Пути улучшения качества сварных соединений

ПУТИ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ С.А. Новокрещенов, аспирант

Донской государственный технический университет

Аннотация. В статье рассматриваются различные методы снятия внутренних напряжений в сварных швах. Выделяются достоинства и недостатки методов снятия внутренних напряжений. Для решения данной задачи предлагается применение методов поверхностного пластического деформирования. В данной статье выделены некоторые задачи, решая которые можно внедрить методы ППД для обработки сварных швов.

Ключевые слова: остаточные напряжения, дробеструйная обработка, шарико-стержневой упрочнитель, предел выносливости на разрушение.

На современном этапе в машиностроении достаточно широко применяются новые композиционные материалы. Их номенклатура достаточно широка, обширна область применения. Однако еще долгое время современное машиностроение не будет обходиться без так называемых классических материалов. Главными материалами останутся, так называемые, классические черные и цветные сплавы на очень долгое время, и улучшение соединений из этих материалов будет обеспечивать развитие производства и, соответственно, улучшение экономического благосостояния.

На сегодняшний момент разработаны и изучены практически все методы разъёмных и неразъёмных соединений. Среди множества способов неразъёмных соединений металлических конструкций можно выделить такие как клепка, пайка и склейка, однако самым распространенным методом соединения металлических конструкций является сварка. Она применяется во всех машиностроительных производствах, за исключением авиастроения.

Соединение деталей сваркой действительно является самым универсальным способом, среди выделенных. Даже такой простой метод неразъемного соединения, как склейка, требует специальной подготовки деталей, что несколько затратно при не самых лучших механических свойствах полученного соединения. В свою очередь сварные соединения прочнее других и достаточ-

но однородные, а также сварка позволяет получить прочные сложные по форме конструкции. Метод соединения прост в освоении рабочими, сварочные работы легко механизируются и автоматизируются, не требуют много времени на выполнение процесса.

Существует множество видов сварки. Среди них можно выделить такие как электродуговая сварка, сварка под флюсом, контактная сварка, сварка трением, плазменная и даже лазерная сварка (и хотя она решает практически все задачи соединения металлических конструкций, лазерная сварка является на несколько порядков дороже и сложнее других видов, и потому далее рассматриваться не будет).

Однако, не смотря на большое количество преимуществ, соединение сваркой обладает рядом недостатков, ухудшающих качество соединения и всего изделия в целом. Основные недостатки сварных соединений следующие:

1. Сварка вызывает нарушение кристаллической решетки материала, из-за чего прочность сварного соединения становится на порядок хуже, чем материала без сварки.

2. Вследствие неравномерного нагрева частей детали при сварке, в поверхностях находящихся рядом со сварным швом (околошовная зона) происходят кристаллические превращения, вследствие которых материал теряет свою прочность (в некоторых случаях разрушение сварной конструкции происходит не на месте сварки, а рядом).

3. Из-за термических воздействий и нарушений кристаллической решетки металла, в сварной конструкции появляются внутренние напряжения всех трех родов, которые, в некоторых случаях, вызывают искривление всей конструкции в целом и др.

Способы борьбы с недостатками при сварке

Для борьбы с данными отрицательными воздействиями на детали, многие исследователи изучают процесс сварки, разрабатывают методы защиты от возникновения брака. Некоторые из них мы рассмотрим ниже.

Основным методом борьбы с браком при сварке деталей, из-за возникновения в них внутренних напряжений, является термическая обработка. Благодаря термообработке происходит изменение кристаллического строения сварного шва и околошовной зоны, из-за чего происходит перераспределение внутренних напряжений и улучшение состояния сварного шва. Однако данный метод достаточно дорогостоящий и требует специального оборудования. Также этим методом устранения напряжений нельзя пользоваться при сварке габаритных изделий.

