Анализ       Справочники       Сценарии       Рефераты       Курсовые работы       Авторефераты       Программы       Методички       Документы     опубликовать

Є. О. Патона книш віталій Васильович




НазваниеЄ. О. Патона книш віталій Васильович
страница1/4
Дата04.12.2012
Размер0.64 Mb.
ТипАвтореферат
  1   2   3   4


НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона


КНИШ

Віталій Васильович


УДК 621.791.052: 539.43


ПІДВИЩЕННЯ ЦИКЛІЧНОЇ ДОВГОВІЧНОСТІ ЗВАРНИХ З’ЄДНАНЬ

НА СТАДІЯХ НАКОПИЧЕННЯ ПОШКОДЖЕНЬ ТА РОЗВИТКУ ВТОМНИХ ТРІЩИН


Спеціальність 05.03.06

«Зварювання та споріднені процеси і технології»


АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук


Київ - 2011

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України


^ Науковий консультант:

член-кореспондент НАН України,

доктор технічних наук

Кир'ян Валерій Іванович

Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН

України, завідувач відділу


^ Офіційні опоненти:

член-кореспондент НАН України,

доктор фізико-математичних наук, професор

Красовський Арнольд Янович

Інститут проблем міцності ім. Г.С.Писаренка НАН України, головний науковий співробітник





член-кореспондент НАН України,

доктор технічних наук, професор

^ Андрейків Олександр Євгенович

Львівський національний університет ім. Івана Франка,

МОН України, професор кафедри механіки





доктор технічних наук, професор

^ Прохоренко Володимир Михайлович

Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут» МОН України,

завідувач кафедри зварювального виробництва



Захист відбудеться " " листопада 2011 р. о 1000 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.182.01 при Інституті електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України за адресою: Україна, 03680, МСП, м. Київ-150, вул. Боженка, 11


З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України за адресою: Україна, 03680, МСП, м. Київ-150,

вул. Боженка, 11.


Автореферат розіслано " __ " жовтня 2011 р.


Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук Киреєв Л.С.

^ ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ


Актуальність теми.

Значна частка зварних металоконструкцій, які експлуатуються в Україні, вичерпали або близькі до цього свій призначений при проектуванні термін служби. Такі конструкції в зонах концентраторів напружень зварних елементів накопичили високі рівні втомних пошкоджень, включаючи утворення втомних тріщин, проте об’єктивна реальність потребує їх подальшої експлуатації. Тому розробка та обґрунтування ефективності способів подовження терміну безпечної експлуатації зварних металоконструкцій з втомними пошкодженнями становить актуальну проблему, на вирішення якої направлені зусилля багатьох вчених.

В ІЕЗ ім. Є.О. Патона розвиваються сучасні методи технічної діагностики зварних конструкцій, запропонована і успішно впроваджується методологія розрахунково-експериментального обгрунтування поетапного продовження призначених термінів служби несучих конструкцій з урахуванням їх умов експлуатації і технічного стану, розробляються технології зварювання для ремонту конструкцій тривалої експлуатації. Вагомий внесок в розвиток цих напрямків досліджень внесли роботи Л.М. Лобанова, В.І. Махненка, В.І. Дворецького, А.Я. Недосєки, В.Д. Познякова, В.С. Гіренка.

В даний час у світовій практиці експлуатації металоконструкцій тривалого терміну служби спостерігається загальна тенденція пошуку високотехнологічних способів максимального продовження терміну безпечної експлуатації діючих металоконструкцій. Останніми роками з метою підвищення характеристик опору втомі зварних вузлів і елементів металоконструкцій знаходить застосування технологія поверхневого пластичного деформування металу, яка заснована на використанні енергії ультразвуку і отримала в науковій літературі назву - високочастотна механічна проковка (ВМП) або ультразвукова ударна обробка. Ефективність ВМП, як способу високотехнологічного способу підвищення опору втомі зварних з'єднань встановлена при зміцненні з'єднань у стані після зварювання, тобто для забезпечення нормативного експлуатаційного ресурсу конструкцій, що виготовляються. Значний внесок в її розвиток внесли вітчизняні і зарубіжні вчені В.І. Труфяков, Л.М. Лобанов, В.І. Махненко, В.І. Кир'ян, П.П. Міхеєв, Е.Ш. Статніков, Г.І. Прокопенко, Е.Ф. Гарф, А.Я. Недосєка, Б.С. Шульгінов, Т.Г. Кравцов, Г.П. Карзов, В.В. Севрюков, J.W. Fisher, P.J. Haagensen, Y. Kudryavtsev, L. Huo, D. Wang і ін.

