Какой метод снятия остаточных сварочных напряжений наиболее эффективен

Обновлено: 09.01.2025

Одной из актуальных задач современного промышленного производства остается поиск эффективных средств, обеспечивающих упрочнение сварочных швов. Среди методов, позволяющих повысить качество, надежность и ресурс сварных конструкций следует выделить ультразвуковую ударную обработку.

А.А.Антонов, к.т.н. доцент РГУ Нефти и газа им. Губкина, Москва
А.П.Летуновский, генеральный директор ООО "МАГНИТ плюс"

История вопроса

Обработка трубы ультразвуковой ударной установкой

Внедрение ультразвуковых технологий началось в конце 50-х годов прошлого столетия. Тогда было положено начало направлениям ультразвуковой «сварки» давлением и ультразвуковой резки, получивших признание в машиностроении, но применение ультразвука в сварочном производстве положительных результатов не принесло. Конструкция инструмента, жесткая связь волновода с рабочим деформирующим элементом (индентером) ограничивала возможность эффективной обработки неровной поверхности сварного шва. Низкая удельная мощность ультразвукового оборудования и большая масса инструмента не позволяли создавать мобильные технологические устройства.

Обработка трубы
ультразвуковой ударной установкой

В 70-е годы удалось оптимизировать энергетические и массогабаритные характеристики ультразвукового оборудования, а также осуществить эффективную подвижную связь между деформирующим элементом и ультразвуковым волноводом. Метод получил название ультразвуковой упрочняющей обработки, далее УУО. Еще больший интерес к механическим методам повышения эксплуатационных характеристик возник в 80-х годах, когда были разработаны более совершенные и доступные методы изучения полей остаточных напряжений.

Исторически первым методом послесварочной обработки зоны сварного соединения для снижения уровня остаточных напряжений была термообработка, для которой в СССР были разработаны соответствующие стандарты. Метод термообработки сварного соединения для снижения остаточных напряжений (СНиП 3.05.05-84, ВПНРМ 484-86 «Контроль качества и термическая обработка сварных соединении» и ряд других) получил известность и распространение, но ультразвуковая упрочняющая обработка в тот момент находилась на этапе становления. Только в середине 80-х годов появились первые образцы. Впоследствии применение УУО показало великолепные результаты на ряде судостроительных предприятий. В частности, в центре судоремонта «Звездочка» в г. Северодвинск, известном своим стратегическим значением и значительной долей заказов оборонного комплекса.

Безопасность, экономика и экология

Остаточные механические напряжения в металле возникают на всех этапах производства: при прокате, мехобработке, вальцовке или пошаговой формовке, сварке и монтаже. Механические напряжения становятся причиной развития различного рода дефектов: трещин, стресс-корозионных растрескиваний (КРН), появлению питингов, ускоренному протеканию коррозионных процессов и ряду других. При этом проблема возникновения остаточных напряжений затрагивает практически любую область производства от создания заготовок до строительства и ремонта сооружений и ответственных металлоконструкций, например, в судостроительной и топливно-энергетической областях.

Заинтересованность в надежности и качестве сварных соединений затрагивает как экономические, так и экологических интересы со стороны общественных организаций, бизнеса и государства. Сложно найти производство, где бы при необходимости сварки не уделялось внимание качеству сварного соединения. Качество сварки, это не только вопрос надежности на момент завершения сварочных работ, а также вопрос безаварийного использования сварного соединения в течение всего периода эксплуатации конструкции в целом.

Научной основой для разработки метода УУО явились результаты исследований существующих процессов, технологий и оборудования, основанных на использовании ультразвука. В этом направлении известны работы Г.Ю. Макулина, Ю.А. Янченко, В.М. Сагалевича, И.Г. Полоцкого, Ю.В. Холопова, В.Ф. Казанцева, Е.Ш. Статникова, В.Г. Бадаляна, Е.А. Лесюка и др. К сожалению, работ на затронутую нами тему очень мало.

Какие именно преимущества способна дать ультразвуковая ударная обработка по сравнению с термическим снятием напряжений в металле?

Высокая удельная энергоэффективность УУО. В масштабах серийного производства УУО – это метод, при котором экономия достигает десятков тысяч киловатт.
УУО является поверхностным пластическим деформированием (ППД). В поверхностном слое обрабатываемой поверхности формируются сжимающие остаточные напряжения и благоприятный профиль поверхности. Для деталей, изготовленных из высокопрочных материалов и имеющих повышенную чувствительность к концентраторам напряжения, ППД повышает сопротивление усталости и препятствует появлению усталостных трещин.
УУО сварочного шва и околошовной зоны снижает развитие межкристаллитной коррозии границ зерен металла за счет их измельчения ударными импульсами ультразвука.

Механизм ультразвуковой ударной обработки представлен на рисунке 1 зонами физического воздействия на сварочное соединение в поперечном разрезе поверхностного слоя. Рисунок отражает многочисленные исследования эффективности ультразвуковой ударной обработки.

Рисунок 1. Физические зоны влияния ультразвуковой ударной обработки.

В этой схеме каждой физической зоне влияния ультразвуковой ударной обработки на свойства материала соответствуют определенные режимы и определенная технология изготовления сварного соединения.

Контроль состояния

При проведении работ по снятию остаточных напряжений и изменению напряженно-деформированного состояния требуется обязательный приборный контроль полей остаточных напряжений, образа их распределения. Важно видеть картину напряженного состояния обрабатываемого элемента конструкции до и после проведения работ, т.к. уровень механических напряжений в реальной конструкции может значительно отличаться в двух незначительно удаленных друг от друга точках. Мониторинг параметров полей механических напряжений позволяет подбирать режимы и контролировать качество.

В данной работе представлены результаты применения метода УУО для решения проблемы снижения уровня остаточных напряжений, возникающих при проведении ремонта труб магистральных газопроводов методом вышлифовки дефектного слоя с последующей многослойной наплавкой плавящимся электродом и методом аргонодугового переплава дефектной области.

Для визуализации полей напряженного состояния исследуемой области использовался аппаратно-программный комплекс "Сканер механических напряжений "Комплекс-2.05", основанный на магнитоанизотропии. Прибор позволяет получить информацию о распределении напряженного состояния исследуемой области: в основном металле, сварном шве и околошовной зоне. Результаты документируются в виде картограмм разности главных механических напряжений (РГМН), градиентов РГМН и карт распределения коэффициента концентрации механических напряжений (КМН).

Для точного определения значений напряженного состояния в конкретной выбранной точке был применен оперативный и эффективный механический метод - засверловка несквозного отверстия с фиксацией возникающих при этом перемещений кромок отверстия с помощью лазерной интерферомертии. В данной работе использовался исследовательский комплекс «ДОН-5ЦЗ».

Комплекс позволяет определять главные оси напряжений, величину остаточных напряжений по каждой оси в мегапаскалях (МПа), знак главных напряжений. Результатом работы является комплект интерферограмм, характеризующих возмущенное состояние поверхности, возникшее в результате сверления и последующего перераспределения напряжений.

"Шмель"

Работа технологического комплекса «Шмель» основана на ударном воздействии на обрабатываемый материал с целью его пластического деформирования. Ультразвуковая колебательная система размещена в корпусе, который обеспечивает возможность ее принудительного жидкостного охлаждения.

