СПОСОБ РЕМОНТА ТРЕЩИН МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ
METHOD OF REPAIRING FRACTURES IN METAL STRUCTURES

Изобретение относится к сварке и может быть использовано в различных отраслях при ремонтных и восстановительных работах листовых металлоконструкций с трещинами.
Известны способы для восстановления металлоконструкций с трещинами, заключающиеся в том, что в дополнительные отверстия, выполненные по разные стороны от трещины, вставляют крепежные болты, соединяют между собой либо, системой стяжных элементов, либо специальными пластинчатыми пружинными вставками, которые охватывают трещину с обеих сторон конструкции (см. а.с. СССР №1366343, кл. В23Р 6/00, 1986; а.с. СССР №1442354, кл. В23Р 6/00, 1988; патент РФ №1343689, кл. В23Р 6/00, 1985; а.с. СССР №1496980, кл. В23Р 6/04, 1987).
Недостатками всех известных способов являются значительная трудоемкость реализуемого способа восстановления металлоконструкций, их предельно малая эффективность, низкая надежность конструкции после восстановления.
Известны также способы для восстановления металлических конструкций с трещиной, реализующие сварные методы, которые используют накладные пластины для заварки трещины (см. Вощанов К.П. Ремонт оборудования сваркой. М.: Машиностроение, 1967. С.74-76).
Недостатками известных способов являются значительная сложность, громоздкость и низкая производительность реализуемого ими способа, предельно ограниченные функциональные возможности и области применения.
Известны способы ремонта металлических конструкций с трещиной, при которых удаляют дефектную зону и приваривают заплаты в виде набора стальных листов с бортами, близкими к прямому углу (см. а.с. СССР №1498598, кл. В23Р 6/00, 1989; а.с. СССР №2012474, кл. В24Р 6/00, 1994; а.с. СССР №1539035, кл. В23Р 6/04, 1990; а.с. СССР №1391856, кл. В23Р 6/04, 1988), либо приваривают к кромкам набор отдельных пластин в порядке увеличения их размеров (см. а.с. СССР №1077160, кл. В23Р 6/04, 1984).
Недостатком всех известных способов является значительная трудоемкость реализуемого ими способа восстановления металлоконструкций. Это объясняется необходимостью удаления дефектной зоны и зачистки кромок листового материала, изготовления и подгонки заплат, надобностью плавящихся электродов для сварки и т.д. Данный способ практически может быть применен только в исключительных случаях для ограниченного типа конструкций.
Известны способы ремонта металлических конструкций с трещиной, при которых удаляют дефектную зону газовым резаком или фрезой, строганием или другими способами. По кромке выреза снимают фаски с раскрытием их в удобную для сварки сторону с последующей зачисткой. Заплату выбирают с размерами, превышающими габариты трещины, или заплату-вставку вырезают точно по контуру подготовленного выреза с фасками по кромкам или приваривают заплату в виде набора стальных листов с бортами, близкими к прямому углу. Чашеобразные элементы приваривают, накладывая друг на друга (см. а.с. СССР №1754398, кл. В23Р 6/04, 1992).
Недостатками способа ремонта конструкций с трещинами являются значительная сложность, низкая производительность, высокая трудоемкость выполнения ремонтных работ, материалоемкость, а также ограниченная область применения.
Это объясняется тем, что при сварке каждой пластины или чашеобразного элемента-заплаты увеличиваются общий объем наплавленного металла, расход электродов, появляются значительные по величине сварочные напряжения.
Известен способ ремонта трещин металлических конструкций, включающий последовательную заварку по всей длине трещины (см. а.с. SU 1593876, кл. В23Р 6/04,1990).
Недостатками способа являются значительная сложность, низкая производительность, предельно ограниченные функциональные возможности и область применения. Это объясняется необходимостью разделки трещины путем высверливания ряда сквозных отверстий вдоль линии трещины. Между отверстиями имеются перемычки. Заварку разделанной трещины выполняют путем последовательной заварки вдоль трещины каждого отверстия. В каждом отверстии валики шва накладывают по глубине трещины путем полного заплавления полости отверстия. Наложение каждого валика производят ручной сваркой короткой дугой при температуре 3200°С, последовательно перемещая электрод в сторону, обращенную к сварщику.