Високі показники характеристик опору втомі зварних з'єднань після зміцнення ВМП на стадії виготовлення, дають підстави припускати, що можливості технології ВМП можуть бути направлені на вирішення проблеми гарантованого продовження призначеного при проектуванні терміну служби діючих зварних металоконструкцій з накопиченими втомними пошкодженнями.

Представлена робота спрямована на розв’язання важливої науково-технічної проблеми відновлення несучої здатності металоконструкцій з тривалим напрацюванням в умовах дії змінного навантаження, яка має велике народногосподарське значення.

Поставлена проблема вирішується комплексно на всіх стадіях розвитку втомного руйнування: на стадії накопичення пошкоджень до утворення втомної тріщини досліджується ефективність зміцнення з’єднань технологією ВМП; для стадії безпечного розповсюдження втомної тріщини розроблено метод розрахункової оцінки циклічної довговічності елементів, який враховує вплив залишкових зварювальних напружень розтягу; після досягнення тріщиною критичних розмірів досліджується ефективність способів її гальмування, включаючи ремонт зварюванням елементів з повним видаленням пошкодженого металу з тріщиною.

^ Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України відповідно до планів науково-дослідних робіт по темах, в яких автор був відповідальним виконавцем: 1.6.1.3.6 (0197U014746) «Розробка заходів забезпечення несучої здатності і ресурсу металоконструкцій, заснованих на більш повному врахуванні при проектуванні факторів, що сприяють передчасному зародженню тріщин в зварних з’єднаннях, застосуванні ефективних способів гальмування їх розвитку та удосконаленні розрахункового визначення залишкового ресурсу» (1997-1999 гг); 1.6.1.3.87.8 (0100U004951) «Створити методологію визначення розрахункових опорів зварних з’єднань квазікрихким, в’язким і втомним руйнуванням конструкцій, які вичерпали призначений строк експлуатації» (2000-2002 гг); 1.6.1.3.87.3 (0103U005247) «Розробити наукові основи встановлення призначеного строку служби на стадіях проектування і експлуатації зварних конструкцій відповідального призначення та створити ефективні технології їх зміцнення» (2003-2006 гг); 1.6.1.3.39.33 (0102U006115) «Розробка наукових основ створення ефективних фізико-металургійних процесів зварювання та застосування зміцнюючих обробок з’єднань з метою ревіталізації конструкцій з низьколегованих сталей» (2004-2006 гг); 1.6.1.3.87.4 (0107U000510) «Встановити закономірності підвищення опору втомі зварних з’єднань та експлуатаційної довговічності відновлених металоконструкцій модифікуванням поверхні швів» (2007-2009 гг).

^ Мета і завдання досліджень. Метою роботи було наукове обгрунтування ефективності застосування високочастотної механічної проковки для підвищення циклічної довговічності зварних з'єднань експлуатованих металоконструкцій на стадії накопичення втомних пошкоджень і дослідження ефективності гальмування втомних тріщин, що розвиваються, різними конструктивно-технологічними способами, включаючи ремонт зварюванням.

Відповідно до поставленої мети необхідно було вирішити наступні завдання.

1. Встановити оптимальні параметри технології зміцнення зварних з'єднань маловуглецевих і низьколегованих сталей ультразвуковою установкою USP-300 потужністю 300 Вт з п’єзокерамічним перетворювачем і вивчити основні чинники, які сприяють підвищенню опору втомі з’єднань, зміцнених високочастотною механічною проковкою.

2. Вивчити особливості накопичення втомних пошкоджень в зварних з'єднаннях при багатоступінчатому і блоковому навантаженнях.