Внешний вид комплекса " Шмель"

Ультразвуковой генератор, размещенный в блоке питания, осуществляет преобразование тока промышленной частоты 50 Гц в ток высокой частоты 26—28 кГц, соответствующего частоте ультразвука.

Энергия тока высокой частоты при помощи магнитострикционного преобразователя, расположенного в ударном инструменте, формирует колебания ультразвуковой частоты, которые через волновод и удлинитель переходят в иглу-ударник [4].

Внешний вид иглы-ударника "Шмель"

В результате обработки металла технологическим комплексом Шмель:

создаются поверхностные сжимающие напряжения;
перераспределяются остаточные сварочные напряжения в сварном шве и околошовной зоне;
снижается концентрация напряжений нагрузки в сварном соединении;
на обрабатываемой поверхности создается упрочняющий слой с повышенной сопротивляемостью к образованию трещин.

Эффективность применения УУО на примере ремонта участка газотранспортной трубы

Рисунок 2. Ремонтная наплавка на трубе

В первом случае изучалось поле остаточных напряжений, возникшее в результате ремонтных операций на трубе Ду 1420 мм толщиной 16 мм (рис. 2). Технология ремонта дефектной области трубы предусматривала ее вышлифовку механическим способом и наплавку нового металла в несколько слоев.

На рисунках 3 и 4 представлена развертка трубы с координатной сеткой. Результаты замеров «Комплексом-2.05» представлены на рисунке 3, разность главных механических напряжений (РГМН), и на рисунке 4, концентраторы механических напряжений (КМН)».

На карте РГМН (рис. 3) вдоль проекции заварки в районе 3 линии по горизонтали наблюдаются области разности главных механических напряжений, выраженные в высоком градиенте от +100 до +20.

Рисунок 3. Картограмма разности главных механических напряжений (РГМН) до обработки.

На карте КМН (рис. 4) вдоль линии 3 по горизонтали наблюдается схожая картина в отношении концентраторов механических напряжений с пиковыми значениями в точках , и , что в сочетании с высоким градиентом является одним из основных факторов зарождения дефектов.

Рисунок 4. Карта распределения коэффициента концентрации
механических напряжений до обработки

На основании этих диагностических признаков можно сделать вывод о целесообразности обработки металла с целью снятия остаточных механических напряжений. При этом главной целью мероприятия должно быть снижение коэффициентов концентраторов для исключения вероятности возникновения трещин.

С помощью комплекса «ДОН-5ЦЗ» получены эпюры распределения главных остаточных напряжений в наплавленном слое и основном металле, прилегающем к наплавке по оси трубы (рис. 5).

В результате применения метода УУО технологическим комплексом Шмель-1 на участке произошло перераспределение остаточных сварных напряжений, что подтверждают замеры.

Рисунок 5. Эпюры распределения главных напряжений
после завершения ремонтной наплавки.
Ось Х располагается вдоль оси трубы,
ось У – в кольцевом направлении.

Рисунок 6. Картограмма разности главных механических напряжений (РГМН)
после ультразвуковой ударной обработки

Результаты показаний «Комплекса 2.05». После обработки произошло существенное снижение числовых значений напряжений и градиента РГМН

Рисунок 7. Карта КМН после ультразвуковой ударной обработки.

Значения карты КМН достигли значений близких к единице, т.е. практически однородного распределения остаточных напряжений. Металл в зоне, подвергнутой ремонтным работам, равномерно стабилизирован, что важно для надежной эксплуатации трубопровода.

Рисунок 8. Эпюры распределения главных напряжений
после проведения ультразвуковой ударной обработки.
Исследования с применением комплекса «ДОН-5ЦЗ»
дали положительный результат.

В результате УУО остаточные напряжения вдоль оси трубы в наплавленном слое и прилегающем основном металле снизились с величин 50-150 МПа (растягивающие напряжения) до -60 — -80 МПа (сжимающие напряжения). Кольцевые напряжения и в наплавленном слое и в основном металле стали близки к нулевым значениям.

Рисунок 9. Вид поверхности трубы
после завершения аргонодугового переплава

Рисунок 10. Снижение остаточных напряжений
после УУО в зоне ремонтного аргонодугового переплава

Аналогичные исследования были проведены для трубы производства Волжского трубного завода Ду 1220 мм х 12 мм, отремонтированной переплавкой дефектного объема неплавящимся электродом в среде аргона. Внешний вид переплавленного участка представлен на рисунке 9.

Технология изучения полей остаточных напряжений предусматривала их предварительное исследование физическим методом («Комплекс-2.05») и последующее получение реальных величин в ключевых выбранных точках механическим малоразрушающим методом («ДОН-5ЦЗ»).

В результате обработки поверхности трубы в зоне переплава достигнуто значительное снижение уровня остаточных напряжений (рис. 10) с переводом растягивающих напряжений в сжимающие.

Из этих примеров видно, что эффективность снижения уровня остаточных напряжений различна. Во многом это связано с подготовкой поверхности перед УУО. В первом случае УУО проводилась на неподготовленной каким-либо образом поверхности. Поэтому эффект ударов бойков инструмента в зоне наплавки был неодинаковым по площади наплавки из-за зон поднятия (валиков шва) и зон углубления (межшовные участки). Во втором случае перед УУО поверхность подвергалась шлифовке углошлифовальной машиной, т.е. абсолютно вся обрабатываемая площадь была равнодоступна для обработки.

Выводы:

Ультразвуковая ударная обработка позволяет эффективно снизить уровень остаточных технологических напряжений в сварных конструкциях.
Применение УУО позволяет отказаться от послесварочной термической обработки в ряде случаев.
Эффективность применения УУО зависит от ряда технологических факторов, которые требуют дополнительных исследований и регламентирования их в нормативных документах.

Шмель 1

предпочтителен для обработки границ зоны термического влияния сварного шва, например, для выполнения "канавки", а также обработки труднодоступных мест металлоконструкций.

Шмель 2

предпочтителен для обработки больших площадей металлоконструкций, например, околошовной зоны сварного соединения. При такой обработке производительность работы инструмента в 2-3 раз выше, чем у инструмента №1.

Как избежать деформаций при сварке? Способы устранения сварочных деформаций

Для уменьшения внутренних деформаций и напряжений применяют ряд технологических приёмов по технике и очерёдности выполнения швов и их расположению, по выбору правильной конструкции изделия, по выбору режимов ручной дуговой сварки (или другого способа сварки).

Остаточные напряжения

В металле напряжения возникают во время сварки и по завершению процесса. В последнем случае они формируются по мере охлаждения детали и называются остаточными. Такие напряжения практически во всех конструкционных материалах присутствуют в течение всего эксплуатационного периода. Они представляют наибольшую опасность для изделий, так как являются причиной изменения габаритов и формы деталей. Поэтому так важно снять напряжение в металле после сварки. Это позволит исключить вероятность изменения внешнего вида изделия и уменьшить степень снижения его эксплуатационных характеристик. Если же остаточные напряжения в материале слишком большие, то существует вероятность, что деталь невозможно будет использовать.

Формоизменение изделий, изготовленных с помощью сварки, происходит из-за перемещения соединенных элементов, так как в каждой точке металла появляются деформации. Существуют несколько видов изменения формы:

продольные укорочения, образующиеся в результате усадки в одноименном направлении;
изгиб плоскости;
поперечные укорочения; возникающие тоже в результате усадки в соответствующем направлении;
угловые деформации, когда выполняются тавровые и стоковые сочленения;
формоизменения балочных конструкций, происходящие из-за деформации поперечных и продольных сварочных швов (в редких случаях происходит закручивание балок).

