СПОСОБ ОБРАБОТКИ СВАРНЫХ ШВОВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛОСКИХ ДЕТАЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ
METHOD FOR TREATMENT OF WELDED JOINTS OF FLAT METAL PARTS USING ULTRASONIC VIBRATIONS

Изобретение относится к технологии сварки металлических плоских деталей и служит для обработки сварного шва в процессе сварки и кристаллизации с целью улучшения его структуры и свойств.
Известен способ сварки металлических цилиндрических изделий, заключающийся в том, что в зону сварки через торец одной из свариваемых деталей вводят колебания от источника ультразвуковых колебаний, направление которых ориентировано перпендикулярно плоскости сварного шва, при этом воздействие ультразвуковых колебаний приводит к улучшению структуры шва (см. А.С. СССР №334020, B23K 9/022, опубл. 30.03.1973 г).
Недостатком способа является возможность передачи колебаний только через деталь, размеры которой соответствуют значениям резонансных параметров используемой колебательной системы, которые обеспечивают максимальные колебания в зоне сварки.
Известен способ ультразвуковой сварки толстостенных конструкций, заключающийся в поочередном наложении швов: нечетные - с вводом колебаний частотой 20-40 кГц и амплитудой 10-50 мкм в процессе кристаллизации, четные - с сопутствующим охлаждением водовоздушной смесью, что позволяет снизить вероятность возникновения холодных трещин и уменьшить уровень остаточных напряжений (см. патент РФ 2605888 С1, B23K 28/00, опубл. 27.12.2016 г).
Недостатком способа является воздействие ультразвуковых колебаний в околошовной зоне, что подвергает источник колебаний воздействию высоких температур, в результате чего снижается эффективность передачи колебаний и требуется большая амплитуда колебаний до 50 мкм, что повышает затраты энергии на проведение сварки. Также недостатком являются структурные изменения в сварном шве, полученном с введением колебаний, в результате нагрева при наложении следующего шва.
Наиболее близким техническим решением является принятый в качестве прототипа способ, согласно которому на свариваемых деталях с двух сторон от сварного шва размещаются ультразвуковые колебательные системы, работающие в диапазоне частот 22,1-22,7 кГц, подключенные к одному генератору, при этом расстояние их размещения выбирается в зависимости от режима сварки (см. патент RU 2280547 С2, B23K 28/00, опубл. 27.07.2006 г.
Недостатками данного способа являются сложность процесса, связанная с согласованием работы двух колебательных систем при работе от одного генератора, а также выбор их расположения без учета характера распространения изгибных колебаний, возникающих при данной схеме обработки, по соединяемым деталям, в результате чего снижается эффективность ультразвукового воздействия и повышаются энергозатраты на поддержание режима колебаний.
Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является упрощение способа наложения ультразвуковых колебаний при повышении эффективности ультразвукового воздействия в процессе кристаллизации металла сварного шва и одновременном снижении потребляемой энергии.
Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в способе обработки сварных швов металлических плоских деталей, заключающемся в том, что сварной шов в процессе сварки и последующей кристаллизации дополнительно обрабатывают путем наложения ультразвуковых колебаний на свариваемые детали со стороны ультразвуковой колебательной системы, согласно изобретению воздействие ультразвуковых колебаний осуществляют, используя не более одной ультразвуковой колебательной системы с излучателем, ориентированным перпендикулярно направлению наложения сварного шва, при этом торец упомянутого излучателя установлен с прижатием к поверхности одной из свариваемых деталей на расстоянии λ его вертикальной оси от оси симметрии сварного шва в его поперечном сечении, где λ - длина волны собственных изгибных колебаний соединяемых деталей, причем значение упомянутой длины волны λ соответствует резонансной частоте ультразвуковой колебательной системы, при этом свариваемые детали закреплены на опорах, расположенных на расстоянии 7/4 λ от упомянутой оси симметрии сварного шва.
Решение поставленной технической задачи, а именно упрощение способа обработки сварных швов, достигается за счет уменьшения количества используемых колебательных систем, при этом за счет оптимального расположения места приложения ультразвуковых колебаний и места сварки повышается эффективность и стабильность передачи колебаний от источника ультразвуковых колебаний к зоне сварки, где в результате действия кавитации и акустических течений в ванне расплава происходит диспергирование растущих в процессе кристаллизации зерен, причем одновременно снижается энергопотребление благодаря уменьшению количества используемых колебательных систем и согласованию резонансных частот колебаний источника и свариваемых деталей.
Предлагаемый способ поясняется рядом изображений, где на фиг. 1 представлена схема процесса обработки с наложением ультразвуковых колебаний при сварке и характер их распределения; на фиг. 2 и 3 - приведены фотографии микроструктур металла сварного шва без наложения ультразвуковых колебаний и с использованием ультразвуковых колебаний, соответственно.
