Деформационный критерий эффективности упрочнения сварных соединений высокочастотной механической проковкой
Приведены результаты испытаний на усталость сварных стыковых соединений после высокочастотной механической проковки с учетом различных технологий их подготовки. Показано, что одним из объективных методов оценки эффективности обработки сварных соединений является измерение глубины канавки зоны наклеп...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Дата: | 2009 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2009
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100948 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Деформационный критерий эффективности упрочнения сварных соединений высокочастотной механической проковкой / В.А. Дегтярев, Б.С. Шульгинов, В.В. Кныш // Автоматическая сварка. — 2009. — № 10 (678). — С. 48-51. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859589866925326336 |
|---|---|
| author | Дегтярев, В.А. Шульгинов, Б.С. Кныш, В.В. |
| author_facet | Дегтярев, В.А. Шульгинов, Б.С. Кныш, В.В. |
| citation_txt | Деформационный критерий эффективности упрочнения сварных соединений высокочастотной механической проковкой / В.А. Дегтярев, Б.С. Шульгинов, В.В. Кныш // Автоматическая сварка. — 2009. — № 10 (678). — С. 48-51. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Приведены результаты испытаний на усталость сварных стыковых соединений после высокочастотной механической проковки с учетом различных технологий их подготовки. Показано, что одним из объективных методов оценки эффективности обработки сварных соединений является измерение глубины канавки зоны наклепа.
The paper gives the results of fatigue testing of butt welded joints after high-frequency mechanical peening, allowing for different preparation technologies. It is shown that measuring the depth of the peened zone groove is one of the objective methods for assessment of the efficiency of treatment of the welded joints.
|
| first_indexed | 2025-11-27T12:41:13Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.791.052:539.43
ДЕФОРМАЦИОННЫЙ КРИТЕРИЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
УПРОЧНЕНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРОКОВКОЙ
В. А. ДЕГТЯРЕВ, канд. техн. наук, Б. С. ШУЛЬГИНОВ, д-р техн. наук
(Ин-т проблем прочности им. Г. С. Писаренко НАН Украины),
В. В. КНЫШ, канд. физ.-мат. наук (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Приведены результаты испытаний на усталость сварных стыковых соединений после высокочастотной механической
проковки с учетом различных технологий их подготовки. Показано, что одним из объективных методов оценки
эффективности обработки сварных соединений является измерение глубины канавки зоны наклепа.
К л ю ч е в ы е с л о в а : дуговая сварка, подготовка образца,
сварное соединение, высокочастотная механическая проков-
ка, глубина канавки, остаточные напряжения, кривая уста-
лости, предел выносливости, долговечность
Необходимость повышения прочности и умень-
шения вероятности разрушений машин и соору-
жений способствовала разработке большого ко-
личества способов упрочнения сварных соеди-
нений [1, 2] таких, как механическая зачистка шва,
аргонодуговая обработка, обработка взрывом,
виброобработка и другие способы обработки, ос-
новной целью которых является повышение их
сопротивления усталости. Действие одних спосо-
бов обработки направлено на уменьшение кон-
центрации напряжений [3], других — на умень-
шение остаточных напряжений растяжения [4].
Однако сложность прогнозирования циклической
долговечности конструкций в связи с влиянием
разных конструкционных и технологических фак-
торов требует развития новых методов повыше-
ния прочности сварного соединения. В последнее
десятилетие все большую актуальность приобре-
тает высокочастотная механическая проковка
(ВМП) вдоль линии сплавления металла сварного
шва с основным металлом [5], которая харак-
теризуется высокой эффективностью упрочнения
разных типов сварных соединений при ее малой
трудоемкости. Этот способ обработки достаточно
хорошо изучен. Положительный эффект от его
применения достигается за счет снижения кон-
центрации напряжений в месте перехода шва на
основной металл, деформационного упрочнения
поверхностного слоя металла и создания остаточ-
ных напряжений сжатия в зоне концентратора.