Другой метод - снятие внутренних напряжений за счет пластической деформации сварного шва. При применении такого метода в зоне сварного шва происходит течение металла в направлении перпендикулярном приложении нагрузки. Происходит перераспределение внутренних напряжений и появляется упрочнение поверхности шва и околошовной зоны. Метод относительно дешев, однако имеет ряд минусов, среди которых изменение формы и размеров детали, при высоких нагрузках может произойти рост местных трещин, что нарушит прочность изделия и др.

Также одним из методов перераспределения напряжений является воздействие на деталь вибрацией. Благодаря циклическим воздействиям происходит перераспределение внутренних напряжений в сварной конструкции. Давно известно, что вибрация способствует изменению и движению внутренних на-

пряжений [1]. Из недостатков данного метода можно выделить относительно малые воздействия на перераспределение внутренних напряжений по сравнению с другими методами.

Относительно новый метод борьбы с браком при сварке - обработка деталей с помощью вибромолота. Сочетание пластических и вибрационных нагрузок позволяет получить действительно хорошие результаты. Циклические ударные нагрузки изменяют структуру зерен, не нарушая при этом формы и размеров детали. Однако для того чтобы применять данный метод при обработке малых деталей или не жестких конструкций требуется большая номенклатура молотов либо насадок.

Как можно увидеть, все перечисленные методы имеют недостатки в большей или меньшей степени требующие затрат на их использование. Также данные методы не решают задач по стабилизации внутренних напряжений детали. Ведь даже перераспределив внутренние напряжения, не факт, что приведенные выше методы (за некоторым исключением термообработки) обеспечат их стабилизацию, что очень важно. А, соответственно, требуется искать другие способы решающие комплекс задач связанный с перераспределением и стабилизацией внутренних напряжений.

Таким способом может быть применение динамических методов поверхностного пластического деформирования при обработке сварных швов с целью снижения брака за счет стабилизации и перераспределения внутренних напряжений в сварной конструкции [2; 3; 4;

5].

И хотя название подразумевает поверхностное воздействие на сварной шов, некоторые методы динамической обработки позволяют пластически обрабатывать деталь на глубину до 10 миллиметров, что позволяет в большинстве случаев обработать весь сварной шов и околошовную зону. Данные способы включают в себя дробеструйную обработку (ДРО), шарико-стержневое упрочнение (ШСУ), а также центро-бежно-ротационную обработку (ЦРО),

хотя использование данного метода сильно ограниченно размерами детали и установки.

Дробеструйная обработка представляет собой процесс [5] обработки металла при помощи, разгоняемой потоком газа или жидкости дроби, от скорости и качества которой зависит результат обработки.

Помимо того, что исходящий из сопла поток не только очищает поверхность шва и околошовной зоны от ненужных элементов (например, удаления флюса или сварной корки), но и придаёт металлу другие свойства. Данный вид обработки позволяет влиять на структуру поверхности детали на глубине 30-50 миллиметров. Схема процесса представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Схема процесса дробеструйной обработки. 1 - сопло, 2 - экструдер

Данный технологический процесс обладает высокими экономическими характеристиками, так как является универсальным и позволяет обрабатывать большую номенклатуру изделий. К недостаткам данного процесса можно отнести высокую загрязненность и, вследствие этого, возможное нанесение вреда здоровью рабочего.

Шарико-стержневой упрочнитель (ШСУ) - многоконтактный виброударный инструмент, сочетающий в себе технологические возможности вибрационной обработки и чеканки. Такой метод динамической обработки позволяет обрабатывать поверхности габаритных деталей, а также труднодоступ-

ные поверхности [3]. Является очень универсальным, удобен для снятия внутренних напряжений с поверхностей сварных швов на любой криволинейной поверхности деталей.

Как говорилось ранее, при сварке одним из основных факторов, влияющим на появление брака в конструкциях, является появление остаточных напряжений. Рассмотрим простой пример: при сварке двух пластин появляются остаточные напряжения вдоль шва ах и поперек шва оу. На рисунке 2 представлена схема распределения остаточных напряжений после сварки.

