Применение метода ультразвуковой ударной обработки для сварных соединений конструкционных сталей

Вестник ТГАСУ №2, 2006

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

УДК 621.643.062.539

О.Н. НЕХОРОШКОВ,

В.П.ПЕРШИН, канд. техн. наук, доцент,

Б.С.СЕМУХИН, докт. техн. наук

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ УДАРНОЙ ОБРАБОТКИ ДЛЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ

Рассмотрены возможности применения метода ультразвуковой ударной обработки с целью улучшения свойств сварных соединений сталей. Для оценки изменений напряженного состояния предложено использование измерительной системы АБТЯ.

При электродуговой сварке стальных деталей и пространственных конструкций неизбежным является наличие остаточных послесварочных напряжений как непосредственно в материале соединения, так и в удаленных мало-нагреваемых областях.

Общепринятой причиной их появления, характера и значения [1] является высокотемпературный нагрев, наличие ванны расплава с последующими превращениями при охлаждении, наличие зоны термического влияния, в которой происходят структурные превращения, и изменение размеров составляющих. Неравномерно распределенные объемные изменения вызывают появление внутренних остаточных напряжений. Крайне неблагоприятными являются остаточные растягивающие напряжения в сварных соединениях и в основных элементах конструкций. В частности, значительно снижается сопротивление хрупкому разрушению, уменьшается сопротивление усталости, а порог хладноломкости смещается в зону положительных температур.

Существуют многочисленные методы снижения или устранения местных и общих остаточных напряжений растяжения. Эти методы связаны с уменьшением коэффициента концентрации напряжений за счет создания более благоприятной геометрии шва, их перераспределения за счет поверхностной пластической деформации материала шва и околошовной зоны либо их устранения при общем или местном нагреве за счет объемных структурных изменений.

Наименее изученным из известных методов представляется метод ультразвуковой ударной обработки (УУО) как с точки зрения механизма самого

явления, так и технологии его применения. Преимущество этого метода в том, что он совмещает поверхностное упрочнение пластической деформацией при циклических ударах и изменяет общее объемное напряженное состояние в результате воздействия ультразвуковых колебаний [2].

Удобство эксплуатации устройств УУО, большие технологические возможности при работе, низкая энергоемкость позволяют использовать их не только для упрочнения непосредственно сварных соединений, но и для уменьшения послесварочных напряжений в удаленных от сварного шва элементах конструкций.

Применение данного метода обработки может оказаться особенно ценным при изготовлении жестких рам транспортных машин и механизмов, в том числе и лесовозных.

Для оценки напряженного деформированного состояния ответственных сварных металлоконструкций до и после УУО, контроля значений и знака остаточных напряжений необходим неразрушающий экспресс-метод, исключающий нарушение их целостности.

Одним из перспективных является метод оценки остаточных напряжений, связанный с измерением скорости ультразвука при изменении структуры и напряженного состояния металла [3, 4]. Этот метод основан на том, что в зависимости от наличия в исследуемой стали дефектов различных масштабных уровней, а также величины и знака остаточных напряжений изменяется распределение по образцу и скорости распространения акустических волн. Наиболее привлекательной является возможность определения кинетики изменения остаточных напряжений, как в процессе сварки, так и в последующий период, в частности при воздействии дополнительных внешних нагрузок [3].

Использование данного метода осуществлено с помощью прибора «А8ТК». При гарантированно большой точности измерений стоимость этого портативного аппарата невелика, а технология использования проста [4].

Ниже приведены результаты исследования влияния УУО на снижение уровня послесварочных напряжений, структуру и свойства образцов сварных соединений конструкционной стали 09Г2С, а также возможности изучения их напряженного состояния представленным прибором.

Исследования влияния УУО проводили на образцах размерами 50x250 мм, толщиной 18 мм, вырезанных из листов горячекатаной стали 09Г2С. Состав стали и механические свойства листа удовлетворяют необходимым требованиям ГОСТ 19281-89. Стыковые соединения выполнялись ручной дуговой сваркой электродом УОНИ-13-55 на установке ВД-306Э при соблюдении необходимых технологических условий.