Данный технологический процесс практически невозможно автоматизировать, последовательная заварка отверстий создает значительные сварочные напряжения и требуется термообработка шва. Способ может быть применим только в исключительных случаях для ограниченного типа конструкций.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ ремонта трещин металлических конструкций, включающий последовательную заварку путем локального точечного нагрева и переплава основного металла вдоль трещины контактной точечной или шовной сварочной машиной с формированием монолитного ядра, заварку ведут по всей длине трещины с перекрытием предыдущего сформированного ядра как минимум на 30% (см. патент РФ 2378098, кл. В23Р 6/04, 2008).
Недостатком способа-прототипа является значительная сложность, низкая производительность, ограниченные функциональные возможности и область применения. Это объясняется необходимостью очистки трещины (грязь, масло и т.д.), удаления с поверхности окисной (окалина, ржавчина и т.п.) пленки, дополнительного нагрева в режиме термообработки и проковки на сварочной машине для снятия сварочных напряжений, сравнительно низкой прочностью и качеством заваренного шва. Эти операции иногда занимают значительное время и средства (подручные материалы и инструменты и т.п.) при подготовке к процессу заварки трещины и снижают производительность работы.
Технический результат - упрощение способа, повышение его производительности, расширение технологической возможности ремонта, ускоренная очистка трещины и удаление окисной пленки, снижение сварочных напряжений и коробления деталей, повышение прочности и качества заваренного шва.
Предлагаемый способ ремонта трещин металлоконструкций с применением ультразвукового колебания предусмотрен для ускоренной очистки и удаления окисных пленок с трещин, получения однородной структуры сварного шва, снижения сварочных напряжений и повышения прочности и качества заваренного шва с заваркой трещин в среде ультразвукового колебания.
Сущность предлагаемого способа состоит в том, что ведут последовательную заварку путем локального точечного нагрева и переплава основного металла вдоль трещины контактной точечной или шовной сварочной машиной с формированием монолитного ядра, где заварку ведут по всей длине с перекрытием предыдущего сформированного ядра как минимум на 30% и в течение всего цикла в зону трещины вводят ультразвуковые колебания. Наложение ультразвука оказывает комплексное воздействие на весь процесс формирования ядра в трещине. Начальным этапом процесса является подготовка поверхностей трещины детали в зоне контакта под заварку. Для этого в зону контактирования сжатой детали электродами вводятся ультразвуковые колебания, которые вызывают силы трения. Их нормальные и тангенциальные составляющие разрушают окисную пленку и под действием вибрации вытесняют ее из зоны соединения, затем при прохождении сварочного тока происходит быстрый нагрев микроконтактов в зоне соприкосновения и плавления остаточных поверхностных покрытий. Последующее плавление металла и образование литой зоны сопровождаются дегазацией и активным перемешиванием расплава под действием ультразвуковых колебаний, повышая однородность состава металла, а также равномерное распределение неметаллических включений по всему объему расплава. После отключения сварочного тока происходит кристаллизация металла под действием ультразвукового колебания, которые способствуют разрушению дендридной структуры на мелкие многочисленные кристаллизующиеся зерна, образующих центры кристаллизации и ускоряют диффузию металла (Абрамов О.В. Кристаллизация металлов в ультразвуковом поле. М.: Металлургия, 1972. - 256 с., Кулемин А.В. Ультразвук и диффузия в металлах. - М.: Металлургия, 1978. - 199 с.). После снятия ультразвуковых колебаний наблюдаются упрочнение металла, снижение сварочных напряжений и в целом повышение качества сформированного ядра. Полученный заваренный шов не нуждается в термообработке и проковке на контактной точечной или шовной сварочной машине для снятия сварочных напряжений. Процесс заварки (сварки) трещин может быть полностью автоматизирован (роботизирован).
Энергосберегающая технология предлагаемого способа позволяет сэкономить расход электроэнергии по сравнению с ручной электродуговой сваркой на 12…19% ввиду исключения дополнительного нагрева и проковки на контактной точечной или шовной сварочной машине для снятия сварочных напряжений.
Способ ремонта трещин металлоконструкций с применением ультразвуковых колебаний может быть использован в авиации, при ремонте мостов, различных ферм, автотракторной и сельскохозяйственной техники и т.п. в связи с экономической целесообразностью, а также с повышением прочности заваренного шва и качества исполнения работ.