Підвищення довговічності таврових зварних з’єднань з накопиченими втомними пошкодженнями високочастотною проковкою - Автореферат

Серед відомих післязварювальних обробок, направлених на зменшення концентрації напружень або на перерозподіл залишкових зварювальних напружень в зонах концентраторів широко застосовуються методи поверхневого пластичного деформування (ППД) металу зварного зєднання в зоні шва. Завдяки компактності і мобільності устаткування, можливості обробки в довільному просторовому положенні останніми роками все частіше знаходить застосування один із способів ППД, заснований на використанні енергії ультразвуку, відомий в літературі як метод високочастотної механічної проковки (ВМП). Встановлені основні закономірності підвищення циклічної довговічності і границь витривалості зварних зєднань в залежності від класу міцності сталі, типу зєднання, характеристик циклу змінного навантаження та визначені його переваги порівняно з іншими способами поверхневого пластичного деформування металу. Встановити граничні значення накопиченої втомної пошкодженості при лінійному підсумовуванні відносних довговічностей в зварних зєднаннях у вихідному та зміцненому після зварювання станах при багатоступеневому і блоковому навантаженнях; Граничні значення накопиченої втомної пошкодженості зміцнених зварних зєднань знаходяться у вужчому діапазоні [0,52…1,08], ніж незміцнених [0,32…1,97]. встановлено, що циклічна довговічність таврових зварних зєднань, зміцнених за технологією ВМП при накопиченні 50% пошкодженості на рівнях прикладених напружень, що призводять до "перевантаження", в 1,2.2,5 рази вища в порівнянні з довговічністю зєднань, зміцнених високочастотною проковкою у вихідному після зварювання стані.Проведено аналіз існуючих гіпотез і моделей накопичення втомних пошкоджень в зварних зєднаннях у вихідному та зміцненому високочастотним проковуванням станах. В залежності від виду та послідовності прикладення навантажень граничні значення суми відносних довговічностей зварних зєднань у вихідному стані змінюються в діапазоні від 0,2 до 3,0. Зроблено висновок про актуальність сформульованої мети роботи - необхідність експериментального встановлення ефективності підвищення за технологією ВМП циклічної довговічності таврових зварних зєднань з низьколегованих сталей у вихідному стані і з накопиченими втомними пошкодженнями при регулярному, багатоступеневому і блоковому навантаженнях. Досліджувались закономірності накопичення втомних пошкоджень зварних зєднань у вихідному стані при багатоступеневому та блоковому навантаженнях із зростаючою, спадаючою та квазівипадковою послідовностями прикладення навантажень в блоці. високочастотна проковка зварне зєднання Ці дані показують, що порядок прикладення навантажень в блоці не чинить істотного впливу на накопичення втомних пошкоджень в зварних зєднаннях у вихідному стані і вони задовольняють рекомендованому МІЗ діапазону розсіву значень граничної сумарної пошкодженості.Експериментальними вимірюваннями, виконаними за допомогою електронної спекл-інтерферометрії, встановлено, що при оптимальних параметрах зміцнення за технологією ВМП в зонах концентраторів на поверхні зразків таврових зварних зєднань сталі 09Г2С замість залишкових зварювальних напружень розтягу близьких до границі текучості матеріалу наводяться залишкові напруження стиску до мінус . Встановлено, що в зміцнених зварних зєднаннях на відміну від незміцнених, вид та порядок прикладення навантажень в блоці істотно не впливають на накопичення втомних пошкоджень. Обґрунтовано формулу для підсумовування втомних пошкоджень в незміцнених зварних зєднаннях при багатоступеневому навантаженні, що враховує вплив залишкових зварювальних напружень і коефіцієнт концентрації напружень через зміну середніх напружень циклу в зоні концентратора зєднання, яка дозволяє зменшити майже в два рази розсів граничної сумарної пошкодженості, визначеної за гіпотезою лінійного підсумовування, з інтервалу [0,32…1,97] до [0,32…1,2]. При лінійному підсумовуванні втомних пошкоджень до і після зміцнення в таких зєднаннях для регулярного, багатоступеневого і блокового навантажень граничні значення накопиченої втомної пошкодженості змінюються від 0,77 до 3,0. При наявності в блоці навантаження до зміцнення одного або кількох рівнів напружень, які призводять до ефекту "перевантаження", залишкова довговічність таких зєднань в 1,2…2,5 рази перевищує довговічність зварних зєднань, зміцнених високочастотною проковкою у стані після зварювання.

Основний зміст роботи

1. На основі дослідження глибини пластично деформованого шару металу після застосування високочастотної механічної проковки обладнанням потужністю 300 Вт визначені оптимальні параметри для зміцнення зварних зєднань низьколегованих сталей: діаметр бойка 3 мм і швидкість виконання ВМП - 60 мм/хв. Експериментальними вимірюваннями, виконаними за допомогою електронної спекл-інтерферометрії, встановлено, що при оптимальних параметрах зміцнення за технологією ВМП в зонах концентраторів на поверхні зразків таврових зварних зєднань сталі 09Г2С замість залишкових зварювальних напружень розтягу близьких до границі текучості матеріалу наводяться залишкові напруження стиску до мінус .