Ультразвуковую ударную обработку поверхности соединений после сварки проводили на установке УЗГ-1/2,7. Частота колебаний инструмента и амплитуда торца волновода составляла 27 кГц и 20 мкм, а статическая сила прижима инструмента к поверхности обрабатываемых образцов 100-150 Н. При обработке образцов экспериментально определена необходимая производительность 0,03-0,035 м2/ч.

Необходимые металлографические исследования проводились на оптическом микроскопе МИМ-9, а измерения микротвердости на приборе ПМТ-3 при нагрузке 0,98 Н.

Остаточные напряжения контролировались прибором Л8ТЯ путем измерения скорости ультразвука в области сварного шва в поперечном направлении с шагом 2 мм при точности оценки напряжений ± 10 МПа. Схема измерений и вид прибора представлены на рис. 1.

Наплавленный

металл

измерения термического напряжений влияния

а б

Рис. 1. Схема эксперимента:

а - прибор АБТЯ; б - пространственное распределение точек измерения

До сварки пластины горячекатаной стали 09Г2С имеют строчечную структуру с полиэдрическими зернами феррита легированного Мп и 8І со средним размером 30 мкм и небольшим количеством перлита (рис. 2, а).

Рис. 2. Структура стали 09Г2С:

а - строение стали в исходном состоянии, б - зоны термического влияния сварного соединения после УУО; 1, 2, 3 - зоны с характерным строением

После ультразвуковой ударной обработки сварного шва и зоны термического влияния необходимо выделить три характерные зоны:

1 - зона значительно измельченных зерен до глубины 0,2 мм;

2 - зона деформированных УУО зерен глубиной до 0,8 мм;

3 - зона релаксации остаточных термических напряжений глубиной до 15 мм.

Каждая зона отличается структурой зерен и значением свойств. Распределение средней микротвердости по глубине в зоне термического влияния сварного соединения стали 09Г2С после УУО представлено на рис. 3. В результате УУО в первой зоне происходит наиболее интенсивная пластическая деформация и локальный нагрев поверхности металла.

Нюо, МПа

350П-ЭППП— г з с

гаси—

15са—|---------1-1-1-1-1-1---

а в,а п,в 1,2

Рис. 3. Распределение среднего значения микротвердости стали 09Г2С в зоне термического влияния сварного соединения (по глубине) после УУО

Многократное повторение этих процессов приводит к значительному дроблению зерен. В результате воздействия акустических колебаний и нагрева интенсифицируются диффузионные процессы, а в результате пере-и рекристаллизации происходит измельчение зерен, в некоторых случаях до наноструктурного состояния [5].

По мере удаления от поверхности (зона 2) уменьшается степень пластической деформации, соответственно и уровень измельчения зерен (рис. 2, б), так как снижается температура нагрева, но увеличивается величина наклепа, поэтому значение микротвердости возрастает вплоть до её максимального значения (рис. 3).

При еще большем удалении от поверхности (зона 3) наблюдается незначительная степень деформации зерен (рис. 2, б), а микротвердость снижается, до уровня необработанной стали (рис. 3). Эта зона релаксации термических напряжений образуется в результате того, что при УУО в материале возбуждаются сложные акустические колебания. В результате поглощения энергии высокочастотных колебаний дефектами кристаллической решетки происходит локальный разогрев микрообъемов, протекают диффузионные процессы и, как следствие, значительно снижаются напряжения, необходимые для движения дислокаций, изменяя их общий уровень в макрообъемах [6].

На основании измерений остаточных напряжений, представленных на рис. 4, а, б можно констатировать, что в результате УУО происходит их перераспределение из растягивающих (до 150 МПа) на сжимающие (до -50 МПа).

