УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВИБРАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ СВАРНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Область техники
Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к устройствам для виброобработки конструкций и изделий с целью стабилизации геометрических размеров посредством релаксации остаточных напряжений, возникающих в процессе дуговой сварки. Устройства для вибрационной обработки используются для вибрационного старения деталей и конструкций и снятия остаточных напряжений для повышения их размерной стабильности. По воздействию на металл вибрационный метод эквивалентен длительному естественному старению. Во многих случаях он может заменить дорогостоящую термическую обработку, требующую сложного оборудования. Кроме того, одной из разновидностей метода вибрационной обработки является сопутствующая процессу сварки вибрационная обработка, которая, кроме стабилизации размеров, приводит к оптимальной геометрии сварного шва, повышает механические свойства, снижает остаточные деформации.
Уровень техники
При дуговой сварке металлов происходит резкий и неравномерный нагрев энергией движущейся дуги, а также неравномерное и быстрое последующее остывание по мере распространения теплоты в массе изделия. Температурные расширения и сокращения металла сопровождаются временными деформациями и соответствующими им напряжениями. При достижении напряжениями предела текучести, значение которого понижается при повышенных температурах, происходит пластическая деформация. При последующем остывании, пластически деформированные участки сварного соединения, а именно зона термического влияния и прилегающая зона основного металла, ограничивают при остывании возможность возвращения формы и размеров сварной конструкции к состоянию до сварки: это является одной из причин возникновения остаточных напряжений. Неравномерная кристаллизация металла сварного шва, начинающаяся от зоны сплавления, и продолжающаяся растущими внутрь сварного шва и, впоследствии, соединяющимися между собой, кристаллитами в твердо-жидкой кристаллизующейся ванне, препятствует сокращению объема вследствие литейной усадки оставшейся жидкой составляющей: это является другой из причин возникновения остаточных напряжений. При наличии структурных превращений в металле шва, они также являются источником остаточных напряжений: если при определенной, критической температуре происходят фазовые превращения металла, связанные с изменением его объема, то зоны сварного соединения, не претерпевшие структурные превращения, препятствуют изменению объема зонам со структурными превращениями: это является третьей из возможных причин возникновения остаточных напряжений. Таким образом, термодеформационный цикл дуговой сварки приводит к возникновению остаточных напряжений, которые могут значительно понижать усталостную прочность, коррозионную стойкость, способность конструкции выдерживать рабочие нагрузки, а также приводить к нестабильности размеров и формы с течением времени вследствие «старения», то есть вследствие релаксации части остаточных напряжений (Сагалевич В.М., Савельев В.М. Стабильность сварных соединений и конструкций. - М.: Машиностроение, 1986. - 264 с).
Известны несколько методов частичного снятия напряжений в готовых сварных соединениях. Основными из них являются термическая обработка и приложение внешней механической нагрузки. Однако, в настоящее время вследствие высокой экономической эффективности, экологичности, малого времени выполнения, низкой энергозатратности и достаточной эффективности находит широкое применение метод вибрационной обработки, основанный на введении циклических вибрационных колебаний в сварную конструкцию. Существуют два основных разновидности данного метода: по первому способу виброобработку проводят на уже сваренной сварной конструкции на околорезонансных частотах, по второму производится наложение виброобработки на кристаллизующийся металл сварочной ванны. Виброобработка осуществляется специальными устройствами, называемыми вибраторами, основная часть которых содержит вибровозбудитель, как правило - двигатель с дебалансом, часто - пульт управления, датчики обратной связи.
Известно устройство для вибрационной обработки (патент РФ №2355546, МПК В23Р 25/00), которое содержит вибровозбудитель, имеющий ротор с выступами, и упорные ролики. Ротор с выступами выполнен в виде кулачков с многогранным профилем, установленных относительно заготовки в местах, соответствующих зонам образования пучностей гармоник в заготовке, упорные ролики подпружинены к кулачкам. Недостатком рассматриваемого устройства является ограниченная область его использования - он предназначен для виброобработки только вращающихся изделий, таких как валы. Кроме того, возможно протекание тока через узлы устройства, что не позволяет безопасно и без поломок оборудования выполнить вибрационную обработку, совмещенную с процессом сварки.