3. Виконати комплекс експериментальних досліджень з встановлення ефективності підвищення технологією ВМП циклічної довговічності зварних з'єднань з накопиченими втомними пошкодженнями при регулярному, багатоступінчатому і блоковому навантаженнях.

4. Розробити методику побудови розрахункових кривих втоми зварних з'єднань експлуатованих металоконструкцій в залежності від експериментально встановлених для даної металоконструкції характеристик циклу змінного навантаження, величини коефіцієнта концентрації напружень з'єднання, усталеного рівня залишкових зварювальних напружень і механічних властивостей металу.

5. Вивчити основні закономірності розвитку втомних тріщин в неоднорідних полях залишкових зварювальних напружень і розробити методику розрахункової оцінки циклічної тріщиностійкості зварних з'єднань з урахуванням впливу залишкових напружень.

6. Виконати комплекс експериментальних досліджень з оцінки ефективності запропонованих конструктивно-технологічних способів гальмування втомних тріщин в конструкційних матеріалах, включаючи ремонт зварюванням з послідуючим зміцненням ВМП.

7. Експериментально встановити ефективність зміцнення технологією ВМП таврових зварних з'єднань в умовах дії корозійного середовища, з поверхневими втомними тріщинами незначної глибини і з конструктивними непроварами.

^ Об'єкт досліджень - зварні з'єднання конструкційних сталей в початковому і в зміцненому ВМП станах, елементи металоконструкцій з втомними тріщинами, що розвиваються, в полях залишкових напружень розтягу і стиску.

^ Предмет досліджень - закономірності накопичення втомних пошкоджень в зварних з'єднаннях при багатоступінчатому і блоковому навантаженнях, чинники, що підвищують опір втомі зміцнених зварних з'єднань, циклічна довговічність з'єднань із заданим рівнем накопичених втомних пошкоджень після зміцнення високочастотною механічною проковкою і циклічна тріщиностійкість елементів металоконструкцій.

^ Методи досліджень. Вимірювання мікротвердості пластично деформованих шарів металу зварних з'єднань проводили за методом Віккерса. При визначенні коефіцієнта концентрації напружень в таврових зварних з'єднаннях виміри параметрів профільної геометрії зварних швів проводилися з використанням методу зліпків. Залишкові напруження в поверхневих шарах металу зварних з'єднань досліджувались методом електронної спекл-інтерферометрії та за допомогою механічної тензометрії. Визначення частки пошкодженості зварних з'єднань при змінному навантаженні здійснювалося на основі використання гіпотези лінійного підсумовування втомних пошкоджень. Експериментальні дослідження зразків зварних з'єднань на багатоциклову втому проводилися у відповідності з існуючими нормативними документами на сертифікованих випробувальних електрогідравлічних машинах УРС-20 і УРС -200 і на гідравлічних пульсаторах ЦДМ-10ПУ і ЦДМ-200ПУ. Металографічні дослідження структури металу виконувались з використанням мікроскопа NEOFOT-32. Електронно-мікроскопічні дослідження мікроструктури металу зони сплаву таврового зварного з'єднання проводились на світловому електронному мікроскопі JEM-100CXII. Довжина втомних тріщин при їх розвитку вимірювалась на шліфованій поверхні зразків оптичним мікроскопом МБС-1 з точністю вимірювання 0,1 мм. Розрахункові методи оцінки циклічної тріщиностійкості конструкційних матеріалів в умовах впливу неоднорідних полів залишкових напружень розроблялись з використанням сучасних методів механіки руйнування.

^ Наукова новизна отриманих результатів.

Встановлено, що внаслідок пластичного деформування поверхні металу в зоні сплавлення зварних з’єднань високочастотною проковкою зменшується коефіцієнт концентрації напружень (для таврових з’єднань – на 15 %), а на поверхні металу в зоні обробки наводяться залишкові напруження стиску до мінус 0,9 границі текучості матеріала. При цьому в тонкому поверхневому шарі (до 30 мкм) пластично деформованого метала утворюється субмікрокристалічна структура, яка складається з дисперсних субзерен з високими кутами розорієнтації, а на глибину до 200 мкм формується зона із значною зміною форми зерен (коефіцієнт форми зерна = 11,8).