В настоящее время актуальным остается кон-
троль качества проковки, эффективность которой
во многом зависит от выбранных инструмента и
скорости обработки конструкций, эксплуатация
которых происходит в условиях циклического
нагружения.
В работе [6], например, оптимальную скорость
перемещения обрабатывающего инструмента оце-
нивали по образованию в поверхностном слое из-
делия максимальных остаточных напряжений
сжатия, полученных при скорости обработки
0,3…0,5 м/мин.
В исследованиях, проведенных в ИЭС им. Е. О.
Патона, эффективность ВМП оценивают по из-
мерению твердости дна наклепанного слоя [7].
Установлено, что указанная твердость достигает
максимального значения при скорости наклепа,
равной 0,5 м/мин за четыре прохода, т. е. при ско-
рости ВМП v = 0,125 м/мин, которая определяется
как отношение длины наклепанного шва ко вре-
мени наклепа. Проведены сравнительные усталос-
тные испытания разных типов сварных соедине-
ний в условиях асимметрии нагружения [8, 9],
которые продемонстрировали эффективность
ВМП с указанной скоростью. В работе [10] пред-
ложена скорость обработки 0,3…0,5 м/мин c ви-
зуальным контролем ее качества. В этом случае
при качественно выполненной ВМП формируется
канавка глубиной до 0,5 мм, с помощью которой
устраняются острые подрезы.
В настоящее время ВМП осуществляется вруч-
ную посредством специального инструмента. Не-
качественно выполненная обработка может не
обеспечить ожидаемого эффекта, поскольку все
зависит от опыта работы с инструментом и пра-
вильного выбора скорости наклепа.
Цель исследований состоит в поиске простого
и надежного критерия оценки эффективности
ВМП, особенно на стадии эксплуатации сварных
конструкций.
В настоящей работе влияние ВМП оценивали
по результатам испытаний на усталость стыковых
соединений низкоуглеродистой стали Ст3сп на ус-
тановке ДСО-2 [11] при отнулевом цикле гармо-
© В. А. Дегтярев, Б. С. Шульгинов, В. В. Кныш, 2009
48 10/2009
нического нагружения в условиях изгиба. Образ-
цы изготавливали из листовой стали толщиной
14 мм размером 40 400 мм. В ИЭС им. Е. О.
Патона обработку зоны сплавления металла шва
с основным металлом осуществляли посредством
ультразвукового пьезокерамического инструмен-
та USP-300 [12] с частотой колебаний 22 кГц, ам-
плитудой колебаний торца волновода 19 мкм и
потребляемой мощностью 0,3 кВт. Деформирую-
щий механизм представлял собой специальную
головку со встроенными в нее в один ряд че-
тырьмя стальными стержнями диаметром 3 мм.
При ВМП сварного соединения, если инструмент
перемещать вдоль линии сплавления металла шва
с основным металлом, образуется канавка шири-
ной 3,0…3,5 мм и различной глубины h, завися-
щей от времени обработки, т. е. от скорости пе-
ремещения рабочего инструмента вдоль шва. Ре-
зультаты испытаний образцов при напряжении от
внешней нагрузки σmax = 375 МПа показали, что
с увеличением глубины канавки их долговечность
увеличивается (рис. 1). Причем между глубиной
и долговечностью существует удовлетворитель-
ная корреляция. Начиная с глубины h = 0,14 мм,
которая получена при обработке со скоростью 0,065
м/мин, трещины усталости в сварных образцах, ис-
пытанных на базе N = 10 млн цикл, не образовы-
вались. Таким образом, на основе полученных ре-
зультатов исследований можно заключить, что оп-
тимальным режимом обработки стыковых соеди-
нений стали Ст3сп по критерию долговечности
будет считаться такой, который обеспечит глу-
бину канавки не менее 0,14 мм. В работах [7,
10] содержатся сведения о том, что при глубине
канавки h = 0,2…0,5 мм после качественно вы-
полненного упрочнения ВМП перенаклеп металла
не происходит. Однако эти данные имеют спра-
вочный характер и не могут служить основой вы-
бора критерия оценки повышения прочности свар-
ного соединения.