Меры по предотвращению сварочных деформаций

Одним из способов устранения сварочных деформаций является сварка в кондукторах — специальных приспособлениях, позволяющих жёстко закрепить изделие. Кроме этого, часто применяют предварительную деформацию свариваемых деталей. Направление предварительной деформации должно быть противоположно ожидаемой деформации при сварке. Такая мера называется ещё методом предварительного изгиба.

Такой метод используют для предотвращения угловых деформаций при сварке угловых швов и при сварке нахлёсточных соединений. При сварке листового металла малой ширины, их выгибают в сторону, обратную от предполагаемой деформации.

В случае сварки листов большой ширины, их сварные кромки предварительно изгибают. Для предотвращения деформаций при сварке тавровых и двутавровых соединений, их закрепляют в приспособления, которые изгибают детали в сторону, обратную предполагаемой деформации.

Термообработка

Одним из вариантов снятия напряжения является высокотемпературный отпуск. Техническое мероприятие применяется во время сочленения углеродистых сплавов. Оно осуществляется за счет нагрева до 630-650 °C. После выдержки температуры, длящейся 2-3 минуты на 1 мм толщины стали, деталь охлаждается.

Снижение температуры изделия проводят медленно. Это позволяет избежать повторного образования напряжения. Скоростной параметр зависит от состава металла. Он уменьшается с увеличением в сплаве элементов, влияющих на его закалку.

Термообработка после сварки для устранения напряжений и деформаций

Отпуск после сварки для снятия напряжений

При сварке углеродистых конструкционных сталей выполняют общий высокотемпературный отпуск. Для этого сварное изделие нагревают до температуры 630-650°C, выдерживают при этой температуре и охлаждают. Время выдержки определяется из расчёта 2-3мин на миллиметр толщины металла.

Охлаждение сварного соединения должно происходить медленно, чтобы при остывании вновь не возникли внутренние напряжения. Скорость охлаждения стали определяется, в зависимости от её химического состава. Чем больше в составе стали присутствует элементов, способствующих закалке, тем меньше скорость охлаждения при отпуске после сварки. Часто сварное соединение охлаждают вместе с печью до температуры 300°C, а затем на обычном воздухе.

Отжиг для устранения внутренних напряжений

Отжиг для устранения напряжений и деформаций при сварке выполняется полный или низкотемпературный. При полном отжиге сварное изделие нагревают до температуры 800-950°C, выдерживают и охлаждают вместе с печью. После такого отпуска вязкость и пластичность сварного шва увеличивается, а твёрдость уменьшается.

При низкотемпературном отпуске сварное соединение нагревают до температуры 600-650°C и охлаждают вместе с печью. При таком отпуске, нагрев металла происходит до температур, ниже критических, поэтому, преобразований в кристаллической структуре металла не происходит.

Аргонодуговой прием

Смысл аргонодуговой обработки состоит в расплавление участка, находящегося между сварным швом и основным металлом. Процесс выполняется неплавящимся электродным стержнем в аргоновой среде. Такое воздействие позволяет избавиться от напряжений в переходной зоне. Однако в дальнейшем происходит кристаллизация, в результате которой они снова появляются. Величина вновь появившихся напряжений существенно меньше начальных значений. Разница достигает 70%.

Совет! Используя такой прием можно не только уменьшить напряжение, но и получить плавный переход на участке, расположенным между швом и металлом конструкции. Благодаря этому у металлоконструкции повышается прочностная характеристика.

Жаропрочные металлы

Этот тип сплавов отличает высокое (до 65%) содержание легирующих добавок, которые придают материалу устойчивость к высоким температурам.

Сложность сварки жаропрочных сталей таким образом, помимо обеспечения прочности шва, заключается в сохранении вышеупомянутых качеств.

Наиболее распространенная технология: сварка неплавким вольфрамовым электродом в среде инертных газов, гелия или аргона.

Аустенитные и нержавеющие сплавы сваривают также под флюсом. С целью сохранения мелкокристаллической структуры таких материалов, используют модификацию шва.

Для этого, применяют присадки с высоким содержанием легирующих компонентов (хром, молибден).

При использовании инверторных приборов используют соответствующие электроды либо проволоку.

Изделия из жаростойких металлов, обычно закаленные. Но поскольку околошовное пространство остывает медленно, каленый металл отпускается, теряя твердость. Чтобы этого не произошло после сварки теплоустойчивых сталей выполняют их закалку. Нагревая до 1000-1100 градусов и резко охлаждая.

Термическая правка

Этот метод подразумевает под собой нагрев сочленения при использовании газового пламени. Может также применяться электродуга, образующаяся от неплавящегося электродного стержня. Нагрев материала осуществляется до 750-850 °C. Затем происходит быстрое расширение сплава. Однако рядом расположенные слои не дают металлу расширяться. Из-за этого возникает пластическая деформация нагретой зоны. Когда происходит охлаждение, предварительно нагретый участок начинает сжиматься. В итоге деформация полностью или частично устраняется.

Зная, как снять напряжение металла после сварки, удастся уменьшить вероятность снижения прочности сварных конструкций. Это особенно важно в условиях, которые способствуют появлению хрупкого разрушения шва. Используя вышеописанные методы, удается избежать дефектов при эксплуатации сварной металлоконструкции.

Техника сварки, позволяющая избежать сварочных деформаций

Существуют разные варианты техники сварки, позволяющие уменьшить сварочные напряжения и поводки. При выполнении сварочных швов большой длины, используют обратноступенчатый способ сварки на проход (схема а) на рисунке слева). При выполнении многослойной сварки, наплавляются каскадные сварные швы, или горкой. Каждый из этих слоёв (кроме первого и последнего) проковывают.

Кроме этого, сварные швы выполняются таким образом, чтобы каждый последующий шов вызывал напряжения, противоположные напряжениям от предыдущего шва (схемы б) и в) на рисунке слева).

Последовательность сварки не должна препятствовать возможной свободной деформации сварной металлоконструкции. Например, при сварке листового настила из металлических полос, необходимо, в первую очередь, сваривать листы в каждом слое настила, а затем сваривать слои между собой (см. рисунок справа).

При сварке вязких материалов, применяют способы сварки, позволяющие снизить остаточные напряжения. К таким способам относятся закрепление свариваемой детали в специальных приспособлениях. В таких приспособлениях свариваемые детали собирают, сваривают и остужают.

Кроме этого, применяют различные приёмы, позволяющие быстро отводить тепло от сварного изделия, например, при охлаждении под струёй воды, или отвод теплоты с помощью медных подкладок.

Если свариваемый металл склонен к формированию закалочных структур, то резкое охлаждение сварного шва и зоны термического влияния приводит к возникновению внутренних напряжений и образованию холодных трещин в металле.

Для того, чтобы уменьшить перепад температур в металле, пред сваркой выполняют предварительный подогрев. Если сварочные работы ведутся при низких температурах, то подогрев обязателен даже если выполняется сварка низкоуглеродистых сталей.

Пережог

Это самый неисправимый брак. При нагреве металла или сплава обязательно нужно следить за температурой, временем и конца нагрева. Окалина растёт, если увеличено время нагрева, а при быстром или интенсивном нагреве могут появиться трещины.
Пережог сплава происходит вследствие диффузии кислорода на границах зёрен, где сразу образуются окислы, которые разъединяют зёрна при высокой температуре сплава и при этом сразу резко падает прочность. А пластичность в это время приходит к нулю. Этот брак сразу отправляется на переплавку.