Известно устройство для вибрационной обработки (патент РФ №2043155, МПК В02С 2/04), содержащее электродвигатель и дебаланс, выполненный в виде подшипниковой втулки, насаженной на вал электродвигателя, на втулке закреплены два кольца с буртами, направленными навстречу друг другу, а между ними и втулкой подшипника зажаты два равных по массе груза с направляющими канавками, сопряженными с буртами колец. На грузах выполнены фиксирующие устройства, представляющие собой конические элементы, установленные в канавках грузов с возможностью перемещения с помощью винта. Между грузами установлен секторный вкладыш. Благодаря свободному перемещению грузов по направляющим при освобожденных фиксаторах в рассматриваемой конструкции обеспечивается регулировка статического момента дебаланса. Устройство предназначено для использования в инерционных дробилках в рудоподготовительных работах на обогатительных фабриках, поэтому конструкция дебаланса имеет избыточную металлоемкость для выполнения операций вибрационного старения металлических деталей и конструкций. Кроме того, возможно протекание тока через узлы устройства, что не позволяет безопасно и без поломок оборудования выполнить вибрационную обработку, совмещенную с процессом сварки.
Известно устройство для вибрационной обработки (патент РФ №91299, МПК В02С 2/04), содержащее электродвигатель с двумя выходами приводного вала, на каждом из которых установлен дебаланс, закрытый защитным кожухом. Дебаланс состоит из стального цилиндра, двух фланцев и приводного вала, включает как минимум восемь секторов, ограниченных делителями. Сектора внутри дебаланса создают вибрацию при вращении вала. Недостатком этого технического решения является невозможность его перенастройки по величине силы воздействия на обрабатываемое изделие. При значительном изменении параметров обрабатываемого изделия необходимо использовать обрабатывающее устройство с другими выходными характеристиками. Кроме того, возможно протекание тока через узлы устройства, что не позволяет безопасно и без поломок оборудования выполнить вибрационную обработку, совмещенную с процессом сварки.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому устройству является устройство для вибрационной обработки, защищенное патентом РФ №2434729 (МПК В23Р 25/00), выбранное в качестве прототипа. Известное устройство содержит двигатель, установленный на опоре. На каждом из двух выходов вала установлен дебаланс, закрытый защитным кожухом. Каждый дебаланс выполнен в виде двух дисков. Каждый из дисков снабжен грузом. Недостатком этого технического решения является возможность протекания тока через узлы устройства (например, пробоя изоляции между статером и ротором двигателя), что не позволяет безопасно и без поломок оборудования выполнить вибрационную обработку, совмещенную с процессом сварки.
Раскрытие полезной модели
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является расширение возможностей выполнения вибрационной обработки, а именно возможность безопасно и без поломок оборудования проведения совмещенной с процессом сварки вибрационной обработки при сохранении возможности проведения послесварочной виброобработки.
Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемой полезной модели - предотвращение протекания тока через узлы устройства (например, пробоя изоляции между статером и ротором двигателя, или между датчиками обратной связи по характеристикам состояния двигателя по температуре или скорости вращения вала или параметрам вибрации по виброускорению, или амплитуде, или частоте вибрации и пультом управления).
Технический результат достигается за счет того, что предложенная конструкция, также как и известная, содержит установленный на опоре электродвигатель с двумя выходами приводного вала, на каждом из которых установлен дебаланс, закрытый защитным кожухом, причем дебаланс выполнен в виде диска с закрепленным грузом, центр тяжести которого смещен от центра вала, причем диск закреплен на валу, в диске и грузе выполнены сквозные отверстия на одинаковом расстоянии от центра, диск соединен с грузом резьбовым соединением. Но, в отличие от известного, в предлагаемом устройстве опоры электродвигателя выполнены электроизолированными с применением электроизоляции из материала, проводящего вибрацию, что предотвращение протекания тока через узлы устройства (например, пробоя изоляции между статером и ротором двигателя, или между датчиками обратной связи по характеристикам состояния двигателя по температуре или скорости вращения вала или параметрам вибрации по виброускорению, или амплитуде, или частоте вибрации и пультом управления) при осуществлении вибрационной обработки, сопутствующей процессу сварки. Протекание тока через узлы устройства может привести к поломке сварочного изделия, а также может снизить срок эксплуатации виброустановки. Опоры электродвигателя имеют элементы крепления последнего к сварному изделию или вибростолу со сварными изделиями (например, посредством струбцин за края опор или посредством болтовых соединений через прорези в опорах). Также устройство может содержаться датчики обратной связи по характеристикам состояния двигателя или параметрам вибрации (для оценки состояния двигателя или параметров вибровоздействия), или пульт управления (для управления работой двигателя, а также записи процесса, задания параметров воздействия, контроля протекания процесса, выбора режима обработки).