Чтобы оценить эффективность ВМП с учетом
разных технологий изготовления образцов и на-
выков работы с инструментом, проведены срав-
нительные испытания образцов трех серий.
Первая серия образцов ВМП не подвергалась,
т. е. образцы находились в исходном после сварки
состоянии. Испытывали по несколько образцов
в основном на четырех уровнях напряжений. Об-
разец считался разрушенным, если трещина ус-
талости достигала длины 10 мм. Результаты ис-
пытаний образцов (светлые кружочки), обрабо-
танных методом наименьших квадратов, предс-
тавлены на рис. 2, кривая 1. Предел выносливости
составил 200 МПа.
Вторая серия образцов изготовлена из сварной
пластины длиной 1000 мм и шириной 400 мм с
предварительно проклепанным сварным швом.
ВМП сварного шва была намеренно поручена не-
обученному оператору, не имеющему опыта ра-
боты с инструментом, с целью проверки, как мо-
жет повлиять выполненная неквалифицирован-
ным оператором ВМП сварных соединений на
долговечность конструкций при их циклическом
нагружении. После обработки пластину разрезали
на образцы установленных размеров (40 400 мм).
Результаты испытаний таких образцов представ-
лены на рис. 2 темными и светлыми треуголь-
никами. На рисунке виден существенный разброс
значений долговечности. При визуальном осмотре
установлено, что на некоторых образцах второй
серии в зоне наклепа оставались несглаженные
следы от бойков, имели место также наплывы ме-
талла. С целью анализа причин разброса резуль-
татов испытаний выполнены фотографии зон раз-
рушения, из которых видно, что в некоторых об-
разцах трещина усталости развивалась по дну нак-
лепа (рис. 3) к краю и центру образца. Зарождение
трещины происходило на расстоянии 5…7 мм от
торца образца. После выхода трещины на край
образца испытания прекращали. Анализ резуль-
татов испытаний таких образцов (светлые треу-
гольники), обработанных методом наименьших
квадратов (кривая 2 на рис. 2), показал, что ВМП
повысила их предел выносливости на 36 %. В не-
которых образцах конфигурация канавки была
Рис. 1. Зависимость долговечности сварного образца из стали
Ст3сп со стыковым швом от глубины канавки в зоне наклепа
Рис. 2. Кривые усталости образцов стыковых соединений
стали Ст3сп первой (1), второй (2) и третьей (3) серий
10/2009 49
неплавной, имелись характерные наплывы (гре-
бешки) металла (рис. 4), которые образовались
в результате некачественной проковки линии
сплавления металла шва с основным металлом.
В этом случае трещина усталости начинала раз-
виваться не по дну наклепа, а из гребешков, ко-
торые стали источниками концентрации напря-
жений. На рис. 2 видно, что долговечность свар-
ных образцов с такими дефектами в 3–4 раза мень-
ше (темные треугольники). В результате повы-
шение предела выносливости составило 11 %. По-
лученные результаты свидетельствуют о том, что
отступление от оптимальных режимов обработки
и недостаточная обученность оператора могут
приводить к снижению качества наклепа, а сле-
довательно, к существенному снижению эффек-
тивности проковки.
