Замена послесварочной термообработки металлоконструкций

В производстве металлоконструкций наиболее энергоемкой технологической операцией является их термическая обработка. Взамен термообработки может применяться технология высокочастотной механической проковки поверхности металла, разработанная в институте электросварки им. Е.О. Патона.

Высокочастотная механическая проковка (ВМП) является развитием технологий пластического деформирования поверхности металлов (поверхностного наклепа) дробью, обкаткой роликом, чеканкой, пластическим обжатием и взрывной обработкой. Все эти технологии применялись для повышения сопротивления коррозионным и усталостным повреждениям деталей машин и сварных соединений в конструкциях различного назначения.

 Поверхностное пластическое деформирование металла при ВМП достигается при воздействии ударных элементов инструмента на обрабатываемую поверхность. В зависимости от площади обрабатываемой поверхности, используются одиночные бойки различного диаметра (шарообразные, цилиндрические с полусферическим торцом) или группа бойков, помещаемые в специальные съемные головки. 

Рис. 1. Профиль сварного шва после упрочнения ВМП зоны сплавления шва с основным металлом

С целью повышения сопротивления усталости сварных соединений, пластическому деформированию подвергается зона сплавления шва с основным металлом шириной 4...7 мм. При качественно выполненной упрочняющей обработке в этой зоне образуется характерная канавка глубиной 0,2-0,5 мм (рис. 1), которая увеличивает радиус перехода от шва к основному металлу и одновременно устраняет острые подрезы вдоль линии сплавления. Кроме того, в результате пластического деформирования металла на глубину 0,5…1,0 мм (в зависимости от класса прочности стали), в зоне обработки происходит упрочнение поверхностного слоя металла, снятие растягивающих напряжений и формирование остаточных напряжений сжатия, значения которых могут достигать предела текучести стали. Эти факторы и способствуют повышению сопротивления коррозионным и усталостным повреждениям сварных соединений. 

Исследования способа ВМП выполняются в ИЭС им. Е.О. Патона по инициативе Б.Е.Патона с 1983 года. Их цель – оценка эффективности повышения сопротивления усталости сварных соединений металлоконструкций из сталей различных классов прочности и алюминиевых сплавов. Полученные результаты приведены в таблице 1.

 Таблица 1. Эффективность ВМП сварных соединений

Из таблицы видно, что в зависимости от условий циклического нагружения, основных механических свойств материала, остаточных напряжений и других факторов, под воздействием ВМП циклическая долговечность повышается в 8-10 раз, а предел выносливости на базе 2х106 циклов перемен напряжений – на 30-200%.

Последние исследования показали высокую эффективность ВМП для повышения ресурса эксплуатируемых металлоконструкций с высоким уровнем накопленных усталостных повреждений. Также показана высокая эффективность технологии ВМП для ремонтных швов после полного удаления усталостной трещины и ее заварки.

В сравнении с другими способами поверхностного пластического деформирования сварных соединений, ВМП имеет целый ряд преимуществ:

• высокие производительность и экономичность;
• компактность и мобильность оборудования;
• обработка в произвольном пространственном положении;
• использование как на производстве, так и на эксплуатируемых конструкциях. 

Рис. 2. Компактный комплекс для высоко- частотной механической проковки (ВМП) сварных соединений металлоконструкций: 1 – ультразвуковой генератор; 2 – ручной инструмент для ВМП        с пьезокерамическим излучателем; 3 - съемные ударные головки

Разработан технологический регламент ВМП для повышения сопротивления усталости сварных соединений элементов несущих конструкций. Регламент включает инструкцию по эксплуатации установки для высокочастотной ударной обработки сварных соединений и поверхностей металлов и сплавов, описание технологии обработки различных типов сварных соединений и указания по мерам безопасности. Разработанная технология и оборудование ВМП защищены патентами Украины, России, Франции, США. 

На рис. 2 приведен общий вид установки для выполнения ВМП. Она состоит из УЗ генератора и ручного рабочего инструмента. На рис. 2 показан комплект съемных рабочих головок ручного инструмента с различным количеством бойков трех разновидностей их диаметра. Стоимость оборудования составляет 15000 грн. 

В целом полученные результаты исследований позволили рекомендовать к применению ВМП в судостроении, мостостроении, экскаваторостроении, авиастроении и других отраслях. На ряде объектов этот вид поверхностного наклепа сварных соединений применяется либо проходит опытно-промышленную проверку. Технология ВМП была применена для упрочнения ремонтных швов пролетного строения эксплуатируемого железнодорожного моста через р. Днепр. 

Кирьян В.И., д.т.н., чл.-кор. НАН Украины,
Кныш В.В., к.ф.-м.н. НТК «ИЭС» им. Е. О. Патона