Подготовка к проведению работ

Перед тем как сваривать нержавеющие элементы, их следует правильно подготовить к проведению работ. Основные моменты здесь заключаются в следующем:

Все кромки тщательно зачищают при помощи напильника, шлифовальной бумаги или болгарки.
Кромки также обрабатывают ацетоном, чтобы убрать все жирные налеты. Кроме того, данный раствор позволяет обеспечить стабильность электрической дуги, а сварное соединение будет иметь еще более высокое качество.
Располагая заготовки относительно друг друга, необходимо помнить об увеличенном зазоре, который не допустит деформации конечной детали.

Как осуществляется сварка нержавейки

Перед выполнением сварки нержавеющей стали необходимо ее подготовить. Очень важно уделить внимание кромкам свариваемых деталей – они должны быть зачищены до стального блеска. Также следует обезжирить поверхность с помощью растворителя, авиабензина или ацетона.

Для сваривания нержавейки можно применить одну из следующих технологий:

Ручная MMA-сварка, как правило, используют при отсутствии высоких требований к качеству шва. Основная сложность данной технологии заключается в правильном выборе электрода, который нужно подбирать в соответствии с маркой металла. Обычно для таких целей применяют электроды с основным покрытием, изготовленным из карбонатов магния и кальция, или рутиловым покрытием, созданным на основе двуокиси титана. Если в первом случае сваривание осуществляется исключительно обратнополярным постоянным током, то во втором допускается применение тока с переменной характеристикой.

Таблица для подбора электродов

TIG-сварка эффективна для сваривания тонких листов нержавейки. Чтобы добиться высокого качества шва, следует использовать присадочную проволоку с более высоким уровнем легирования, чем у основного металла. В качестве защитной среды зачастую применяется 100% аргон, однако в некоторых случаях для повышения стабильности дуги и увеличения скорости процесса аргон могут разбавлять гелием.

TIG сварка изделий из нержавейки

TIG сварка выхлопных систем

Аргонодуговая сварка TIG с вольфрамовым электродом

Полуавтоматическая технология MIG/MAG является наиболее универсальной для сварки нержавеющей стали, так как позволяет работать с разными толщинами: для тонких листов подходит метод короткой дуги, для толстых – струйного переноса. С целью защиты шва обычно используют смесь аргона (98%) с диоксидом углерода (2%). Не рекомендуется увеличивать концентрацию углекислоты и, тем более, применять ее в чистом виде, поскольку это приводит к появлению металлических брызг и нарушению структуры шва. Подробнее о сравнении углекислого газа и сварочных смесей читайте в нашей статье.

Особенности работы с нержавеющей сталью

Приступая к сварочному процессу, необходимо учитывать несколько важных моментов, характерных для нержавейки:

Данный материал обладает меньшей теплопроводностью, чем обычное железо. Поэтому во избежание высокой концентрации тепла в районе шва с дальнейшим прожогом детали сварочный ток необходимо уменьшать на 20-30%.
Из-за повышенного электрического сопротивления металла электроды нагреваются гораздо сильнее, что приводит к их более быстрому износу.
Нержавеющая сталь отличается высоким коэффициентом линейного расширения. При сваривании деталей большой толщины важно выдерживать определенный зазор для нормальной усадки шва. В ином случае возможно появление трещин.
В режиме термообработки возникает вероятность снижения антикоррозионных свойств в месте соединения деталей. С целью предотвращения такой ситуации шов следует оперативно охлаждать. Для этого используют разные способы, например, подкладывают под место соединения медную пластину или снижают его температуру с помощью холодной воды.

Сваривание изделий из нержавейки это распространенная задача на производстве. Как показывает практика, попытки сэкономить на качестве защитных газов приводят к уменьшению надежности и долговечности сварного соединения. Качество имеет первостепенное значение для всего результата работы. Например, здесь можно ознакомиться с защитными газовыми смесями, которые применяются для различных видов металлов, и их типовыми характеристиками.

Последствия напряжения сварного шва

Последствия напряжения различают и по характеру деформации — упругая поверхностная может быть устранена или постепенно сойдет сама в процессе остывания. Пластическая деформация шва необратима, устранить ее без переваривания практически невозможно, при этом изменяется структура металла и его прочностные свойства.

Равномерность распределения

При оценке деформации используется коэффициент неравномерности, который позволяет учесть направление сил напряжения и заранее принять профилактические меры. Например, неравномерность будет выраженной, если часть заготовки контактирует с массивными холодными тисками, фиксируется ими, а при остывании именно в этой зоне формируется зона наибольшего напряжения. Имеет значение и разница в габаритах деталей — больший размер связан с изменением динамики нагрева и остывания, при соединении с фрагментом меньшего размера возникает неравномерно распределенное усилие.

Какое бывает окисление у разных сталей?

Хромоникелевая сталь — её называют жаростойкой потому, что она практически не поддаётся окислению.

Легированная сталь — у неё образуется плотный, но тонкий слой окалины, который защищает от дальнейшего окисления и не даёт растрескиваться при ковке.

Углеродистая сталь — она теряет около 2–4 мм углерода с поверхности при нагреве. Это для металла очень плохо, так как он теряет прочность, твёрдость и сталь ухудшается в закаливании. А особенно очень пагубным является обезуглероживание для ковки небольших деталей с последующей закалкой. Чтобы не было трещин на высоколегированной и высокоуглеродистой стали, их надо нагревать медленно.

Обязательно нужно обращаться к диаграмме «железо-углерод», где определена температура для начала и конца ковки. Делать это надо для того, чтобы металл при нагреве не приобретал крупнозернистую структуру и не снижалась его пластичность.

Другие виды

При сварке нержавейки шов нередко, оказывается подверженным коррозии. Это вызвано как выгоранием части легирующих добавок, так и занесением в сварную зону излишнего содержания железа.

Чтобы этого избежать необходима пассивация сварных швов нержавеющей стали путем их зачистки, либо травления кислотой (как правило — азотной). В процессе пассивирования, на поверхности металла образуется прочная окисная пленка, которая становится его надежной защитой.

Явной приметой снижения уровня легирования, является значительное изменение цвета зоны как самого шва, так и прилегающего к ней металла.

Серьезные проблемы при выполнении неразъемных соединений создает сварка анодированной стали. Дело в том, что слой анодированного покрытия при создании шва неизбежно разрушается. Если после окончания сварочных работ не произвести его восстановление, изделие на стыке быстро начнет ржаветь.

К счастью, восстановление анодированного покрытия не представляет особых проблем, даже в домашних условиях. Для этого достаточно источника постоянного тока не менее 12 Вольт, а также пищевой соды и обычной поваренной соли.

Термообработка сварных соединений и альтернативные методы снятия остаточных напряжений в сварных соединениях

Сварные конструкции, непосредственно после сварки, имеют достаточно высокую степень отклонений по «геометрии». Причина таких отклонений — наличие остаточных сварочных напряжений, неизбежно сопутствующих процессу сварки. Возникает необходимость дополнительной обработки.