с, МПа

150

100

Рис. 4. Распределение остаточных напряжений в сварном соединении стали 09Г2С: а - до обработки УУО; б - после УУО

Выводы

1. Ультрозвуковая ударная обработка сварных соединений приводит к формированию трех характерных зон, отличающихся строением и механическими свойствами.

2. Деформационное упрочнение и измельчение зерна на поверхности в сочетании с формированием благоприятных сжимающих напряжений приводит к повышению долговечности сварных соединений в 2-4 раза.

3. Применение УУО при контроле величины и знака остаточных напряжений прибором А8ТЯ целесообразно при изготовлении и ремонте сварных металлоконструкций, работающих в условиях циклических нагрузок с возможными перегрузками.

4. Обработка сварных соединений УУО ремонтируемых рам автомобилей БелАЗ на ОАО «Томусинская автобаза» позволила признать производственную целесообразность использования этой методики.

Библиографический список

1. Труфяков, В.И. Усталость сварных соединений / В.И. Труфяков. - Киев : Наукова думка, 1973. - 216 с.

2. Эффективность применения ультразвуковой обработки для повышения сопротивления усталости сварных соединений / П.П. Михеев, А.Я. Недосека, Е.Ш. Статников [и др.] // Автомат. Сварка, 1984. - № 3. - С. 4-7.

3. Зуев, Л.Б. Акустические свойства металлов и сплавов при деформации / Л.Б Зуев, Б.С. Семухин // Физика и химия обработки материалов. -2002. - № 5. - С. 62-68.

4. Сертификат об утверждении типа средств измерения Яи.С.33.007.Л №16397 на измеритель частоты автоциркуляции ЛБТЯ зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений под № 25958-03.

Вестник ТГАСУ M2, 2QQ6

125

5. An investion of surface nanocrystallization mechanism in Fe induced by surface mechanical attrition treatment / N.R. Tao, Z.B. Wang, W.P. Tong [etc.]// Acta Materialia-50 4 June -18 July 2002. - P. 4603 - 4616.

6. Кулемин, А.В. Ультразвук и диффузия в металлах / А.В. Кулемин. - М. : Металлургия, 1978. - 200 с.

O.N. NEKHOROSHKOV, V.P. PERSHIN, B.S. SEMUHIN

APPLICATION OF ULTRASONIC IMPACT PROCESSING FOR WELDS OF CONSTRUCTION STEEL

The possibilities of application of ultrasonic impact processing for improving the properties of steel welds were considered in the paper. The measuring system ASTB was used for estimation of tension changes.

УДК 625.855.3:677.4.001.5

Н.Е. ЕФАНОВ, заместитель начальника республиканского управления автомобильными дорогами «Горноалтайавтодор»,

В.Н. ЛУКАШЕВИЧ, докт. техн. наук, профессор,

И. В. ПИРЯЕВ, аспирант

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ В КАЧЕСТВЕ ДИСПЕРСНОЙ АРМАТУРЫ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ -СБОРНИКОВ НЕФТЕПРОДУКТОВ

Приведено обоснование технологии приготовления асфальтобетонных смесей, дисперсно армированных волокнами, полученными из отработанных волокнистых сорбентов, предназначенных для локализации и сбора пролившихся нефти, нефтепродуктов и других вязких органических материалов.

Сроки службы асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог, построенных с соблюдением действующих нормативных документов, существенно ниже установленных нормами. Одним из путей увеличения сроков службы покрытий является дисперсное армирование асфальтобетонных смесей, используемых для устройства этих покрытий. Однако вопросы технологии приготовления дисперсно-армированных асфальтобетонных смесей до настоящего времени изучены недостаточно. Существующие технологии дисперсного армирования предусматривают в основном использование кондиционных волокон, что значительно увеличивает стоимость асфальтобетона. При этом остаются неиспользованными огромные объемы отходов производства, побочных продуктов промышленности, бытовых отходов, содержащих полимерные материалы. Эти отходы не могут быть использованы вследствие несовершенства существующих технологий дисперсного армирования асфальто-