Поэтому, на основании вышеприведенного, обеспечивается возможностей безопасного и без поломок оборудования выполнения вибрационной обработки при сварке, а также повышается срок эксплуатации виброустановки, что решает поставленную задачу, кроме того, проведение сопутствующей вибрационной обработки приводит к оптимальной геометрии сварного шва, повышает механические свойства сварного соединения, снижает остаточные деформации.
Краткое описание чертежей
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведен пример выполнения устройства для вибрационной обработки, со снятым защитным кожухом с одного из дебалансов (вид спереди и сбоку), на фиг. 2 показана схема, иллюстрирующая возможность протекания тока через узлы устройства.
Устройство содержит двигатель 1, установленный на опоре 2. На каждом из двух выходов вала 3 установлен дебаланс, закрытый защитным кожухом 4. Каждый дебаланс выполнен в виде состоит из диска 5 с закрепленным резьбовым соединением 7 грузом 6, центр тяжести которого смещен от центра вала. Диск 5 закреплен на валу 3, например, шпоночным соединением. На равных расстояниях от центра вала 3 на дисках и грузах выполнены отверстия 8. Поверхности опоры электродвигателя, касающиеся сварного изделия или вибростола со сварными изделиями выполнены электроизолированными с применением электроизоляции 9 из материала, проводящего вибрацию, и имеющими элементы крепления электродвигателя к сварному изделию или вибростолу со сварными изделиями (например, посредством струбцин за края опор или посредством болтовых соединений через прорези в опорах).
Обеспечивается предотвращения протекания тока через узлы устройства (например, пробоя изоляции между статером и ротором двигателя, или между датчиками обратной связи по характеристикам состояния двигателя по температуре или скорости вращения вала или параметрам вибрации по виброускорению, или амплитуде, или частоте вибрации и пультом управления), вследствие чего расширяются возможности выполнения вибрационной обработки с только послесварочной на как послесварочную, так и совмещенную с процессом сварки. Таким образом, при осуществлении вибрационной обработки, сопутствующей процессу сварки, при котором между сварочной горелкой 10 и свариваемой заготовкой 11 возникает сварочная дуга 12 и получается сварочное изделие, - предотвращается протекание тока через узлы устройства.
При работе устройства его устанавливают на плоскость обрабатываемого изделия или на вибростол с изделиями, при этом изделие устанавливается на резиновых прокладках при послесварочной обработке и при сопутствующей обработки габаритных изделмй), которые позволяют отдельным его частям колебаться на резонансных частотах (при послесварочной обработке) или на оптимальных частотах (как правило, примерно при 15-65 Гц) (при сопутствующей виброобработке). Описание конструкции устройства доказывает достижение технического результата. Такое решение позволяет эффективно обрабатывать прецизионные сварные конструкции с жесткими требованиями к размерной стабильности, приводит к оптимальной геометрии сварного шва, повышает механические свойства, снижает остаточные деформации.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели.
Было произведено экспериментальное подтверждение возможности выполнения способа. Изначально были определены теоретические амплитудно-частотные характеристики образцов сварных соединений для послесварочной виброобработки конечно-элементным анализом с применением программного комплекса, а также опытным путем подобраны оптимальные режимы сопутствующей виброобработки. В качестве основы был принят технологический комплекс НВО "Резонанс" И100-17 (прототип), который был доработан наклейкой электроизоляционной бумаги по соприкасающимся с вибростолом и со струбцинами поверхностями. В качестве сварных конструкций были приняты пластины 200×300 мм из алюминиевого сплава АМг6 толщинами 4 мм со сварным швом по центру (валик). Была произведена послесварочная, а затем на следующем изделии сопутствующая вибрационная обработки. Измерения напряжений выполнялись методом спекл-интерферометрии вкупе с засверливанием отверстий: результатом было падение значений остаточных напряжений сварных соединений до 40-60%. Сбоев в работе установки (коротких замыканий, неполадок в работе пульта управления и т.д.) не наблюдалось.