений может меняться от нулевого (на линии сплавления) до максимального, близкого к пределу текучести материала (в центре шва). По некоторым данным, градиент в поперечном направлении в сварном шве может достигать 200 МПа/мм.
Основной способ снятия остаточных сварочных напряжений состоит в их термической обработке. Однако, в последние десятилетия, получил распространение способ снятия остаточных механических напряжений и стабилизации геометрических размеров металлоконструкций посредством возбуждения в сварной конструкции низкочастотных механических колебаний. Этот метод получил название - метод низкочастотной виброобработки (НВО).
Вибрационной низкочастотной обработке подвергают сварные конструкции не только из углеродистых сталей, но и изготовленные из алюминиевых и титановых сплавов. Широко используют низкочастотную виброобработку чугунных и стальных отливок.
Этот метод позволяет следующее:
1. Улучшить и стабилизировать структуру металла сварного шва и околошовной зоны.
2. Уменьшить деформации, которые вызваны сваркой.
3. Перераспределить (сгладить) пиковые показатели концентраторов напряжений в сварных соединениях.
4. Повысить качественную работоспособность и долговечность зоны сварного соединения до уровня основного металла сваренных деталей.
Малая энергоемкость систем низкочастотной виброобработки, относительно низкая стоимость технологического оборудования, а также простота его обслуживания позволяют эффективно применять метод низкочастотной виброобработки не только на крупных предприятиях, но и в условиях мелких и средних производств.
Преимущества метода низкочастотной виброобработки (НВО). Метод НВО – это наиболее современный, надежный и эффективный технологический процесс, основанный на мировых достижениях науки и техники, и имеет следующие преимущества в сравнении с термообработкой (ТО):
1. Затраты электроэнергии на несколько порядков меньше, чем при ТО.
2. Малая продолжительность процесса НВО (20-30 мин) по сравнению с ТО (до 3 суток).
3. Стоимость оборудования НВО незначительна по сравнению с полученной годовой экономией электроэнергии и стоимостью термообработки (термической печи и др).
4. Расходы по обслуживанию и эксплуатации виброкомплекса весьма незначительны, по сравнению с эксплуатацией оборудования для термообработки (термической печи и др).
5. После применения НВО обеспечивается сохранность внешнего вида изделий (покраска, покрытия, полировка и др.), а при ТО образуется окалина на поверхности изделия, качество поверхности снижается.
6. После НВО сохраняются прочностные характеристики металла (σв,σт), а при ТО происходит снижение этих характеристик.
7. Возможность снятия остаточных напряжений в сварных конструкциях из разнородных металлов, где невозможно применить ТО, например, детали с поверхностями, подвергнутыми закалке ТВЧ, стали группы Hardox.
8. Возможность быстро выявить дефекты в сварных конструкциях, например, трещины и другие дефекты, что позволит избежать аварий конструкций.
9. Сокращение транспортных операций, сокращение непроизводственных расходов, так как отпадает необходимость перевозки деталей для ТО, например, в другие цеха предприятия или на другие предприятия, где имеются термические печи соответствующих габаритов.
10.Возможность снятия остаточных напряжений в сварных конструкциях больших габаритов, для которых нет термических печей таких размеров.
Сравнение наиболее распространенных методов устранения остаточных сварочных напряжений:
ООО «МАГНИТ плюс» на протяжении многих лет занимается внедрением и поставками оборудования для контроля и снятия остаточных механических напряжений в металлоконструкциях.
Многие предприятия судостроения, тяжелого машиностроения и атомного машиностроения Российской Федерации и зарубежных стран используют метод НВО для снижения остаточных напряжений, стабилизации размеров и обеспечения достаточно жестких допусков для изделий, к которым предъявляются высокие требования по точности.
Применяется способ НВО и для крупногабаритных конструкций, например, выполнена обработка металлоконструкции весом в 180 тонн оборудованием ООО «МАГНИТ плюс». В настоящее время для снятия остаточных сварочных напряжений в металлоконструкциях компания ООО «МАГНИТ плюс» предлагает:
1. Установка низкочастотной виброобработки ВТУ-02МП.
2. Технологический комплекс для упрочняющей обработки сварных соединений методом ударного деформирования на ультразвуковой частоте «ШМЕЛЬ».
Установка низкочастотной виброобработки ВТУ-02МП производства ООО «МАГНИТ плюс». Комплекс предназначен для возбуждения изменяемых низкочастотных колебаний в деталях, узлах и конструкциях после их изготовления способом сварки, механической обработки, литья и горячего деформирования, с целью снижения остаточных напряжений и стабилизации геометрической формы и линейных размеров.
Установка является мобильной и монтируется рядом с обрабатываемой конструкцией.
Комплекс состоит из двух частей: вибровозбудителя и пульта управления.
Вибровозбудитель - это специализированный асинхронный электродвигатель. На валу электродвигателя с двух сторон закреплены два эксцентрика. При вращении электродвигателя, эксцентрик создает круговые колебания, которые передаются конструкции, на которой он установлен. Амплитуду колебаний (рабочее усилие) создаваемых эксцентриком можно изменять путем его регулировки.
Пульт управления предназначен для задания и индикации параметров работы вибровозбудителя. С помощью пульта управления производится запуск и остановка вибровозбудителя, задание режима его работы и скорости вращения вибровозбудителя.
Вибровозбудитель с регулируемым дисбалансом крепится к сварной конструкции при помощи струбцин. После его включения, в металле, возникают низкочастотные колебания, которые снимают напряжения микроструктуры сварного шва и околошовной зоны.