На основі кривих втоми, встановлених при випробовуванні зразків зварних з'єднань з низькими залишковими напруженнями, розроблено алгоритм визначення розрахункової кривої втоми для зварного елементу експлуатованої металоконструкції, яка враховує властиві цьому елементу характеристики циклу змінного навантаження, коефіцієнт концентрації напружень, усталений рівень залишкових зварювальних напружень і механічні властивості металу.

Розвинено уявлення про закономірності підвищення циклічної довговічності зварних з’єднань з втомними пошкодженнями після зміцнення високочастотною механічною проковкою (ВМП) на стадії до утворення втомної тріщини. Встановлено, що в умовах регулярного навантаження ефективність зміцнення технологією ВМП зварних з’єднань з накопиченими втомними пошкодженнями залежить від рівня і тривалості дії прикладеного навантаження. Показано, що залишкова довговічність високонавантажених таврових зварних з’єднань низьколегованих сталей з 70 % накопиченою пошкодженістю після зміцнення ВМП не поступається довговічності з’єднань, зміцнених у стані після зварювання. Зменшення тривалості напрацювання таких з’єднань з 70 % до 10 % їх довговічності підвищує ефективність зміцнення з’єднань до 3,5 разів у порівнянні із зміцненням у вихідному стані. Цьому сприяє релаксація залишкових зварювальних напружень в з’єднаннях та наведення залишкових напружень стиску в зонах концентраторів вже після перших циклів навантаження без істотного накопичення втомних пошкоджень до зміцнення.

Виявлено вплив ВМП на підвищення опору корозійній втомі зварних з’єднань. Встановлено, що зміцнення ВМП підвищує циклічну довговічність таврових зварних з’єднань сталі 10ХСНД в синтетичній морській воді в 3,5 рази, а обмежену межу витривалості на базі 2·106 циклів – на 76 %. Цьому сприяють наведені залишкові напруження стиску в зонах проковки та субмікрокристалічна структура, сформована в поверхневому шарі зміцненого металу.

Розроблено метод розрахункової оцінки стадії докритичного росту втомної тріщини в конструкційних сталях, який враховує вплив залишкових зварювальних напружень розтягу та дозволяє встановлювати строк безпечної експлуатації зварного елемента конструкції з втомною тріщиною.

Поглиблено уявлення про вплив залишкових напружень стиску, наведених перед вершиною втомної тріщини на швидкість її росту. Встановлено, що наведення залишкових напружень стиску перед вершинами втомних тріщин, які розвиваються, локальним нагрівом до температури 300-350 оС на відстані 30 мм від вершини тріщини або локальною вибуховою обробкою циліндричними зарядами  5,5 мм, встановленими в отворах  6 мм на відстані 1 мм позаду фронта тріщини, збільшують циклічну довговічність пошкоджених елементів конструкцій із низьколегованих сталей в 10…15 разів. Розроблено метод розрахункової оцінки циклічної довговічності елементів конструкцій з втомними тріщинами, які розвиваються, при їх гальмуванні штучно наведеним полем залишкових напружень стиску.

^ Практична цінність. Розроблена і захищена патентами України і США ультразвукова установка USP-300 потужністю 300 Вт з п’єзокерамічним перетворювачем для зміцнюючої обробки зварних з'єднань, що відрізняється від установок з магнітострикційним перетворювачем вищим к.к.д., зниженням ваги і електроспоживання, відсутністю водяного охолоджування і намагнічування об'єкту обробки. Установка дозволяє зміцнювати зварні з'єднання в умовах спеціалізованих виробництв на монтажі зварних конструкцій, а також в процесі їх експлуатації і ремонту безпосередньо на об'єктах. Зміцнення технологією ВМП зварних з'єднань елементів експлуатованих металоконструкцій дозволяє гарантовано продовжувати призначений при проектуванні термін служби і підвищувати їх несучу здатність, із забезпеченням заданого ресурсу.

