Технические науки / 9.  Обработка материалов в машиностроении

 К.т.н. Тарасов А.С., к.т.н. Кимстач А.В.

  Национальный минерально-сырьевой университет «Горный» ,

Россия, Санкт-Петербург

 Влияние ультразвуковой обработки на остаточные напряжения в сварных соединениях

 

     Проблема снижения остаточных напряжений, неизбежно возникающих в сварных соединениях при любых, практически, способах сварки, может быть решена различными видами последующей обработки. С этой целью используются [1]  отжиг всей конструкции либо локальный нагрев, прокатка роликами, дробеструйная обработка, низкочастотная вибрационная обработка.

   В настоящей работе предпринята попытка введения энергии ультразвуковых колебаний  в сварной шов и зону термического влияния при непосредственном контакте рабочего инструмента с металлом.

     Эксперименты проводились на образцах сталей 09Г2С и 10ХСНД.

     Пластины размером 300х200х10 мм. сваривали попарно  встык (сварное соединение С7) за два прохода автоматической сваркой под флюсом  сварочной проволокой Св08А по режиму: сварочный ток  - 250 А, напряжение – 34 В, скорость сварки – 35 м/час.

     Валик усиления после сварки  удаляли фрезерованием.

Измерения продольных (относительно оси шва) остаточных напряжений σх осуществлялись двумя методами: неразрушающим методом рентгеновской тензометрии по смещению дифракционных максимумов [3] и  разрушающим - посредством выполнения продольных разрезов с использованием деформометра конструкции МВТУ им. Баумана [4].

     Первый метод позволяет оценить характер распределения остаточных напряжений в тонком поверхностном слое,   находившемся в непосредственном контакте с рабочим инструментом-индентором. Второй, разрушающий метод дает интегральную оценку напряжений по всему сечению сварного соединения.

     Распределение напряжений анализировалось непосредственно после сварки и после ультразвуковой обработки.

     На рис. 1 представлено распределение остаточных напряжений σх, в поверхностном слое сварных образцов стали 09Г2С, измеренных рентгеновским методом.

                       σх,МПа                                                              σх,МПа                                                         

         

                         Рис.1                                                          Рис.2

 

 

                 Измерение деформометром средних по высоте сварного соединения напряжений выявило подобное распределение (рис. 2), отличающееся большими значениями в максимуме (порядка 350 МПа) и менее острым распределением по ширине сварного соединения.

     С учетом выявленной картины распределения продольных остаточных напряжений непосредственно  после сварки ультразвуковой обработке была подвергнута полоса щириной  40 мм. ( по 20 мм. влево и вправо от оси сварного шва). Усилие прижатия инструмента составляло 50 Н, скорость перемещения стола – 20 м/час,  шаг поперечной подачи – 2 мм..

     После обработки распределение остаточных напряжений в поверхностном слое (измеренное рентгеновским методом) оказывается принципиально иным (рис. 3): в полосе ± 15-18 мм. от центра шва растягивающие напряжения сменяются значительными ( до - 400 МПа в центре шва) сжимающими напряжениями.

 

                    σх,МПа                                                        σх,МПа                                                                             

                      Рис. 3                                                        Рис. 4

                          


    Распределение средних по высоте (измеренных деформометром) остаточных напряжений сохраняется таким-же, как после сварки (рис. 4), но высота максимума в центре шва заметно снижается – до 260 МПа.

В сварных образцах стали 10ХСНД распределение остаточных напряжений непосредственно после сварки (рис.5,6) подобно наблюдавшемуся в стали 09Г2С. Отличительной особенностью является более высокие значения максимума растягивающих напряжений в центре шва.

 

                         σх,МПа                                                          σх,МПа                                                         


   


                           Рис. 5                                                         Рис. 6

                                                                                                                        

                                                                                 

      После ультразвуковой обработки по тем же режимам, что и для стали 09Г2С, измеренное рентгеновским методом распределение остаточных напряжений в поверхностном слое (рис. 7) характеризуется подобным же «реверсом» знака напряжений в  центральном сечении. Причем максимальное значение остаточных напряжений сжатия (- 600 МПа) значительно превышает предел текучести данной стали. Причиной данного явления служит, по-видимому, сильный наклеп  металла в поверхностном слое.

 

 

 

                    σх,МПа                                                       σх,МПа                                                         

 

                          Рис. 7                                                        Рис. 8

                                                     

    Распределение средних по высоте напряжений (рис. 8) остается таким-же как и после сварки, но, как  и в стали 09Г2С, абсолютное значение напряжений растяжения в максимуме снижается на 15-20 %.

     Таким образом, ультразвуковая обработка сварных соединений жестко закрепленным индентором является удобным и достаточно эффективным способом снижения нежелательных напряжений в сварных конструкциях.

 

  Литература:

1.   Винокуров В.А. Сварочные деформации и напряжения. – М.: Машиностроение, 1968.- 345 с.

2.   http://magnitsp.ru/katalog/64.html

3.   Краус И.,Трофимов В.В. Метод рентгеновской тензометрии в технической диагностике металлических изделий // Материалы Международной научно-практической конференции. 14-15 июня 2011 года.- СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2011. С.278-283.

4.   Куркин С.А.   Сварные конструкции. Технология изготовления, механизация, автоматизация и контроль качества в сварочном производстве: Учеб. для вузов.  / Николаев Г.А. -  М.:  Высш. шк.,  1991