2. В рамках гіпотези лінійного підсумовування втомних пошкоджень для таврових зварних зєднань сталі 09Г2С у вихідному та в зміцненому за технологією ВМП станах встановлені граничні значення накопиченої втомної пошкодженості при багатоступеневому і блоковому навантаженнях із зростаючим, спадаючим і квазівипадковим порядками прикладення навантажень в блоці. Встановлено, що в зміцнених зварних зєднаннях на відміну від незміцнених, вид та порядок прикладення навантажень в блоці істотно не впливають на накопичення втомних пошкоджень. Так, граничні значення суми відносних довговічностей зміцнених у вихідному стані зварних зєднань знаходяться в діапазоні від 0,52 до 1,08, а незміцнених - від 0,32 до 1,97.

3. Обґрунтовано формулу для підсумовування втомних пошкоджень в незміцнених зварних зєднаннях при багатоступеневому навантаженні, що враховує вплив залишкових зварювальних напружень і коефіцієнт концентрації напружень через зміну середніх напружень циклу в зоні концентратора зєднання, яка дозволяє зменшити майже в два рази розсів граничної сумарної пошкодженості, визначеної за гіпотезою лінійного підсумовування, з інтервалу [0,32…1,97] до [0,32…1,2].

4. Вперше встановлено, що ефективність застосування технології ВМП для підвищення циклічної довговічності таврових зварних зєднань з 50% накопиченими втомними пошкодженнями залежить від рівнів напружень, при яких відбувалося накопичення пошкоджень. При лінійному підсумовуванні втомних пошкоджень до і після зміцнення в таких зєднаннях для регулярного, багатоступеневого і блокового навантажень граничні значення накопиченої втомної пошкодженості змінюються від 0,77 до 3,0. При наявності в блоці навантаження до зміцнення одного або кількох рівнів напружень, які призводять до ефекту "перевантаження", залишкова довговічність таких зєднань в 1,2…2,5 рази перевищує довговічність зварних зєднань, зміцнених високочастотною проковкою у стані після зварювання. Таке підвищення довговічності досягається за рахунок застосування фактично двох обробок: "перевантаження", коли в зонах концентраторів залишкові напруження розтягу релаксують і наводяться залишкові напруження стиску, і безпосередньо ВМП. Після обробки зварних зєднань при накопиченні 50% пошкодженості на рівнях напружень, які не призводять до наведення залишкових напружень стиску в зонах концентраторів, їх залишкова довговічність складає близько 50% від довговічності зварних зєднань, зміцнених у вихідному стані

5. Встановлено, що обробка високочастотною проковкою всіх чотирьох зон швів таврового зварного зєднання після утворення в одній з них втомної тріщини глибиною до 1 мм дозволяє підвищити його залишкову довговічність до циклів змін напружень без розвитку існуючих або утворення нових тріщин. Цьому сприяє високий рівень залишкових напружень стиску, обумовлений пластичним деформуванням металу на глибину до 1 мм при ВМП.

6. Експериментально встановлено, що наявність конструктивних непроварів в зміцнених високочастотною проковкою таврових зварних зєднаннях знижує їх циклічну довговічність на 10…45%. Проте, обробка зєднань з непроварами підвищує їх циклічну довговічність більш ніж в 5 разів.

1. Книш В.В. Накопление усталостных повреждений в тавровых сварных соединениях стали 09Г2С в исходном и упрочненном высокочастотной механической проковкой состояниях/ В.В. Кныш, А.З. Кузьменко, С.А. Соловей // Автоматическая сварка. - 2008. - №10. - С.12-18.

2. Книш В.В. Повышение циклической долговечности сварных тавровых соединений с поверхностными трещинами/ В.В. Кныш, А.З. Кузьменко, С.А. Соловей // Автоматическая сварка. - 2009. - №1. - С.38-43.

3. Соловей С.А. Учет влияния остаточных напряжений при линейном суммировании усталостных повреждений в тавровых сварных соединениях стали 09Г2С/ С.А. Соловей // Збірник наукових праць "Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій" під заг. ред.Й. Й. Лучко. - Львів. - 2009. - Вип.8. - С.268-277.

4. Книш В.В. Накопичення втомних пошкоджень у таврових зварних зєднаннях у початковому і зміцненому високочастотним проковуванням станах при блоковому навантаженні/ В. Книш, О. Кузьменко, С. Соловей // Машинознавство. - 2009. - №9. - С.27-31.

5. Книш В.В. Накопичення втомних пошкоджень в таврових зварних зєднаннях сталі 09Г2С в початковому та зміцненому високочастотною механічною проковкою станах/ В. Книш, О. Кузьменко, С. Соловей // Теорія та практика раціонального проектування, виготовлення і експлуатації машинобудівних конструкцій: Праці 1-ої Міжнародної науково-технічної конференції (22 - 24 жовтня 2008 р.). - Львів: КІНПАТРІ ЛТД, 2008. - С.53-55.

6. Соловей С.А. Циклическая долговечность упрочненных высокочастотной проковкой тавровых сварных соединений с технологическими непроварами // Зварювання та суміжні технології: матеріали V Всеукраїнської науково-технічної конференції молодих вчених та спеціалістів (27-29 травня 2009 р.). - Київ: Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона, 2009. - С.68.

7. Технологічний регламент із ремонту зварюванням пошкоджених тріщинами втоми елементів прогонових будов залізничних мостів/ В.І. Кирян, В.Д. Позняков, С.Л. Жданов, В.В. Книш, В.М. Мірянін, Г.О. Линник, С.О. Соловей // ЦП-0214. - К.: Укрзалізниця. - 2009. - 34 с.