Виконаний в роботі комплекс експериментальних і теоретичних досліджень дозволяє прогнозувати циклічну довговічність зварних з'єднань:

  • з накопиченими втомними пошкодженнями після їх зміцнення технологією ВМП;

  • у початковому і зміцненому технологією ВМП станах при дії корозійного середовища;

  • при розвитку втомних тріщин в неоднорідних полях залишкових зварювальних напружень розтягу;

  • в умовах гальмування втомних тріщин різними конструктивно-технологічними способами;

  • після ремонтного зварювання з подальшим зміцненням ВМП ремонтних швів.

Результати роботи використовувались при розробці розділу «Розрахунок елементів сталевих конструкцій на витривалість» ДБН В.2.6-163:2010, методичних вказівок РД 50-551-85 «Розрахунки і випробування на міцність. Розрахунково-експериментальні методи оцінки опору втомі зварних з'єднань» та нормативних документів «Укрзалізниці» ЦП-0176 «Рекомендації з огляду, підсилення, ремонту та збільшення експлуатаційного ресурсу суцільностінчатих зварних прогонових будов» від 03.04.2007 р. і ЦП-0214 «Експлуатація залізничних мостів. Технологічній регламент із ремонту зварюванням пошкоджених тріщинами втоми елементів прогонових будов залізничних мостів» від 01.12.2009 р.

Особистий внесок автора. В дисертаційній роботі постановка завдань і вибір наукових підходів для їхнього вирішення, планування експериментальних досліджень, виявлення закономірностей, обґрунтування теоретичних положень розроблених розрахункових методів виконувались автором самостійно. У роботах, опублікованих в співавторстві, авторові належить методологія проведення досліджень, аналіз та узагальнення отриманих результатів. Автор брав активну участь в розробці установки USP-300 для виконання ВМП, її удосконаленні і впровадженні в промисловість.

^ Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися на XXXVII міжнародному семінарі «Актуальні проблеми міцності» (м. Київ, 2001 р.); 1-й, 2-й і 4-й міжнародних конференціях «Математичне моделювання і інформаційні технології у зварюванні та споріднених процесах» (п. Кацівелі, 2002 р., 2004 р. і 2008 р.); 1-й міжнародній науково-технічній конференції «Теорія та практика раціонального проектування, виготовлення і експлуатації машинобудівних конструкцій» (м. Львів, 2008 р.); 8-у та 9-у міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові (м. Львів, 2007 р. та 2009 р.); міжнародній конференції «Зварювання і споріднені технології – у третє тисячоліття» (м. Київ, 2008 р.); міжнародній конференції «Сучасні проблеми зварювання і ресурсу конструкцій» (м. Київ, 2003 р.); міжнародній науково-практичній конференції «Мости та тунелі: теорія, дослідження, практика» (м. Днепропетровськ, 2007 р.); міжнародній науково-технічній конференції «Динаміка, міцність і ресурс машин і конструкцій» (м. Київ, 2005 р. і 2010 р.); 4-му євразійському симпозіумі з проблем міцності матеріалів і машин для регіонів холодного клімату (м. Якутськ, 2008 р.); аnnual Conference&Exposition: Experimennal Mechanics in Emerging Technologies (Portland. Oregon. USA, 2001); 32-nd Annual Ultrasonic Industry Association Symposium (New York. USA, 2002); аnnual Conference&Exposition on Experimennal and Applied Mechanics (Wisconsin. USA, 2002), X International Congress and Exposition on Experimental and Applied Mechanics (Costа Mesa. California. USA, 2004).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 55 наукових робіт, серед них 30 статей у фахових виданнях України, 2 роботи в зарубіжних спеціалізованих журналах, 18 в інших журналах, збірниках наукових праць і матеріалах конференцій, отримано 3 патенти України і 2 патенти США.

^ Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, шести розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел та додатків. Загальний обсяг дисертації становить 332 сторінки машинописного тексту, що містить 133 рисунки, 38 таблиць і список використаних джерел з 254 найменувань на 27 сторінках.


^ ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ


У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету роботи і визначено основні завдання досліджень, описано об’єкт і методи досліджень, викладено наукову новизну і практичне значення отриманих результатів із зазначенням особистого внеску автора, наведено дані про структуру та обсяг роботи, її апробацію.