На схеме приняты следующие обозначения: L - длина сварного соединения между опорами;  - расстояние от опоры до места сварки первой пластины;  - расстояние от опоры до места сварки второй пластины; λ - длина изгибной волны;  - амплитуда колебаний;  - максимум амплитуды ультразвуковых колебаний.
Процесс обработки сварного шва представлен на примере двух свариваемых металлических плоских пластин 1 и 2, закрепленных на опорах 3 и 4. Воздействие на сварной шов 5 осуществляется со стороны излучателя 6. Характер распределения изгибных колебаний, возникающих под действием ультразвуковых колебаний, по длине свариваемого соединения соответствует графику 7.
Способ обработки сварных швов заключается в том, что сварной шов 5 в процессе сварки с последующей кристаллизацией дополнительно обрабатывают путем наложения ультразвуковых колебаний на свариваемые детали - металлические плоские пластины 1 и 2, для чего используют не более одной ультразвуковой колебательной системы, оснащенной излучателем 6. При этом излучатель 6 ориентирован перпендикулярно направлению наложения сварного шва 5, а его торец установлен с прижатием к одной их свариваемых плоских деталей, например, пластины 2 (см. фиг. 1) на расстоянии λ от его вертикальной оси до оси симметрии сварного шва 5, где λ - длина волны собственных изгибных колебаний соединяемых деталей, которая соответствует резонансной частоте ультразвуковой колебательной системы. При этом свариваемые детали закреплены на опорах 3 и 4 на расстоянии 7/4 λ от упомянутой оси симметрии сварного шва.
Способ обработки сварных швов металлических плоских деталей с использованием ультразвуковых колебаний реализуется следующим образом.
Свариваемые металлические плоские детали - пластины 1 и 2, закрепляются в опорах 3 и 4, выдерживая расстояние между ними  относительно оси симметрии сварного шва 5 в его поперечном сечении (см. фиг. 1). Причем значение данных линейных параметров устанавливается равным  где λ - длина волны собственных изгибных колебаний соединяемых при сварке деталей, которая рассчитывается, исходя из соответствия резонансной частоте используемой ультразвуковой колебательной системе. Затем на поверхность, например, пластины 2 с прижатием устанавливается торец излучателя 6 перпендикулярно направлению наложения сварного шва 5 на расстояние, значение которого определено как
Далее включается ультразвуковая колебательная система и производится сварка двух деталей - пластин 1 и 2. Выключение ультразвуковой колебательной системы происходит после остывания сварного соединения до температуры ниже температуры рекристаллизации свариваемого металла, что позволяет оказывать ультразвуковое воздействие в течение всего процесса формирования кристаллической структуры.
В результате выбора места закрепления свариваемых деталей 1 и 2 в опорах 3 и 4, а также места установки излучателя 6 на поверхности одной из деталей в зависимости от длины волны λ, соответствующей резонансному режиму воздействия на процессы в сварном шве 5, обеспечивается такой характер согласования колебаний, что зоны расположения торца излучателя 6 и сварного шва 5 будут находиться в зонах ультразвукового воздействия с максимальными значениями амплитуды ультразвуковых колебаний  а зоны расположения опор 3 и 4 - в зонах с нулевым значением амплитуды
То есть в результате реализации заявляемого способа за счет согласования резонансных частот колебаний и оптимизации выбора мест крепления деталей, места приложения ультразвуковых колебаний и зоны сварки повышается эффективность и стабильность передачи ультразвуковых колебаний, что позволяет использовать всего одну колебательную систему и снизить расход энергии на ее питание. Расположение сварного шва в зоне максимальной амплитуды  ультразвуковых колебаний повышает эффективность ультразвукового воздействия при формировании структуры сварного шва.
Результат применения предлагаемого способа можно рассмотреть на конкретном примере, в котором осуществлялась сварка двух пластин из стали Ст3, имеющих поперечное сечение 30×4 мм. Резонансная частота колебательной системы составляла 22,2 кГц. Для данных условий длина изгибной волны ультразвуковых колебаний составляет λ=40,5 мм. При сварке использовались следующие размеры линейных параметров: L=142 мм;  расстояние места приложения ультразвуковой колебательной системы до места сварки составляло 40,5 мм; максимальная амплитуда колебаний составила  мкм. В микроструктуре шва, полученного по предлагаемому способу (см. фиг. 3) по сравнению со сваркой без дополнительной ультразвуковой обработки (см. фиг. 2), произошло значительное снижение дендритной ликвации и уменьшился размер зерна. Испытания полученного соединения на растяжение показали увеличение временного сопротивления на 15% и относительного удлинения при разрыве на 20%.
Таким образом, изобретение позволяет упростить способ наложения ультразвуковых колебаний при повышении эффективности ультразвукового воздействия в процессе кристаллизации металла сварного шва и одновременном снижении потребляемой энергии.