Проведенный ООО «МАГНИТ плюс» эксперимент в рамках оценки эффективности комплексной методики оценки и снижения уровня остаточных напряжений, показал возможность достижения, после НВО, нулевого уровня остаточных напряжений в металле сваренных деталей.
Снижение остаточных сварочных напряжений методом ультразвуковой ударной обработки с применением технологического комплекса «ШМЕЛЬ». Одной из актуальных задач современного промышленного производства остается поиск эффективных средств, обеспечивающих упрочнение сварочных швов. Качество сварки, это не только вопрос надежности на момент завершения сварочных работ, а также сроки безаварийного использования данного сварного соединения в течение всего периода эксплуатации конструкции в целом.
Среди методов, позволяющих повысить качество, надежность и ресурс сварных швов следует выделить ультразвуковую ударную обработку (УУО). Снижение остаточных механических напряжений ультразвуковой ударной обработкой происходит за счет образования сжимающих поверхностных напряжений.
Механизм ультразвуковой ударной обработки представлен на рис. 22.11 зонами физического воздействия на сварочное соединение в поперечном разрезе поверхностного слоя обрабатываемого металла.
Эти результаты определяют ряд актуальных областей использования ультразвуковой ударной обработки в производстве, эксплуатации и ремонте сварных соединений (мостостроение, судостроение, машиностроение и другие отрасли). В этой схеме каждой физической зоне влияния ультразвуковой ударной обработки на свойства материала соответствуют определенные режимы обработки и определенная технология изготовления сварного соединения.
Физические зоны влияния ультразвуковой ударной обработки:
Работа технологического комплекса «ШМЕЛЬ» основана на ударном воздействии на обрабатываемый материал с целью его пластического деформирования. Ультразвуковая колебательная система размещена в корпусе, который обеспечивает возможность ее принудительного жидкостного охлаждения.
Ультразвуковой генератор, размещенный в блоке питания, осуществляет преобразование тока промышленной частоты 50 Гц в ток высокой частоты 22 кГц, соответствующего частоте ультразвука.
Внешний вид комплекса «ШМЕЛЬ»:
Энергия тока высокой частоты при помощи магнитострикционного преобразователя, расположенного в ударном инструменте, формирует колебания ультразвуковой частоты, которые через волновод и удлинитель переходят в иглу-ударник.
Преимущества, которые способна дать ультразвуковая ударная обработка по сравнению с термическим снятием напряжений в металле следующие:
1. Высокая удельная энергоэффективность УУО: в масштабах серийного производства, УУО – это метод, способный дать ощутимый экономический эффект.
2. УУО рассматривается как поверхностное пластическое деформирование (ППД), В поверхностном слое обрабатываемой поверхности формируются сжимающие остаточные напряжения, и благоприятный профиль шероховатости поверхности. Для деталей, изготовленных из высокопрочных материалов и имеющих повышенную чувствительность к концентраторам напряжения, что важно, ППД повышает сопротивление усталости и, соответственно, появлению усталостных трещин.
3. УУО сварочного шва и околошовной зоны снижает развитие межкристаллической коррозии границ зерен металла за счет их измельчения ударными импульсами ультразвука.
Эффективность ультразвуковой ударной обработки (УУО). Результаты измерений полей остаточных напряжений показали, что УУО в ряде случаев является приемлемой альтернативой высокому отпуску. УУО оказывает эффективное воздействие на перераспределение остаточных сварочных напряжений. Из результатов проведённых работ установлено, что УУО производит в зоне ремонтного участка благоприятное перераспределение напряжений. Например, на участке после УУО, напряжения наплавленного участка, околошовной зоны и основного металла трубы были получены идентичные, близкие к равномерному распределению по всей площади, тогда как на участке без УУО наблюдались высокие концентраторы с большим уровнем градиентов.
Пример проведения работ по ультразвуковой ударной обработке комплексом «ШМЕЛЬ»:
В результате – практически однородное распределение остаточных напряжений. Металл в зоне, подвергнутой ремонтным сварочным работам, равномерно стабилизирован, что очень важно для надежной эксплуатации трубопровода.
Картограммы механических напряжений (РГМН и КМН):
Выводы:
1. Ультразвуковая ударная обработка позволяет эффективно снизить уровень остаточных напряжений в сварных конструкциях.
2. Применение УУО позволяет, в ряде случаев, отказаться от послесварочной термической обработки.
Сканер механических напряжений “АНТИСТРЕСС - МАГНИТ плюс”. При проведении работ по снятию остаточных напряжений в сварных швах и упрочнению сварного шва возникает задача по контролю уровня внутренних напряжений до обработки и после обработки. Видеть распределение напряжений на площади металлической конструкции важно для понимания общего напряженного состояния конструкции.
Для этих целей, компания ООО «МАГНИТ плюс» рекомендует обратить внимание на магнитоанизотропный метод, а именно, на магнитоанизатропный сканер “АНТИСТРЕСС - МАГНИТ плюс”. Данный сканер позволяет получить информацию о распределении напряженного состояния исследуемой области сварной конструкции: в основном металле, сварном шве и околошовной зоне.
Таким образом, показано, что имеются технологии и оборудование, позволяющие эффективно снимать остаточные напряжения в металлоконструкциях, что позволяет повысить надежность и срок службы металлоконструкций.
_______________________________________________________________
Раздел написан сотрудниками компании ООО «МАГНИТ плюс» г. Санкт-Петербург для учебного пособия "Сварка металлов", Гаврилов К.Л., Санкт-Петербург, Негосударственное образовательное учреждение "Обучение", 2021 год.
_______________________________________________________________
Продукция, поставляемая ООО «МАГНИТ плюс» г. Санкт-Петербург более подробно представлена на сайте https://magnitsp.ru