Остаточные механические напряжения, действующие на металлоконструкции (судовые, строительные, мостовые, трубопроводы и т.п.), приводят к деградации металла и вызывают возникновение в них, в процессе эксплуатации, развитие дефектов. В местах концентраторов напряжений более интенсивно развиваются дефекты такие как КРН (коррозионные растрескивания под напряжениями), питтинги, интенсивное протекание коррозионных процессов и др.

В большинстве случаев именно в зоне сварного шва наблюдаются максимальные уровни остаточных напряжений. В поперечном к шву направлении обычно фиксируется их максимальный градиент (рис. 1). На базе, соответствующей ширине шва, значение напряжений может меняться от нулевого (на линии сплавления) до максимального, близкого к пределу текучести материала (в центре шва). По некоторым данным, градиент в поперечном направлении в сварном шве может достигать 200 МПа/мм.

Рис. 1. Характерное распределение продольных остаточных напряжений в зоне шва на пластине

Основной способ снятия остаточных сварочных напряжений — термическая обработка. Однако, в последние десятилетия, получил распространение способ снятия остаточных механических напряжений и стабилизации геометрических размеров металлоконструкций посредством возбуждения в сварной конструкции низкочастотных механических колебаний – метод НВО.

улучшить и стабилизировать структуру металла сварного шва и околошовной зоны;
уменьшить деформации, вызванные сваркой;
перераспределить (сгладить) пиковые показатели концентраторов напряжений в сварном соединении;
повысить долговечность зоны сварного соединения до уровня основного металла.

Вибрационной обработке подвергают сварные конструкции не только из углеродистых сталей, но и изготовленные из алюминиевых и титановых сплавов. Широко используют виброобработку чугунных и стальных отливок.

Малая энергоемкость систем виброобработки, относительно низкая стоимость технологического оборудования и простота его обслуживания позволяют эффективно применять виброобработку не только на крупных предприятиях, но и в условиях мелких и средних производств.

Преимущества метода низкочастотной виброобработки (НВО)

НВО — наиболее современный, надежный и эффективный технологический процесс, основанный на мировых достижениях науки и техники, и имеет следующие преимущества в сравнении с термообработкой (ТО):

затраты электроэнергии – на несколько порядков меньше, чем при ТО;
малая продолжительность процесса НВО (20…30 мин) по сравнению с ТО (2…3 суток);
стоимость оборудования НВО мала в сравнении с полученной годовой экономией электроэнергии и стоимостью термической печи;
расходы по обслуживанию и эксплуатации виброкомплекса весьма малы по сравнению с эксплуатацией термической печи;
после НВО обеспечивается сохранность внешнего вида изделий (покраска, покрытия, полировка и др.), а при ТО образуется окалина на поверхности изделия, качество поверхности снижается;
после НВО сохраняются прочностные характеристики металла (σв, σт), а при ТО происходит снижение этих характеристик;
возможность снятия остаточных напряжений в сварных конструкциях из разнородных материалов, где невозможно применить ТО — детали с поверхностями, подвергнутыми закалке ТВЧ, ТПЧ или стали группы Hardox;
возможность быстро выявить дефекты в сварных конструкциях и деталях (например, опасные трещины и другие дефекты), что позволит избежать аварий конструкций;
сокращение транспортных операций; сокращение непроизводственных расходов, так как отпадает необходимость перевозки деталей для ТО в другие цехи или на другие предприятия, где имеются термические печи соответствующих габаритов;
возможность снятия остаточных напряжений в сварных конструкциях очень больших габаритов, для которых нет термических печей таких размеров.

Многие предприятия судостроения, тяжелого машиностроения и атомного машиностроения РФ и зарубежных стран используют метод НВО для снижения остаточных напряжений, стабилизации размеров и обеспечения достаточно жестких допусков для изделий, к которым предъявляются высокие требования по точности.

Применяется способ НВО и для крупногабаритных конструкций. Заметим, что опыт наших партнеров, использующих оборудование от ООО «МАГНИТ плюс» – обработка металлоконструкции весом в 180 тонн.

Разработки ООО «МАГНИТ плюс»

ООО «МАГНИТ плюс» на протяжении многих лет занимается внедрением и поставками оборудования для контроля и снятия остаточных механических напряжений в металлоконструкциях.

В настоящее время для снятия остаточных сварочных напряжений в металлоконструкциях компания ООО «МАГНИТ плюс» предлагает:

установка низкочастотной виброобработки ВТУ-02МП;
технологический комплекс для упрочняющей обработки сварных соединений методом ударного деформирования на ультразвуковой частоте «ШМЕЛЬ».

Установка низкочастотной виброобработки ВТУ-02МП

Комплекс предназначен для возбуждения изменяемых низкочастотных колебаний в деталях, узлах и конструкциях после их изготовления способом сварки, механической обработки, литья и горячего деформирования, с целью снижения остаточных напряжений и стабилизации геометрической формы и линейных размеров.

Установка является мобильной и монтируется рядом с обрабатываемой конструкцией. Комплекс состоит из двух частей: вибровозбудитель и пульт управления.

Вибровозбудитель — это специализированный асинхронный двигатель. На валу двигателя с двух сторон закреплены два эксцентрика. При вращении двигателя, эксцентрик создает круговые колебания, которые передаются конструкции, на которой он установлен. Амплитуду колебаний (рабочее усилие) создаваемых эксцентриком можно изменять путем его регулировки.

Пульт управления предназначен для задания и индикации параметров работы вибровозбудителя. С помощью пульта производится запуск и останов вибровозбудителя, задание режима работы и скорость вращения вибровозбудителя.

К сварной конструкции, при помощи струбцин, крепится вибровозбудитель с регулируемым дисбалансом и после его включения, в металле, возникают низкочастотные колебания, которые снимают напряжения микроструктуры сварного шва и околошовной зоны.

Проведенный ООО «МАГНИТ плюс», в рамках оценки эффективности комплексной методики оценки и снижения уровня остаточных напряжений, эксперимент показал возможность достижения нулевого уровня остаточных напряжений.

Пример работы комплекса ВТУ-02МП

Снижение остаточных сварочных напряжений методом ультразвуковой ударной обработки. Технологический комплекс «ШМЕЛЬ»

Одной из актуальных задач современного промышленного производства остается поиск эффективных средств, обеспечивающих упрочнение сварочных швов. Качество сварки, это не только вопрос надежности на момент завершения сварочных работ, а также сроки безаварийного использования данного сварного соединения в течение всего периода эксплуатации конструкции в целом.

Среди методов, позволяющих повысить качество, надежность и ресурс сварных швов следует выделить ультразвуковую ударную обработку (УУО). Снижение остаточных механических напряжений ультразвуковой ударной обработкой происходит за счет образования сжимающих поверхностных напряжений.

Механизм ультразвуковой ударной обработки представлен на рисунке 2 зонами физического воздействия на сварочное соединение в поперечном разрезе поверхностного слоя обрабатываемого металла. Рисунок 2 отражает многочисленные исследования эффективности ультразвуковой ударной обработки.

Рисунок 2. Физические зоны влияния ультразвуковой ударной обработки

Эти результаты определяют ряд актуальных областей использования ультразвуковой ударной обработки в производстве, эксплуатации и ремонте сварных соединений (мостостроение, судостроение, машиностроение и другие отрасли). В этой схеме каждой физической зоне влияния ультразвуковой ударной обработки на свойства материала соответствуют определенные режимы обработки и определенная технология изготовления сварного соединения.
Работа технологического комплекса Шмель основана на ударном воздействии на обрабатываемый материал с целью его пластического деформирования. Ультразвуковая колебательная система размещена в корпусе, который обеспечивает возможность ее принудительного жидкостного охлаждения.
Ультразвуковой генератор, размещенный в блоке питания, осуществляет преобразование тока промышленной частоты 50 Гц в ток высокой частоты 26—28 кГц, соответствующего частоте ультразвука.