15 кгс/ммг

Рис. 2. Схема распределения остаточных напряжений после сварки

С точки зрения опасности возникновения хрупких разрушений, наиболее опасны напряжения ау, направленные поперек шва. Перераспределение этих напряжений может обеспечить положительные свойства материала.

Многочисленные исследования показывают, что методы динамической обработки поверхностным пластическим деформированием позволяют перераспределить напряжения, а также произвести в процессе эффект стабилизации, что обеспечит высокое качество и надежность деталей. Например, в работах

[1; 3] указано, после обработки галтелей коленчатых валов методами ППД предел выносливости по разрушению возрастает на 30-50%, а остаточные напряжения растяжения, значения которых были в пределах 150 - 190 МПа после обработки сменились напряжениями сжатия в пределах от 10 до 300 МПа. То есть методы ППД изменяют знак остаточных напряжений. А это очень важно для обработки сварных швов, потому что именно напряжения растяжения приводят к усталостному разрушению сварных конструкций.

Рис. 3. Схема распределения температур при сварке

На рисунке 3 представлена Схема распределения температур при сварке. В ней показано, почему разрушения металла происходят именно в околошовной зоне. Изменение размеров зерен материала само по себе плохо воздействует на прочностные свойства материалов. Кроме того, увеличение размеров зерен материала приводит к появлению неблагоприятных остаточных напряже-

ний растяжения. Воздействие на сварной шов и околошовную зону методами ППД приведет к разрушению на поверхности зерен материала и образованию наклепанной структуры, в которой преобладают напряжения сжатия. Это увеличит прочностные свойства материала, улучшит свойства сварного шва и приведет к повышению качества всей конструкции.

Выводы швах и околошовной зоне. Определить,

Не смотря на очевидный эффект от являются ли они сжимающими или рас-применения динамических методов для тягивающими. Узнать, как они распре-обработки сварных швов, не было про- делены в околошовной зоне. И, нако-ведено достаточных исследований этого нец, достаточно хорошо описать реко-процесса. Однако данные методы могут мендации о том, как проводить техно-обеспечить высокое качество сварных логические процессы перераспределе-швов, и снизить брак на производстве. ния внутренних напряжений. Все эти А для того, чтобы их использовать с вопросы требуют дальнейших исследо-достаточным успехом, нужно ответить ваний, проведя которые можно полунужно решить некоторые задачи. На- чить хорошие результаты по обеспече-пример, исследовать распределение нию качества сварных швов. внутренних напряжений в сварных

Библиографический список

1. Сагалевич В.М. Методы устранения сварочных деформаций и напряжений. -М.: Машиностроение, 1974. - 248 с.

2. Технологическое обеспечение качества поверхности и эксплуатационных свойств деталей машин / М.А. Тамаркин [и др.]. - Ростов-на-Дону: Издательский центр ДГТУ, 2013.

3. Щерба, Л. М. Проектирование технологических процессов виброударной отделочной обработки шарико-стержневым упрочнителем с учетом снижения шума в рабочей зоне: Дис. .. .канд. техн. наук: 05.02.08 - Ростов н/Д, 2003. - 164 с.

4. Тищенко, Э. Э. Повышение эффективности отделочно-упрочняющей центро-бежно-ротационной обработки: Дис. .канд. техн. наук: 05.02.08 - Ростов н/Д, 2004. - 151 с.

5. Лебеденко В.Г. Повышение эффективности обработки деталей дробью и улучшение условий труда операторов: Дис. .канд. техн. наук: 05.02.08 - Ростов н/Д, 2009. - 154 с.

WAYS OF IMPROVEMENT OF QUALITY OF WELDED COMPOUNDS

S.A. Novokreshchenov, graduate student Don state technical university

Abstract. The article considers various methods of removing internal stresses in welded seams. The advantages and disadvantages of methods for removing internal stresses are highlighted. To solve this problem, the use of methods of surface plastic deformation is proposed. In this article, some tasks are highlighted, in which you can implement the methods of PAP for processing welded joints.

Keywords: residual stresses, shot blasting, ball-and-rod hardener, ultimate endurance for destruction.