Третья серия образцов от второй отличалась
порядком их подготовки. Предварительно свар-
ную пластину разрезали на образцы. Затем каж-
дый образец подвергали обработке со скоростью
0,065 м/мин при соблюдении всех норм выпол-
нения технологии ВМП. Амплитуда колебаний
торца волновода рабочего инструмента составля-
ла 19 мкм. Такой порядок подготовки образцов
позволил создать и сохранить остаточные напря-
жения сжатия. Измеренная глубина канавки зоны
наклепа колебалась в пределах 0,14…0,16 мм, а
ее ширина составляла примерно 3,0…3,5 мм. Ре-
зультаты испытаний представлены на рис. 2 (кри-
вая 3, темные кружочки). Предел выносливости
сварных образцов после такой обработки составил
375 МПа, что на 87 % выше, чем у таких же об-
разцов в исходном состоянии. Особенностью ис-
пытаний является то, что трещины усталости в
образцах первой и второй серий зарождались на
расстоянии 5…7 мм от края образца и распрос-
транялись одновременно к его краю и в центр;
в образцах третьей серии трещина усталости за-
рождалась на таком же расстоянии от края образца
и распространялась всегда к его краю. В образцах
первой серии трещины усталости также возникали
в центре. Это подтверждает полученные ранее эк-
спериментальные данные [7] о том, что в око-
лошовной зоне соединения после ВМП остаточ-
ные напряжения сжатия увеличиваются в направ-
лении к центру образца, на его краях их значения
существенно уменьшаются. В образцах третьей
серии эпюра напряжений сжатия, по-видимому,
такая же, этим и объясняется наблюдаемая зако-
номерность распространения трещины усталости.
Разницу между пределами выносливости образ-
цов второй и третьей серий можно объяснить, во-
первых, качеством наклепа, а во-вторых, поряд-
ком изготовления образцов: порезка пластины на
образцы в первом случае осуществлялась после
наклепа, в результате чего произошла релаксация
сжимающих остаточных напряжений.
Как показали результаты испытаний, скорость
ВМП не может быть достаточным критерием ка-
чества обработки. Кроме того, проконтролировать
ее в производственных условиях достаточно
сложно. Поскольку после ВМП сварного соеди-
нения образуется канавка, зависящая от скорости
перемещения рабочего инструмента вдоль шва,
можно предположить, что ее глубина наряду с
величиной измеренной твердости на дне канавки
станут более объективным критерием эффектив-
ности ВМП сварных конструкций на стадии их
эксплуатации или изготовления, чем скорость об-
работки.
Выводы
1. Долговечность сварного соединения, упрочнен-
ного технологией ВМП, зависит от глубины ка-
навки, образуемой в зоне наклепа, поэтому одним
из объективных критериев оценки эффективности
упрочнения сварных соединений технологией
ВМП (если ее нельзя оценить прямыми испыта-
ниями на усталость) является измерение глубины
канавки.
2. Предел выносливости сварного стыкового
соединения стали Ст3сп после ВМП с рекомен-
дованной скоростью 0,065 м/мин и образованием
Рис. 3. Вид сбоку образца с трещиной усталости
Рис. 4. Вид сбоку образца с трещиной усталости, образовав-
шейся в зоне наплыва металла в результате отступления от
технологии проковки сварного шва
50 10/2009
канавки в зоне наклепа глубиной 0,14…0,16 мм
повышается на 87 %. Нарушение технологии об-
работки может существенно снизить ее эффек-
тивность при эксплуатации сварного соединения
в условиях изгиба, когда максимальные напря-
жения действуют на поверхности в зоне распо-
ложения характерных наплывов металла по краю
канавки. В исследуемых образцах это привело к
повышению предела выносливости соединений
всего на 11 %.
3. Эффективность повышения сопротивления
усталости сварных соединений зависит как от
выбранного режима ВМП, так и от профессио-
нализма оператора, выполняющего обработку со-
единений. В связи с этим к выполнению работ
по ВМП сварных швов должны допускаться опе-
раторы, прошедшие специальный курс обучения.
1. Труфяков В. И. Усталость сварных соединений. — Киев:
Наук. думка, 1973. — 213 с.
2. Аснис А. Е., Иващенко Г. А. Повышение прочности свар-
ных конструкций. — Киев: Наук. думка, 1978. — 193 с.
3. Лобанов Л. М., Кир’ян В. І., Книш В. В. Підвищення ре-
сурсу зварних металоконструкцій високочастотною ме-
ханічною проковкою // Фізико-хім. механіка матеріалів.
— 2006. —№ 1. — С. 56–61.
4. Снижение остаточных сварочных напряжений УЗ обра-
боткой / И. Г. Полоцкий, А. Я. Недосека, Г.И. Прокопен-
ко и др. // Автомат. сварка. — 1974. — №5. — С. 74–75.
5. Повышение сопротивления усталости сварных соедине-
ний металлоконструкций высокочастотной механичес-
кой проковкой ( Озор) / Л. М. Лобанов, В. И. Кирьян,
В. В. Кныш, Г. И. Прокопенко // Там же. — 2006. —
№ 9. — С. 3–11.
6. Остаточные напряжения при упрочнении сварных сое-
динений стали ЮЗ ультразвуковым инструментом удар-
ного действия / В. Г. Степанов, Е. Ш. Статников, М. И.
Клестов, Е. М. Шевцов // Технология судостроения. —
1974. — № 7. — С. 32–34.
7. Кныш В. В., Кузьменко А. З., Войтенко О. В. Повышение
сопротивления усталости сварных соединений высоко-
частотной механической проковкой // Автомат. сварка.
— 2006. — № 1. — С. 43–47.
8. Повышение сопротивления усталости сварных соедине-
ний конструкций ультразвуковой ударной обработкой /
П. П. Михеев, Э. Ф. Гарф, А. З. Кузьменко и др. // Проб-
лемы сварки и специальной электрометаллургии. — Ки-
ев: Наук. думка, 1990. — С. 41–47.
9. Кудрявцев Ю. Ф., Коршун В. Ф., Кузьменко А. З. Повы-
шение циклической долговечности сварных соединений
ультразвуковой ударной обработкой // Автомат. сварка.
— 1989. — № 7. — С. 24–28.
10. ЦП-0176. Рекомендації з огляду, підвищення та збіль-
шення експлуатаційного ресурсу суцільноступінчастих
зварних прогонових будов. — К.: Укрзалізниця, 2007. —
42 с.
11. Дегтярев В. А. Установки типа ДСО для испытаний на
усталость при повторном ударном нагружении с различ-
ной асимметрией цикла // Пробл. прочности. — 1982. —
№ 10. — С. 110–113.
12. Пат. 47536 Україна. Пристрій для ультразвукової удар-
ної обробки металів / Г. І. Прокопенко, Я. І. Клейман,
О. В. Козлов та ін. — Опубл. 15.07.2002.
The paper gives the results of fatigue testing of butt welded joints produced by different joining technologies, after high-
frequency mechanical peening. It is shown that measuring the depth of the peened zone groove is one of the objective
methods of assessment of the effectiveness of welded joint treatment.
Поступила в реадкцию 21.04.2009
Вниманию специалистов!
В Германии вышла в свет книга по истории электронно-лучевой сварки. В ее основу легли воспоминания
авторитетных специалистов из шести разных стран, работавших и работающих сейчас в области электронно-лу-
чевой сварки. Она раскрывает различные аспекты ее развития.
Здесь представлен личный опыт д-ра Стейгервалда (Германия) как изобретателя и предпринимателя, про
которого сегодня сказали бы «получил начальный капитал от ангела-инвестора»;
дана оценка технических достижений, описанная д-ром Сайе (Франция); рассмот-
рены особенности конкурентного развития электронно-лучевых компаний США (R.
Bakish, D. Powers), которые сравниваются с плановой экономикой Советского Союза
на примере шести промышленных комплексов, каждый из которых отвечает за опре-
деленный аспект целого (О. К. Назаренко); представлена также оценка лицен-
зионных соглашений, начиная с Hamilton Standard до Nippon Electric Company (NEC)
или Hawker Siddley, каждое с известными научно-исследовательскими орга-
низациями для продвижения технологий (Университет г. Осака в Японии и Институт
сварки TWI в Великобритании); д-р Дитрих (Германия) описывает поколения от Zeiss
через Hamilton Standard до Leybold/Heraeus и PTR. Д. В. Доченек обобщил инфор-
мацию о деятельности во всем мире большинства университетов и компаний для
того, чтобы сделать эту книгу наиболее полной.
В книге также раскрывается суть двух противоположных изобретений: д-р Стей-
гервалд проводил эксперименты с электронными микроскопами и открыл их
потенциал для бурения и сварки. У него было решение и он искал применения. С
другой стороны, перед д-ром Жак-Андре Стора стояла проблема, которую необ-
ходимо было решить: сварка химически активных материалов. Она требовала ва-
куумного процесса, и он нашел решение в электронно-лучевой сварке.
10/2009 51
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-100948 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-27T12:41:13Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Дегтярев, В.А. Шульгинов, Б.С. Кныш, В.В. 2016-05-28T15:29:27Z 2016-05-28T15:29:27Z 2009 Деформационный критерий эффективности упрочнения сварных соединений высокочастотной механической проковкой / В.А. Дегтярев, Б.С. Шульгинов, В.В. Кныш // Автоматическая сварка. — 2009. — № 10 (678). — С. 48-51. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100948 621.791.052:539.43 Приведены результаты испытаний на усталость сварных стыковых соединений после высокочастотной механической проковки с учетом различных технологий их подготовки. Показано, что одним из объективных методов оценки эффективности обработки сварных соединений является измерение глубины канавки зоны наклепа. The paper gives the results of fatigue testing of butt welded joints after high-frequency mechanical peening, allowing for different preparation technologies. It is shown that measuring the depth of the peened zone groove is one of the objective methods for assessment of the efficiency of treatment of the welded joints. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Производственный раздел Деформационный критерий эффективности упрочнения сварных соединений высокочастотной механической проковкой Deformation criterion of the efficiency of strengthening of welded joints by high-frequency mechanical peening Article published earlier |
| spellingShingle | Деформационный критерий эффективности упрочнения сварных соединений высокочастотной механической проковкой Дегтярев, В.А. Шульгинов, Б.С. Кныш, В.В. Производственный раздел |
| title | Деформационный критерий эффективности упрочнения сварных соединений высокочастотной механической проковкой |
| title_alt | Deformation criterion of the efficiency of strengthening of welded joints by high-frequency mechanical peening |
| title_full | Деформационный критерий эффективности упрочнения сварных соединений высокочастотной механической проковкой |
| title_fullStr | Деформационный критерий эффективности упрочнения сварных соединений высокочастотной механической проковкой |
| title_full_unstemmed | Деформационный критерий эффективности упрочнения сварных соединений высокочастотной механической проковкой |
| title_short | Деформационный критерий эффективности упрочнения сварных соединений высокочастотной механической проковкой |
| title_sort | деформационный критерий эффективности упрочнения сварных соединений высокочастотной механической проковкой |
| topic | Производственный раздел |
| topic_facet | Производственный раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100948 |
| work_keys_str_mv | AT degtârevva deformacionnyikriteriiéffektivnostiupročneniâsvarnyhsoedineniivysokočastotnoimehaničeskoiprokovkoi AT šulʹginovbs deformacionnyikriteriiéffektivnostiupročneniâsvarnyhsoedineniivysokočastotnoimehaničeskoiprokovkoi AT knyšvv deformacionnyikriteriiéffektivnostiupročneniâsvarnyhsoedineniivysokočastotnoimehaničeskoiprokovkoi AT degtârevva deformationcriterionoftheefficiencyofstrengtheningofweldedjointsbyhighfrequencymechanicalpeening AT šulʹginovbs deformationcriterionoftheefficiencyofstrengtheningofweldedjointsbyhighfrequencymechanicalpeening AT knyšvv deformationcriterionoftheefficiencyofstrengtheningofweldedjointsbyhighfrequencymechanicalpeening |