Внешний вид комплекса Шмель

Какие именно преимущества способна дать ультразвуковая ударная обработка по сравнению с термическим снятием напряжений в металле?

Высокая удельная энергоэффективность УУО: в масштабах серийного производства, УУО – это метод, способный дать ощутимый экономический эффект.
УУО рассматривается как поверхностное пластическое деформирование (ППД), В поверхностном слое обрабатываемой поверхности формируются сжимающие остаточные напряжения, и благоприятный профиль шероховатости поверхности. Для деталей, изготовленных из высокопрочных материалов и имеющих повышенную чувствительность к концентраторам напряжения, что важно, ППД повышает сопротивление усталости и, соответственно, появлению усталостных трещин.
УУО сварочного шва и околошовной зоны снижает развитие межкристаллитной коррозии границ зерен металла за счет их измельчения ударными импульсами ультразвука.

Эффективность ультразвуковой ударной обработки (УУО). Результаты измерений полей остаточных напряжений показали, что УУО в ряде случаев является приемлемой альтернативой высокому отпуску. УУО оказывает эффективное воздействие на перераспределение остаточных сварочных напряжений.

О ремонте труб. Из результатов проведённых работ установлено, что УУО производит в зоне ремонтного участка благоприятное перераспределение напряжений. На участке после УУО напряжения наплавленного участка, околошовной зоны и основного металла трубы были получены идентичны, близкие к равномерному распределению по всей площади, тогда как на участке без УУО наблюдались высокие концентраторы с большим уровнем градиентов.

В результате – практически однородное распределение остаточных напряжений. Металл в зоне, подвергнутой ремонтным сварочным работам, равномерно стабилизирован, что очень важно для надежной эксплуатации трубопровода.

Картограммы механических напряжений (РГМН и КМН)

Ультразвуковая ударная обработка позволяет эффективно снизить уровень остаточных технологических напряжений в сварных конструкциях.
Применение УУО позволяет, в ряде случаев, отказаться от послесварочной термической обработки.

Сканер механических напряжений «Stressvision Antistress»

Конечно, при проведении работ по снятию остаточных сварочных напряжений и упрочнению сварочного шва возникает задача по контролю уровня внутренних напряжений до обработки и после обработки. Видеть распределение напряжений на площади металлической конструкции важно для понимания общего напряженного состояния конструкции.

Для этих целей, компания ООО «МАГНИТ плюс» рекомендует обратить внимание на магнитоанизотропный метод. А именно на магнитоанизатропный сканер “Stressvision Antistress”. Данный прибор позволяет получить информацию о распределении напряженного состояния исследуемой области конструкции: в основном металле, сварном шве и околошовной зоне. Результаты документируются в виде картограмм разности главных механических напряжений (РГМН), градиентов РГМН и карт распределения коэффициента концентрации механических напряжений (КМН).

Магнитоанизатропный сканер «Stressvision Antistress»

Таким образом, показано, что имеются технологии и оборудование, позволяющие эффективно снимать остаточные напряжения в металлоконструкциях, что позволяет повысить надежность и срок службы металлоконструкций.

Снятие остаточных сварочных напряжений

В последние годы огромное внимание во всем мире уделяется послесварочным методам обработки сварных соединений. Практика изготовления сварных конструкций из различных марок сталей и сплавов показывает, что получаемые сварные соединения часто имеют иные прочностные характеристики, чем основной металл. Вызвано это в первую очередь остаточными сварочными, механическими напряжениями, которые приводят к появлению различного рода дефектов, таких как, образование трещин, стресс-коррозионных растрескиваний, появление питингов, ускоренное протекание коррозионных процессов и других. На сегодня известно несколько методов снятия механических напряжений, это термообработка, методы пластической деформации, низкочастотная виброобработка, ультразвуковая ударная обработка и другие.

Такие виды обработки как термическая обработка, обкатка сварных соединений роликами, проковка сварных швов и др. усложняют технологию изготовления металлоконструкций и, кроме того, не всегда являются допустимыми, особенно в конструкциях, выполненных из термически обработанных металлов или металлов, склонных к образованию хрупких структур. Помимо этого, указанные виды обработки не всегда устраняют недостатки сварочного соединения, а иногда и вносят дополнительно концентраторы механических напряжений.

При использовании метода комплексной термообработки требуется наличие печи, которая требует больших энергетических и финансовых ресурсов, так же предполагаются затраты на транспорт и погрузочно-разгрузочные работы, аренду или выделение территории для окончательного остывания обработанных изделий, что так же является финансовой стороной вопроса, и последнее процесс достаточно емкий по времени.

Ультразвуковая ударная обработка

Ультразвуковая ударная обработка относится к методу пластической деформации, но процесс проходит на ультразвуковой частоте. Установлено, что импульсные и циклические напряжения, инициируемые ультразвуковой ударной обработкой, а также сжимающие напряжения в приповерхностных слоях пластически деформированного металла обуславливают снижение уровня остаточных сварочных напряжений на 25–50% а иногда и выше, повышение предела усталости металла в 1,5–3 раза в зависимости от различных марок сталей.

Как известно в сварном шве металлоконструкций в процессе сварки образуются высокие растягивающие напряжения. В результате ультразвуковой ударной обработки в поверхностном слое образца создаются сжимающие напряжения (глубина наклепа) на глубине до 2 мм, а релаксации происходят гораздо глубже.

Результаты исследований свидетельствуют о достаточно высокой эффективности ультразвуковой ударной обработки. Повышение сопротивления усталости сварных соединений обусловливается влиянием двух основных факторов: снижением растягивающих остаточных сварочных напряжений и поверхностным пластическим деформированием металла на ультразвуковой частоте, приводящим к образованию благоприятных напряжений сжатия в зонах концентраторов.

Исследования коррозионных свойств сварных соединений в морской среде показали, что после ультразвуковой ударной обработки сопротивляемость соединения коррозии возрастает в несколько раз.

В Америке проводились циклические испытания мостовых конструкций, и по утверждению ученых ультразвуковая ударная обработка повышает срок службы сварных мостовых конструкций на 50 лет. В 2009 ООО «МАГНИТ плюс» совместно с ООО «ВНИИ ГАЗ» и РГУ НГ им. И.М. Губкина проводили работы на производственной базе ООО «Газпромтрансгаз Санкт-Петербург» по отработки технологии ремонта газопроводов с дефектами КРН с применением аргонодугового переплава с последующей ультразвуковой ударной обработкой, работы проводились с поэтапным контролем механических напряжений, определением состояния дефектного участка, замерами напряженного состояния после сварочных работ и после ультразвуковой ударной обработки.

Из результатов проведенной работы установлено, что ультразвуковая ударная обработка, также как и термообработка, создает в обработанной (околошовной) зоне сжимающие напряжения, где до обработки в процессе сварки образовались растягивающие напряжения, что является положительным фактором с позиции эксплуатационной надежности сварной конструкции. При этом ультразвуковая ударная обработка оказывает более эффективное воздействие на перераспределение остаточных сварочных напряжений, по сравнению с термообработкой.