^ В першому розділі на підставі сучасного досвіду зміцнення зварних з’єднань за технологією ВМП та оцінки втомної пошкодженості і циклічної тріщиностійкості з’єднань, визначено основні напрямки досліджень для досягнення поставленої у роботі мети.

Зазначена висока ефективність зміцнення високочастотною проковкою зварних з’єднань у вихідному стані з метою підвищення їх характеристик опору втомі, обґрунтовано переваги зміцнення зварних з’єднань за технологією ВМП у порівнянні з іншими видами обробок. Показано, що у вітчизняній та зарубіжній літературі відсутні публікації, присвячені застосуванню технології ВМП для підвищення циклічної довговічності зварних елементів після їх тривалої експлуатації, коли в зонах концентраторів напружень накопичені втомні пошкодження.

Проведено аналіз існуючих гіпотез і моделей накопичення втомних пошкоджень в зварних з’єднаннях. З огляду літератури встановлено, що при визначенні рівня накопичених втомних пошкоджень широко застосовується гіпотеза лінійного підсумовування втомних пошкоджень. В залежності від виду та послідовності прикладення навантажень граничні значення суми відносних довговічностей зварних з’єднань у вихідному стані змінюються в діапазоні від 0,2 до 3,0. В рекомендаціях Міжнародного інституту зварювання (МІЗ) за 2006 р. при підсумовуванні втомних пошкоджень в зварних з’єднаннях у вихідному стані для всіх видів навантаження рекомендовано приймати граничне значення накопиченої втомної пошкодженості з діапазону від 0,5 до 1,0. Вплив виду та послідовності прикладення навантажень на значення граничної сумарної пошкодженості з’єднань, зміцнених за технологією ВМП після накопичення заданої частки пошкодженості, досліджений недостатньо.

Зазначено, що стадія розвитку втомної тріщини в зварних з’єднаннях може складати від 10% до 90% загальної довговічності до руйнування, тому розробка науково обгрунтованого і експериментально підтвердженого методу прогнозування циклічної тріщиностійкості зварних з'єднань може стати суттєвим резервом гарантованого продовження терміну служби зварних елементів конструкцій, що містять втомні тріщини. Розглянуто відомі в науковій літературі роботи з цього напрямку.

Показано, що одним з важливих напрямків продовження терміну експлуатації зварних елементів, пошкоджених втомними тріщинами, може стати застосовування різних конструктивних та технологічних способів гальмування тріщин, включаючи їх ремонт зварюванням. При цьому технологія ВМП може знайти ефективне застосування для зміцнення ремонтних швів.


Показано, що в сучасному світі спостерігається загальна тенденція пошуку високотехнологічних способів направлених на максимальне продовження терміну безпечної експлуатації діючих металоконструкцій на всіх стадіях розвитку втомного руйнування зварних елементів. В зв'язку з цим мета дисертаційної роботи - наукове обгрунтування ефективності застосування високочастотної механічної проковки для підвищення циклічної довговічності зварних з'єднань експлуатованих металоконструкцій на стадії накопичення втомних пошкоджень і різних конструктивно-технологічних способів гальмування розвитку втомних тріщин, включаючи ремонт зварюванням пошкоджених тріщинами елементів конструкцій з подальшим зміцненням ремонтних швів технологією ВМП є актуальною і направлена на вирішення важливої науково-технічної проблеми.

^ В другому розділі наведено опис розробленої ультразвукової установки USP-300 з п’єзокерамічним перетворювачем для ВМП зварних з’єднань, виконано оптимізацію процесу зміцнення конструкційних сталей. Досліджено основні чинники, які сприяють підвищенню циклічної довговічності зварних з’єднань після зміцнення технологією ВМП.




Рис. 1. Загальний вид установки для ВМП зварних з'єднань потужністю 300Вт USP-300: 1 - ультразвуковий генератор; 2 - ручний ударний інструмент; 3 – з’єднуючі кабелі.
В Україні тривалий час виконуються роботи, пов'язані із створенням технологічного устаткування для високочастотної механічної проковки металів і зварних з'єднань з використанням п’єзокерамічних перетворювачів. Застосування п’єзокерамічних випромінювачів має ряд переваг перед магнітострикційними: зростання к.к.д. установок, зниження їх ваги і енергоспоживання, відсутність водяного охолоджування і намагнічення оброблюваного об'єкту. Така установка створена за участю співробітників ІЕЗ ім. Є. О. Патона НАН України і ІМФ ім. Г.В. Курдюмова НАН України. Оптимальна потужність генераторів і випромінювачів на п’єзокераміці знаходиться в діапазоні 0,3-0,5 кВт. Загальний вид такої установки USP-300 потужністю 300 Вт, в розробці якої приймав участь і автор, показано на рис. 1. На установку отримано патенти України та США.

На основі дослідження глибини пластично деформованого шару металу в низьколегованих сталях після зміцнення ВМП установкою USP-300 встановлено оптимальні параметри обробки: діаметр бойка 3 мм і лінійна швидкість виконання ВМП – 1 мм/с. Виконання технології ВМП при встановлених оптимальних параметрах дозволяє пластично деформувати метал на глибину до 1 мм, утворюючи характерну канавку завглибшки до 0,14 мм. При цьому розмір зони під канавкою із значними змінами форми зерен (коефіцієнт форми зерна =11,8) складає 200 мкм.


F, H



t, мс

Рис. 2. Осцилограма сили удару бойка діаметром 3 мм при використанні USP-300, записана за 200 мс.
Показано, що при обробці високочастотним проковуванням поверхні металу установкою USP-300 прикладення навантаження здійснюється блоками імпульсів різної ширини з максимальними значеннями сили удару в блоці що перевищують 1000 Н. Тривалість таких імпульсів силової дії не перевищує 100 мкс, а частота їх появи складає приблизно 1 кГц (рис. 2).

Експериментально встановлено, що зміцнення технологією ВМП зварних з'єднань з маловуглецевих і низьколегованих сталей установкою USP-300 призводить до такого ж підвищення їх характеристик опору втомі, як і зміцнення ультразвуковою установкою з магнітострикційним перетворювачем 1,2 кВт.

Досліджено основні чинники, які сприяють підвищенню циклічної довговічності зварних з’єднань після зміцнення технологією ВМП зони переходу шва на основний метал з’єднань: зниження коефіцієнта концентрації напружень, перерозподіл залишкових зварювальних напружень, зміна структури поверхневого шару металу.

Встановлено, що зміцнення технологією ВМП зон переходу шва на основний метал таврових зварних з'єднань низьколегованої сталі зменшує значення коефіцієнта концентрації напружень на 15%. Таке зменшення коефіцієнта концентрації напружень викликає підвищення межі витривалості з'єднання на 15…25%, що значно нижче загального підвищення на 72%, яке спостерігається після зміцнення зварних з'єднань технологією ВМП.

Експериментальними вимірюваннями, виконаними за допомогою електронної спекл-інтерферометрії встановлено, що при оптимальних параметрах зміцнення технологією ВМП в зонах концентраторів на поверхні зразків таврових зварних з'єднань сталі 09Г2С замість залишкових зварювальних напружень розтягу біля границі текучості матеріалу наводяться залишкові напруження стиску до мінус .

За допомогою електронної мікроскопії досліджена мікроструктура зони сплавлення таврових зварних з'єднань сталі Ст3сп після зміцнення технологією ВМП. Встановлено, що в тонкому поверхневому шарі (до 30 мкм) утворюється субмікрокристалічна структура, яка складається з дисперсних субзерен з високими кутами розорієнтування (рис. 3). Така структура і зростання щільності різних дефектів кристалічної будови сприяють збільшенню періоду зародження втомної тріщини в зміцненому поверхневому шарі.




Рис. 3. Мікроструктури приповерхневого шару металу в зоні сплавлення зварного шва з основним металом після ВМП: а, б – фотографії мікроструктури при різних збільшеннях; в – електронограма з ділянки, приведеної на рис. 3б; г – темнопольне зображення цієї ділянки.
  1   2   3   4



Разместите кнопку на своём сайте:
Документы




База данных защищена авторским правом ©kiev.convdocs.org 2000-2013
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Похожие:
Документы