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
| Тип соединения | Условия испытания | Предел выносливости при N=2x106 циклов, МПа | Повышение предела выносливости, % | ||
| Вид нагружения | Коэффиц. асим. цикла, Rσ | В исходном состоянии | После обработки | ||
| Низкоуглеродистая сталь (σв=435…460 МПа) | |||||
| Стыковое | Растяжение | 0 | 140 | 220 | 57 |
| С поперечными ребрами, приваренными угловыми швами | Растяжение | 0 | 113 | 164 | 48 |
| Крестообразное | 4-х точечный изгиб | 0,25 | 142 | 234 | 64 |
| -0,5 | 165 | 282 | 71 | ||
| Низколегированная сталь (σв=520…590 МПа) | |||||
| Тавровое | Изгиб | 0 | 168 | 290 | 73 |
| С поперечными ребрами, приваренными угловыми швами | Изгиб | 0 | 198 | 341 | 72 |
| С продольными планками, приваренными угловыми швами | Растяжение | 0 | 86 | 180 | 110 |
| Высокопрочная сталь (σв=820…1000 МПа) | |||||
| Стыковое | Изгиб | -1 | 180 | 300 | 66 |
| Растяжение | 0 | 129 | 224 | 74 | |
| Изгиб | 0,6 | 135 | 175 | 30 | |
| С поперечными ребрами, приваренными угловыми швами | Изгиб | -1 | 80 | 240 | 200 |
| Изгиб | 0 | 110 | 230 | 109 | |
| Изгиб | 0,6 | 80 | 105 | 31 | |
| Тавровое | Изгиб | 0,1 | 135 | 397 | 192 |
| Алюминиевые сплавы (σв=290…335 МПа) | |||||
| Стыковое | Растяжение | 0,1 | 71 | 86 | 21 |
| Нахлесточное, с поперечными угловыми швами | Растяжение | 0,1 | 20 | 35 | 78 |
| С продольными планками, приваренными угловыми швами | Растяжение | 0,1 | 35 | 68 | 95 |
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