Низкочастотная виброобработка

Метод низкочастотной виброобработки предназначен для снятия остаточных механических напряжений в металло-конструкциях больших габаритов с высокими требованиями прочностных характеристик. При использовании метода происходит определение собственной частоты металлоконструкции, после чего конструкция подвергается вибрационной обработке на этой частоте в течение 15–20 минут, в результате чего происходит перераспределение механических напряжений. Метод низкочастотной виброобработки позволяет обрабатывать не только малогабаритные конструкции, но и массой свыше 100 тонн, где не всегда возможно применение термообработки.

Использование метода вибрационной обработки изделий снимает ряд вопросов, возникающих при выборе между термообработкой и виброобработкой. Отпадает необходимость печи, нет необходимости в транспорте и в поиске территории временного хранения, время обработки снижается до минимума, там, где ранее обрабатывали одно изделие, при этом методе может быть обработано значительно больше изделий. При серийном выпуске изделий, обработка может проводиться на вибростенде, и будет вестись автоматически по таймеру. Совокупность экономий на каждом этапе дает ощутимый экономический эффект в целом. Если по сравниваемым методам рассмотреть экономический эффект, а так же их влияние на окружающую среду, условия труда рабочих и прочие факторы, экономически привлекательными можно назвать методы виброобработки деталей и ультразвуковой ударной обработки сварных соединений.

ООО «МАГНИТ плюс» продолжает исследования в области упрочнения сварных соединений и снятия остаточных сварочных напряжений, а так же других вспомогательных технологий, таких как снятие фаски под сварку, размагничивание, изготовление различной магнитной оснастки и др.

Снятие остаточных напряжений низкочастотной виброобработкой

В статье описана технология низкочастотной виброобработки, предназначенной для снижения уровня остаточных напряжений в различных конструкциях, позволяющая в ряде случаев отказаться от классической термической обработки. Эффективность метода подтверждена изучением распределения полей остаточных напряжений в различных конструкциях как до применения виброобработки, так и после ее применения.

А.П. Летуновский, генеральный директор ООО «МАГНИТ плюс», г. Санкт-Петербург
А.А. Антонов, д.т.н., профессор кафедры сварки и мониторинга нефтегазовых сооружений РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, г Москва
О.И. Стеклов, д.т.н., профессор кафедры сварки и мониторинга нефтегазовых сооружений РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, г Москва

Значительная часть металлоконструкций эксплуатируется в условиях сложного напряженно-деформированного состояния и воздействия природных и технологических сред, вызывающих необратимые физико-химические изменения в металле, снижающие эксплуатационную надежность конструкции.

Рис. 1. Пример дефектов металла, возникающих при содействии остаточных напряжений в металле

Суммарные напряжения от рабочих нагрузок и остаточные технологические в условиях воздействия коррозийно-активных сред в связи с механохимическим эффектом могут повышать скорость общей коррозии и вызывать наиболее опасные виды разрушения – коррозионное растрескивание под напряжением (КРП) и коррозийную усталость (рис.1). Например, около 70 % аварийных отказов магистральных газопроводов России вызваны КРН [1, 2].

По данным Международной ассоциации инженеров - коррозиционистов NACE ущерб от коррозии и затраты на борьбу с ней в США составили 3,1 % от ВВП (276 млрд дол. США). По оценкам специалистов различных стран, эти потери в промышленно развитых странах составляют от 2 до 4 % валового национального продукта. При этом потери металла, включающие массу вышедших из строя металлических конструкций, изделий, оборудования, составляют от 10 до 20 % годового производства стали [3].

Для предотвращения аварийных отказов важными являются оценки уровня остаточных напряжений и разработка технологических методов их устранения.

Для каждого металла и сплава существуют предельные (критические) напряжения, а также ряд других параметров, которые определяют стойкость материала к коррозии. Проблема возникновения остаточных механических напряжений в металле известна достаточно продолжительное время и возникает на каждой стадии изготовления металлоконструкции: проката, резки, рубки, мехобработки, штамповки, вальцовки, сварки, а также раскрое заготовительных и сборочных процессов (Рис.2).

Рис. 2. Пример увеличения внутренних напряжений
в металле на примере создания магистрального трубопровода

В связи с этим возникает необходимость в изучении и применении технологий, способных снизить остаточные напряжения в металле, уменьшая вероятность развития коррозии, предотвращая будущие разрушения еще на этапе строительства или проведения ремонтных работ. Одним из таких методов является низкочастотная виброобработка (НВО).

Сущность способа заключается в создании в сварных конструкциях после сварки переменных напряжений определенной величины с помощью механических вибраторов. Виброобработка осуществляется, как правило, на резонансных или близких к резонансным частотах в течение определенного промежутка времени. В ряде случаев виброобработку применяют взамен термической обработки, что экономичнее примерно в 10 раз, так как она имеет следующие преимущества [4]:

Необходимое для виброобработки оборудование является универсальным для различных конструкций, компактным и мобильным.
Стоимость этого оборудования, а также затраты на его обслуживание и уход за ним относительно невелики.
Процесс снятия напряжений, в том числе сварочных, протекает быстро (максимальное время обработки 50 тонной детали составляет 30 мин.).
Металл и поверхность деталей после обработки не претерпевает заметных физико-механических повреждений (нет окалины, шлака, цветов побежалости и т.п.).

Понижение остаточных напряжений в процессе вибрации достигается в результате сочетания напряжений (вибрационных и остаточных), при определенных значениях которых материал становится пластичным.

Необходимым условием, при котором наблюдается снижение остаточных напряжений, является достижение предела текучести при вибрации сочетанием остаточных и вибрационных напряжений. Предел текучести при циклическом нагружении для некоторых материалов может быть снижен в 2 раза по сравнению с пределом текучести при статическим нагружении, в связи с чем при пульсирующих напряжениях небольшого уровня наблюдается снижение остаточных напряжений. Наибольшее уменьшение остаточных напряжений происходит уже при первом цикле, последующее снижение напряжений происходит менее интенсивно на отрезке до 100 циклов с постепенным затуханием этого процесса при дальнейшем циклическом нагружении.

При проведении работ по снятию остаточных напряжений и изменению напряженно-деформированного состояния требуется обязательных приборных контроль полей остаточных напряжений, картины их распределения в сварных соединениях. Учитывая, что уровень механических напряжений в реальной конструкции может значительно отличаться даже в двух незначительно удаленных друг от друга точках, важно видеть картину напряженного состояния элемента конструкции в целом до и после проведения работ. Своевременный контроль позволяет подбирать требуемые режимы и контролировать качество проведенных работ.

Под термином «разрушение» подразумевают несколько разномасштабных явлений. Это и разделение куска вещества (на два или несколько), и образование и рост трещины в пределах одного элемента микроструктуры (например, в масштабах зерна 10. 100 мкм), и разрыв атомарных связей с образованием новой поверхности в масштабах кристаллической решетки металла. Разрушение – это факт образования микро- или макротрещины. Для зарождения трещины необходим соответствующий концентратор напряжений. Исследование примерно 150 тыс. сварных соединений на 1500 паропроводах ТЭС с макс. наработкой до 200…300 тыс. ч., показало, что в 1103 случаев повреждения отмечаются в сварных соединениях с повышенной концентрацией напряжений.

Для визуализации полей напряженного состояния исследуемой области металлоконструкции нами использовался аппаратно-программный комплекс "Сканер механических напряжений "Комплекс-2.05", основанный на магнитоанизотропии металла.

Данный прибор позволяет получить картограммы распределения параметров напряженного состояния исследуемой области конструкции – в основном металле, сварном шве и околошовной зоне – с представлением информации о наличии напряженных состояний в исследуемой зоне. Результаты документируются в виде картограмм разности главных механических напряжений (РГМН) и коэффициентов концентрации механических напряжений (КМН).

Рис. 3. Внешний вид диагностируемых труб (слева)
и сканера-дефектоскопа «Комплекс 2.05» (справа)

В качестве примера оценки напряженного состояния металла рассмотрим состояние участка трубы заводского изготовления (K65 Ø 1420 с толщиной стенки 40 мм., рис. 3).

На рис. 3 мы показана труба без изоляции с координатной сеткой, подготовленной для дефектоскопии. Проведя замеры, мы получили два вида карт: разности главных механических напряжений (РГМН, цветная градиентная) и концентраторов механических напряжений (КМН, черно-белая).

На карте РГМН (рис. 4) вдоль проекции сварного шва в области линии 9 линии по вертикали наблюдаются неоднородное распределение областей разности главных механических напряжений, которые варьируются от +40 до +30. В зонах от 7 до 9 и от 9 до 12 наблюдается резкое изменение напряженного состояния металла: знак РГМН меняется на противоположный с высоким градиентом перехода до -20 через нулевое значение. На карте КМН (см. рис. 4) в точках , , а также вдоль горизонтальной линии 9 присутствуют зоны концентраторов напряжений, что в сочетании с высоким градиентом является одним из основных факторов зарождения дефектов.

Рис. 4. Карты РГМН – разности главных механических напряжений
и КМН – концентраторов механических напряжений

В обе стороны сварного шва в зоне изгиба трубы на карте РГМН наблюдаются гармонические повторения напряженности металла, возникновение которых обусловлено деформацией металла во время пошаговой формовки.

На основании выявленных диагностических признаков можно сделать вывод о целесообразности применения способов обработки металла с целью снятия остаточных механических напряжений. При этом главной целью мероприятия должно быть снижение коэффициентов концентрации напряжений, что исключает вероятность возникновения трещин.

Однако, только контроля за распределением параметров напряженного состояния недостаточно, поэтому для получения достоверных данных о величине и направлении главных компонент напряженного состояния был применен метод физического измерения напряжений. В соответствии с ГОСТ Р 52891-2007 он называется методом лазерной интерферометрии.

В отличие от классического метода трепанации с фиксацией результатов с применением тензодатчиков метод лазерной интерферометрии позволяет получить точные данные по величине, знаку и направлению главных осей напряжений за 10…15 мин (в отличие от нескольких недель для метода трепанации) (рис. 5).

Рис. 5. Интерферометр «ДОН-5ЦЗ»
для определения остаточных напряжений
методом лазерной интерферометрии.

В настоящее время для снятия остаточных напряжений в металле можно применять технологию низкочастотной виброобработки на резонансных частотах (НВО). Технология применяется на предприятиях машиностроения, судоремонта, ТЭК и др. НВО как метод позволяет снизить напряжения во всей конструкции целиком, позволяя полностью или частично отказаться от термической обработки (рис. 6).

Рис. 6. Пример использования НВО
на металлоконструкциях различного назначения.
Пример использования НВО

Обработка газотранспортной трубы На рис. 7 показана газотранспортная труба без изоляции с диаметром 1420 мм и толщиной стенки 16,3 мм.

Металлоконструкцию размещают на виброгасителе, после чего на конструкцию (в данном случае на трубу), устанавливается вибратор с регулируемым дисбалансом. Определяют резонансные частоты данной трубы, и осуществляют виброобработку в течение 15…30 минут. В результате возникновения в металле знакопеременных нагрузок на уровне зерна происходит перераспределение остаточных механических напряжений, что подтверждают проводимые замеры.

Рис. 7. Газотранспортная труба
с установленным вибратором
и размещенными координатными сетками для дефектоскопии.

По результатам показаний прибора «Комплекс 2.05» до обработки в зоне сварного шва, расположенного по всей вертикальной длине линии 7, расположена зона разности главных механических напряжений c высоким градиентом от +50 до -70 (Рис. 8). После обработки — напряжения сняты, и металл равномерно стабилизирован.

Рис. 8. Карты РГМН – разности
главных механических напряжений и КМН –
концентраторов механических напряжений
до и после виброобработки газотранспортной трубы.

Схожую картину наблюдали и в отношении карт КМН до и после обработки. До обработки отчетливо видна полоса концентраторов механических напряжений, расположенных вдоль линии сварного шва. На карте КМН, полученной после обработки, концентраторы напряжений практически полностью отсутствуют, а все полученные числовые значения приближены к единице, что свидетельствует о снижении остаточных напряжений металла.

Обработка сваренного элемента конструкции шагающего экскаватора (рис.9)

Рис. 9. Элемент конструкции шагающего экскаватора
с установленным вибровозбудителем.

В данном примере в связи с идентичной НВО опустим методику обработки, сконцентрировав внимание на замерах, проведенных до и после обработки виброобработки. На рис. 10 видно, что до обработки на карте всей карте КМН присутствуют концентраторы механических напряжений. Основной объем концентраторов расположен в зоне между горизонтальными линиями 5 и 11. Концентраторы достигают в этой области пиковых значений 13…14, принимая в основном значения 7…9, что является значительной величиной концентрации механических напряжений на данном участке. В связи с этим необходимо обязательно применять методы снижения механических напряжений, либо проводить ремонтные работы на данном участке заново.

Карта РГМН подтверждает эту необходимость: между горизонтальными линиями 7 и 10 расположена зона разности главных механических напряжений c высоким градиентом от -100 до +50.

Было принято решение о применении НВО. Результат виден в правой части изображения рис. 10. Значения КМН снижены до 1, градиент РГМН равномерно распределен, что свидетельствует о напряжении, характерном для исходного основного металла, не подверженного дополнительной обработке.

Рис.10. Карты РГМН – разности
главных механических напряжений
и КМН – концентраторов механических напряжений
до и после виброобработки
элементов конструкции шагающего экскаватора

Данный метод снятия остаточных механических напряжений постепенно получает все большее распространение в судостроении, машиностроении и энергетической промышленности. В отличие от дорогостоящей термической обработки, которую можно применить не в любой ситуации НВО, не изменяя структуры металла при малых энергозатратах, способна с высокой степенью эффективности снизить остаточные напряжения в металлоконструкциях. Пример используемого оборудования приведен на рис. 11.

Рис. 11. Внешний вид технологического
комплекса виброобработки
металлоконструкций

Остаточные напряжения в металле нередко являются причиной изменения геометрии металлоконструкции, вызывая «поводку металла». Низкочастотная обработка на резонансных частотах снимает напряжения в металле, возвращая металлоконструкцию к исходному геометрическому состоянию. Вибростабилизация обрабатываемых деталей позволяет достичь высокой точности при механической обработке. Снимая остаточные напряжения на сборочных секциях, НВО позволяет избежать неточностей при сборке конструкций, что отражается на трудоемкости.

Таким образом, технология низкочастотной виброобработки для снятия остаточных механических напряжений на металлоконструкциях заслуживает дальнейшего изучения.

Читайте также: