Разработка технологиии оборудования для снижения остаточных напряжений и правки сварных конструкций с использованием электродинамической обработки

Представлен новый технологический процесс послесварочной обработки сварных соединений – электродинамическая обработка импульсами электрического тока высокой плотности. Проведенный комплекс экспериментальных исследований на образцах из алюминиевого сплава АМг6 при различных параметрах импульсов элект...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Автоматическая сварка
Date:	2017
Main Authors:	Лобанов, Л.М., Пащин, Н.А.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2017
Subjects:	Производственный раздел
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/148908
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Разработка технологиии оборудования для снижения остаточных напряжений и правки сварных конструкций с использованием электродинамической обработки / Л.М Лобанов, Н.А. Пащин // Автоматическая сварка. — 2017. — № 8 (766). — С. 37-46. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859711868109586432
author	Лобанов, Л.М. Пащин, Н.А.
author_facet	Лобанов, Л.М. Пащин, Н.А.
citation_txt	Разработка технологиии оборудования для снижения остаточных напряжений и правки сварных конструкций с использованием электродинамической обработки / Л.М Лобанов, Н.А. Пащин // Автоматическая сварка. — 2017. — № 8 (766). — С. 37-46. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Автоматическая сварка
description	Представлен новый технологический процесс послесварочной обработки сварных соединений – электродинамическая обработка импульсами электрического тока высокой плотности. Проведенный комплекс экспериментальных исследований на образцах из алюминиевого сплава АМг6 при различных параметрах импульсов электрического тока и индуктивности источника питания показал, что электродинамическая обработка влияет на структуру обработанного металла и позволяет существенно уменьшить остаточные напряжения в сварных соединениях, повысить их сопротивление усталости и хрупкому разрушению, а также устранить деформации коробления тонкостенных элементов конструкций. Разработанные технологии и аппаратура дали возможность выполнить электродинамическую обработку сварных соединений судокорпусных конструкций и ремонтных сварных швов промежуточного корпуса авиадвигателя, что способствовало увеличению их эксплуатационной надежности и долговечности. Представлено новий технологічний процес післязварювальної обробки зварних з’єднань — електродинамічна обробка імпульсами електричного струму високої щільності. Проведений комплекс експериментальних досліджень на зразках з алюмінієвого сплаву АМг6 при різних параметрах імпульсів електричного струму й індуктивності джерела живлення показав, що електродинамічна обробка впливає на структуру обробленого металу і дозволяє істотно зменшити залишкові напруги в зварних з’єднаннях, підвищити їх опір втомі і крихкому руйнуванню, а також усунути деформації жолоблення тонкостінних елементів конструкцій. Розроблені технології і апаратура дали можливість виконати електродинамічну обробку зварних з’єднань суднокорпусних конструкцій і ремонтних зварних швів проміжного корпусу авіадвигуна, що сприяло збільшенню їх експлуатаційної надійності і довговічності. A new technological process of postweld treatment of welded joints is presented which is the electrodynamic treatment by pulses of high-density electric current. The carried out complex of experimental investigations on specimens of aluminum alloy AMg6 at different parameters of electric current pulses and inductivity of power source showed that electrodynamic treatment influences the structure of treated metal and allows a significant reduction of residual stresses in welded joints, increasing their resistance to fatigue and brittle fracture, and also eliminating buckling deformations of thin-walled structural elements. The developed technologies and equipment provided the possibility of performing electrodynamic treatment of welded joints of ship-building structures and repair welds of intermediate body of aircraft engine, which facilitated their increased operational reliability and service life.
first_indexed	2025-12-01T05:17:33Z
format	Article
fulltext	ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ РАЗДЕЛ 37ISSN 0005-111X АВТОМАТИЧЕСКАЯ СВАРКА, №8 (766), 2017 doi.org/10.15407/as2017.08.05 УДК 621.791.011:53 разраБотКа технологии и оБорУДования Для снижения остаточных напряжений и правКи сварных КонстрУКций с использованием элеКтроДинамичесКой оБраБотКи Л. М ЛОБАНОВ, Н. А. ПАЩИН иэс им. е. о. патона нан Украины. 03680, г. Киев-150, ул. Казимира малевича, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua представлен новый технологический процесс послесварочной обработки сварных соединений – электродинамическая обработка импульсами электрического тока высокой плотности. проведенный комплекс экспериментальных иссле- дований на образцах из алюминиевого сплава амг6 при различных параметрах импульсов электрического тока и индуктивности источника питания показал, что электродинамическая обработка влияет на структуру обработанного металла и позволяет существенно уменьшить остаточные напряжения в сварных соединениях, повысить их сопро- тивление усталости и хрупкому разрушению, а также устранить деформации коробления тонкостенных элементов конструкций. разработанные технологии и аппаратура дали возможность выполнить электродинамическую обработку сварных соединений судокорпусных конструкций и ремонтных сварных швов промежуточного корпуса авиадвигателя, что способствовало увеличению их эксплуатационной надежности и долговечности. Библиогр. 8, рис. 18. К л ю ч е в ы е с л о в а : электродинамическая обработка, алюминиевый сплав, сварное соединение, остаточные на- пряжения, импульс тока, математическое моделирование, плотность тока, пластическая деформация высокие требования, предъявляемые к сварным конструкциям новой техники, вызывают необхо- димость развития технологий их послесварочной обработки. перспективными являются процессы, основанные на воздействии электродинамических сил на проводящие материалы при прохождении импульсов электрического тока (иэт), реализуе- мые в новом технологическом процессе — элек- тродинамической обработке (эДо). используя энергию иэт и инициируемых ею электродина- мических сил, воздействующих на обрабатывае- мые элементы металлических конструкций при эДо, можно влиять на напряженное состояние металлических материалов. эффективность эДо определяется взаимодействием двух составляю- щих: электроимпульсной, реализуемой при про- текании иэт плотностью j по обрабатываемому изделию, и динамической, задаваемой амплитуд- но-частотной характеристикой волн динамиче- ских напряжений. повышение эксплуатационных характеристик сварных соединений в результате эДо обусловлено комплексным влиянием следую- щих факторов. так, в зоне обработки при действии электродинамических сил в металле шва форми- руются волны напряжений, которые, взаимодей- ствуя с остаточными сварочными напряжениями, инициируют снижение последних. в результате эДо в металле образуются зоны с измельченными зернами, эволюция структуры которых определя- ется пластическим деформированием в условиях реализации электропластического эффекта (эпэ), основанного на электронно-дислокационном вза- имодействии [1], инициируемом прохождением иэт при j ≥ 1 ка/мм2. Учитывая специфику эДо сварных конструк- ций, к которой можно отнести большую протя- женность сварных соединений и их различное пространственное положение, предусмотрена возможность мобильного позиционирования ап- паратурных средств, реализующих электроди- намические воздействия. особенности сварных соединений определяют требования к аппаратур- ным средствам, предназначенным для выполнения эДо, к которым можно отнести: – аппаратурные средства для эДо должны со- стоять из отдельных составных частей, таких как источник иэт (ииэт), исполнительное электрод- ное устройство (эУ), предназначенное для реали- зации электродинамических воздействий на обра- батываемое сварное соединение, а также средств коммуникации между ииэт и эУ; – эргономические характеристики эУ и средств его коммуникации с ииэт должны обе- спечивать удобство использования при реализа- ции электродинамических воздействий с заданной длительностью, амплитудой и периодичностью в ручном режиме и в составе автоматизированных сварочных комплексов. на основании анализа устройств генерирова- ния импульсного тока установлено, что наиболее приемлемым для формирования иэт в составе ииэт является использование конденсаторных систем, которые имеют ряд преимуществ перед © л. м лобанов, н. а. пащин, 2017 ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ РАЗДЕЛ 38 ISSN 0005-111X АВТОМАТИЧЕСКАЯ СВАРКА, №8 (766), 2017 другими устройствами, таких как возможность накопления контролируемого уровня энергии электрического заряда, создание различных форм и длительности иэт, а также простота восстанов- ления электрических параметров режима разряда. наиболее эффективным способом регулирования параметров разряда иэт является управление на- пряжением заряда емкостного накопителя энер- гии (енэ) до прохождения разрядного импульса. Другим регулирующим параметром устройства является длительность импульса. Для этого необ- ходимо обеспечить возможность изменения элек- трических параметров разрядного контура нако- пителя. Управляющим устройством, при помощи которого регулируется длительность импульса, является катушка индуктивности (Ки), входящая в состав эУ. при этом индуктивность катушки мо- жет изменяться в широком диапазоне. исходя из требований, предъявляемых к эУ, рекомендовано применить Ки в форме плоского индуктора. та- ким образом, управляющими параметрами ииэт являются напряжение заряда енэ, которое мож- но изменять в широком диапазоне при помощи системы регулирования, а также индуктивность разрядного контура L. в настоящее время разрабо- таны одно- и двухконтурные ииэт, внешний вид которых показан на рис. 1. особенностью одноконтурного ииэт (рис. 1, а) является непосредственное протекании иэт глав- ной цепи через обрабатываемый материал, двух- контурного — раздельное протекание тока по цепям, обеспечивающим электроимпульсную и динамическую составляющие электродинами- ческого воздействия. преимуществами однокон- турного ииэт является простота конструкции, относительно малая масса (до 20 кг) и габариты (450×450×250 мм), мобильность позиционирова- ния и простота в эксплуатации. К его недостаткам следует отнести отсутствие возможности регу- лирования частотных характеристик электроим- пульсной и динамической составляющих элект- родинамического воздействия. преимуществом двухконтурного ииэт (рис. 1, б) является аппа- ратное регулирование частотных характеристик составляющих электродинамического воздей- ствия, а недостатками — относительно большая масса (до 120 кг) и габариты (1500×450×450 мм). Для реализации эДо с использованием одно- контурного ииэт разработали специализирован- ное эУ, конструкция которого обеспечивает про- хождение иэт по одноканальной схеме. Конструктивная схема и внешний вид однока- нального эУ представлены на рис. 2. эУ обеспе- чивает электрический контакт между разрядным контуром и обрабатываемым металлом по одному каналу, через который в последний вводится иэт. эУ обеспечивает реализацию динамического и элек- троимпульсного воздействия на металл. направле- ние протекания иэт по цепям эУ от ииэт к обра- батываемому металлу показано стрелками на рис. 2, а. рабочим органом эУ является электрод 1, закре- пленный в корпусе 2. рабочая поверхность элек- трода контактирует с обрабатываемым металлом. Корпус 2, жестко связанный с диском 3, совместно с электродом 1 входят в состав ударного механиз- ма (Ум), который имеет возможность двигаться в вертикальном направлении. Диск 3 сопряжен с ка- тушкой индуктивности 4. сверху клеммы подклю- чения закрыты крышкой 5, предназначенной также для позиционирования эУ в процессе обработки. Для подключения эУ к ииэт сверху на корпусе 2 расположены клеммы 6 и 7. Клемма 6 обеспечивает прохождение иэт через электрод, а 7 — через ка- тушку индуктивности. Для двухконтурного ииэт разработали двух- канальную схему эУ. Конструкция двухканаль- ного эУ подобна представленной на рис. 2, но протекание иэт по электроду 1 и катушке индук- тивности 4 осуществляется раздельно. при использовании эУ упирается в металл торцом электрода и выставляется перпендикуляр-рис. 1. внешний вид одноконтурного (а) и двухконтурного (б) источников импульсного электрического тока для эДо ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ РАЗДЕЛ 39ISSN 0005-111X АВТОМАТИЧЕСКАЯ СВАРКА, №8 (766), 2017 но к обрабатываемой поверхности. прохождение иэт через катушку индуктивности в диске воз- буждает магнитное поле, инициирующее в диске вихревые токи. взаимодействие наведенных токов I с возбудившим их магнитным полем приводит к возникновению электродинамической силы Р. схема эДо сварных соединений по одноканаль- ной схеме представлена на рис. 3. осциллограммы динамического давления Р и импульсного тока I, проходящего через пласти- ну из алюминиевого сплава амг6 толщиной δ = = 4,0 мм при напряжении заряда Uз = 500 в и ем- кости енэ С = 6600 мкФ по одноканальной схе- ме, представлены на рис. 4. воздействие иэт — I на зону обработки при одноканальной схеме по длительности превышает период действия усилия Р (рис. 4), что задается конфигурацией разрядного контура. особенности двухканальной схемы обе- спечивают независимое изменение длительности иэт — I и P в диапазоне от 0 до 0,68 с, опреде- ляемое параметрами электрической цепи раздель- ных разрядных контуров. это позволяет задавать различные соотношения амплитудно-частотных характеристик токового и динамического воздей- ствий на обрабатываемый металл. Для позиционирования эУ относительно об- рабатываемой поверхности и обеспечения на- дежного электрического контакта рабочей части электрода в зоне эДо разработали специализи- рованный ручной инструмент (рис. 5). Конструк- тивными элементами инструмента является осно- вание 2, на котором располагаются неподвижная рукоять 1 и плита крепления эУ 3. рукоять пред- назначена для перемещения инструмента операто- ром, а на плите закреплены подсветка зоны эДо — 4, эУ — 5 и две опоры 6, которые совместно с электродом эУ обеспечивают трехточечное опи- рание инструмента на обрабатываемую поверх- ность металла. рис. 2. электродное устройство для эДо: а — конструктивная схема (1 – электрод; 2 – корпус; 3 – диск; 4 – катушка индук- тивности; 5 – крышка; 6, 7 – клеммы); б — внешний вид рис. 3. схема эДо сварных соединений (С — емкостной на- копитель энергии; К — силовой ключ; q — фиксирующая на- грузка); 1 — индуктор; 2 — диск; 3 — электрод; 4 — обра- зец; 5 — сборочная плита рис. 4. осциллограммы динамического давления Р и импуль- сного тока I, проходящего через обрабатываемый металл при напряжении заряда Uз = 500 в, емкости енэ С = 5140 мкФ и индуктивности L = 5,0 мкгн эУ по одноканальной схеме раз- рядного контура ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ РАЗДЕЛ 40 ISSN 0005-111X АВТОМАТИЧЕСКАЯ СВАРКА, №8 (766), 2017 инструмент оборудован транспортной тележ- кой 7, предназначенной для рабочих и установоч- ных перемещений эУ вдоль сварного соединения. следует отметить, что экспериментальная оценка эффективности эДо с целью определения оптимального режима обработки сварных соеди- нений является достаточно трудоемкой задачей, что связано с рассмотрением большого количе- ства параметров режима эДо, типов сварных сое- динений и механических характеристик металлов и сплавов, подвергаемых обработке. с целью оптимизации процесса выбора режи- ма эДо разработана математическая модель не- стационарных электрофизических [2] и динамиче- ских [3] процессов, определяющих механизм эДо сварных соединений. на базе модели осуществля- ется выбор режимных характеристик для обеспе- чения параметров иэт, достаточных для эффек- тивного регулирования остаточного напряженного состояния металлических конструкций. адекватность и достоверность математическо- го моделирования нестационарных процессов в обрабатываемом металле подтверждена экспери- ментальными исследованиями, проведенными на разработанном ииэт (рис. 1, а) [2]. описание электрофизических процессов при эДо осуществляли на основе редукции уравне- ний максвелла к системе интегральных урав- нений для плотности тока и электродинамиче- ских сил в зоне контакта электрода 3 и образца 4 (рис. 3). на рис. 6 представлено распределение ли- ний равной величины плотности иэт j по тол- щине z пластины из сплава амг6 при L= 5 мкгн, C = 5140 мкФ, Uз = 500 в в момент времени t = = 0,71 мс (рис. 4), который соответствует макси- мальному значению иэт в разрядном контуре. можно видеть, что представленный режим обе- спечивает значения плотности тока j ≥ 1 ка/мм2, которые могут инициировать эпэ в обрабатывае- мом сплаве амг6. реализацию эпэ подтверждают данные рис. 7, где показано распределение линий равной ве- личины радиальных пластических деформаций εr растяжения по толщине z пластины из сплава амг6 при режиме эДо, аналогичном использу- емому на рис. 6. представленное распределение εr вызвано действием электродинамических сил, которые возникают при прохождении иэт в зоне контакта электрода с обрабатываемым металлом. можно видеть, что электродинамические силы обеспечивают электропластическое деформиро- вание сплава амг6 в зоне обработки. следует отметить, что взаимодействие деформаций, ини- циируемых эДо с остаточными сварочными пла- рис. 5. внешний вид ручного инструмента для эДо (1 — не- подвижная рукоять; 2 — основание; 3 — механизм крепления эУ; 4 — подсветка; 5 — эУ; 6 — опора; 7 — транспортная тележка рис. 6. распределение линий равной величины плотности иэт j по ширине r и толщине z пластины из сплава амг6 (пояснения см. в тексте) рис. 7. распределение линий равной величины радиальных пласти- ческих деформаций εr по ширине r и толщине z пластины из сплава амг6 (пояснения см. в тексте) ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ РАЗДЕЛ 41ISSN 0005-111X АВТОМАТИЧЕСКАЯ СВАРКА, №8 (766), 2017 стическими деформациями сжатия, влияет на сни- жение напряженно-деформированного состояния сварных конструкций. влияние динамической составляющей электро- динамического воздействия определяли на осно- ве теории пластического течения, базируемой на соотношениях прандтля–рейсса. на рис. 8 пред- ставлено остаточное распределение эффективных пластических деформаций p effε в поперечном се- чении ненапряженной пластины из сплава амг6 толщиной δ = 4 мм после одиночного иэт на ре- жиме эДо при L = 5 мкгн, C = 5140 мкФ и Uз = = 200...800 в. можно видеть, что при Uз = 200 в зона пластического деформирования с диапазо- ном значений 0,04...0,07p effε = локализована у по- верхности пластины (рис. 8, а). при увеличении Uз до 500 в зона пластического деформирования с диапазоном значений 0,03...0,17p effε = распро- странена практически до центральной зоны сече- ния пластины (рис. 8, б). нарастание значения Uз до 800 в (рис. 8, в) инициирует распространение зоны пластического деформирования в диапазоне 0,07...0,24p effε = по всему сечению пластины. при этом, в отличие от данных рис. 8, а, б, имеет место отражение волны деформирования от обратной поверхности пластины, подтверждаемое равенством значений 0,24p effε = на обеих сторонах образца, а также их снижением в его центре. Данные рис. 8, б подтверждает распределение ра- диальной компоненты остаточных напряжений σr после одиночного иэт при Uз = 500 в, показанное на рис. 9. можно видеть, что распространение p effε , определяемое динамическим воздействием, иници- ирует в зоне обработки и на удалении от нее поля остаточных напряжений сжатия, соответственно σr = –73,8 и –40,5 мпа. суперпозиция σr сжатия с остаточными сварочными напряжениями растяже- ния может существенно снизить пиковые значения напряжений в сварном соединении. в целом, анализируя данные рис. 6–9, можно заключить, что электродинамические и динами- ческие воздействия, рассматриваемые раздельно в рамках математического моделирования про- цесса эДо, оказывают существенное влияние на напряженно-деформированное состояние сплава амг6, что подтверждается экспериментальными исследованиями, результаты которых представле- ны ниже. исследования эволюции структуры конструк- ционных материалов в результате эДо позволили определить особенности влияния электродинами- ческих воздействий на механизм пластического деформирования металлов и сплавов в результа- те обработки. особенности структуры и рельефа фрактограмм изучали с использованием растро- вой и сканирующей электронной микроскопии. исследовали влияние эДо на особенности раз- рушения плоских образцов алюминиевого сплава амг6, обработанных эДо по одноканальной схе- ме. проводили обработку одиночным иэт основ- ного металла и сварных соединений с размерами рабочей части 150×30×4 мм на режиме эДо при напряжении заряда Uз=500 в и емкости енэ С = = 6600 мкФ. Для определения влияния электродинамиче- ского воздействия на изменение структуры ма- рис. 8. остаточное распределение эффективных пластических деформаций p effε в поперечном сечении пластины из сплава амг6 толщиной δ = 4 мм при L = 5 мкгн, C = 5140 мкФ: а — Uз = 200 в; б — 500; в — 800 ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ РАЗДЕЛ 42 ISSN 0005-111X АВТОМАТИЧЕСКАЯ СВАРКА, №8 (766), 2017 териала проводили сравнение топографии ма- крорельефа разрушения образцов сплава амг6 в исходном состоянии (рис. 10, а) и после эДо (рис. 10, б) на режиме, представленном выше, из которого видно, что изломы имеют преимуще- ственно волокнистое строение с гребнями отрыва, образовавшимися по механизму смешанного раз- рушения [4]. Для изучения рельефа изломов после элект- родинамического воздействия использовали об- разцы с односторонней проработкой материала. на рис. 10, б (зона а) можно видеть, что излом с обработанной стороны имеет более развитое во- локнистое строение по сравнению с исходным со- стоянием (рис. 10, а). глубина распространения волокон достигает 3,0 мм по толщине образца, что подтверждает данные рис. 8, б и характеризует электродинамическое воздействие как объемное. при углубленном изучении рельефа излома после эДо (зона Б на рис. 10, б) наблюдали развитые группы плоских линий скольжения, ориентация которых совпадала с обработанной поверхностью образца. при этом скольжение имеет признаки ро- тационного механизма [5], что свидетельствует об интенсивном протекании процесса объемного пластического течения материала в условиях элек- тродинамических воздействий. нарастание плотности обработанных участ- ков поликристаллической структуры приводит к деформационному упрочнению, что подтвер- дили результаты измерений твердости НV, кото- рые проводили на приборе м-400 фирмы «Leco» при величине нагрузки 0,1 н. значения НV для необработанного материала (рис. 10, а, зона Б) составляли 824 мпа. максимальные значения НV — 1290...1310 мпа наблюдали у обработан- ной поверхности (рис. 10, б, зона а), где наряду с плоским имело место ротационное скольже- ние. таким образом, твердость сплава амг6 по- сле эДо повышается на 35...40 % по сравнению с необработанным. металлографические исследования спла- ва амг6 в исходном состоянии и после эДо на описанном выше режиме показали, что струк- тура необработанного током металла состоит из дисперсных выделений β-фазы Al3Mg2 в обрам- лении силицида магния MgSi, где β-фаза име- ет большую площадь и более светлый оттенок в окружении темных линий и точечных включений силицида магния. при этом обработанная струк- тура характеризуется измельченным зерном, что повышает сопротивление металла замедленному разрушению. с использованием метода «тонких фольг» [6] исследовали тонкую исходную структуру сплава амг6, а также ее эволюцию в результате дина- мического и электродинамического воздействий по одноканальной схеме эДо. Динамическое воз- действие реализовывали, исключив прохождение иэт через обрабатываемый металл. проводили обработку одиночным иэт образцов размерами 150×30×4 мм на режиме эДо при напряжении за- ряда Uз = 350 в и емкости енэ С = 6600 мкФ. Как показали результаты исследований (рис. 11), зерна необработанного металла характе- ризуются субструктурой (рис. 11, а) с размерами dс в пределах ~1,8…5,0 мкм, а также равномерное рас- пределение плотности дислокационной структуры между объемом ρоб и границей ρгр зерен. величина ρоб достигает 6·10 9 см–2, а ρгр — 8·109 см–2, что при- водит к отсутствию градиента плотности дислока- ций Δρоб в объеме зерен. в металле после динамического воздействия (рис. 11, б) наблюдается субструктура как дис- персного dc ~1,1 мкм, так и крупного размера dc ~3,2 мкм, без формирования четких субграниц. зафиксировано увеличение уровня плотности дис- локаций у межзеренных границ ρгр, а также гра- диент Δρоб между внутренним объемом зерен ρоб ~6·108…4·109 см–2 и ρгр ~2·10 11 см–2. после электродинамического воздействия ме- талл характеризуется формированием субструктур (рис. 11, в) с четкими границами dc = 0,8…2,5 мкм. при этом имеет место понижение плотности дис- локаций ρгр по сравнению с металлом после ди- рис. 9. распределение радиальной компоненты остаточных напряжений σr после одиночного иэт при Uз = 500 в рис. 10. Фрактограммы (×33) изломов сплава амг6, получен- ных при разрушении образцов без эДо (а) и после эДо (б) (зона а — обработанный участок вблизи поверхности метал- ла; Б — средний участок излома) ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ РАЗДЕЛ 43ISSN 0005-111X АВТОМАТИЧЕСКАЯ СВАРКА, №8 (766), 2017 намического воздействия, а также равномерное их распределение по всему объему металла (без рез- ких градиентов по границам зерен Δρгр) меж- ду внутренним объемом зерен ρоб ~2…3·1010 см–2 и у межзеренных границ ρгр ~6…8·1010 см–2. Формирование данной структуры подтвержда- ет предложенную концепцию, основанную на те- ории электронно-дислокационного взаимодей- ствия [1], о вкладе иэт в релаксацию остаточных напряжений. Для оценки влияния электродинамических воз- действий на остаточные напряжения проводили обработку образцов стыковых сварных соедине- ний из сплава амг6 размерами 400×300×4 мм с центральным швом, выполненным встык автома- тической сваркой тиг на режиме при напряжении дуги Uд = 18 в, сварочном токе Iд = 250 а и скоро- сти vсв = 3,1 мм/с. Двустороннюю обработку свар- ных пластин выполняли сериями иэт на режиме эДо при напряжении заряда Uз = 550 в и емко- сти енэ С = 6600 мкФ. расстояние между зонами приложения электродинамических воздействий не превышало 5 мм. измерения остаточных напряже- ний проводили с использованием методики элек- тронной спекл-интерферометрии [7]. распределение продольных (вдоль линии свар- ного шва) остаточных напряжений σх до и после эДо, представлены на рис. 12. видно, что исход- ный максимум σх не превышал 120 мпа (кри- вая 1). после эДо сварного соединения по оси шва начальные значения σх в шве изменились от 120 до –75 мпа, а максимальные остаточные на- пряжения растяжения до 115 мпа сформирова- лись на необработанной части пластины (кри- вая 2). после эДо шва и основного металла на расстоянии 10 мм от оси шва (кривая 3) значения σх изменяются от 90 до –100 мпа, что сопостави- мо с эДо центра шва. анализируя данные рис. 12, можно видеть, что максимальная эффективность электродинамического воздействия достигается при эДо по оси шва и основного металла около линии сплавления (кривая 3). исследовали влияние эДо на сопротивление усталости образцов сварных соединений сплава амг6 толщиной δ=2 мм (рис. 13), выполненных автоматической сваркой тиг (Ar) при значени- ях напряжения дуги, сварочного тока и скорости процесса соответственно Uсв = 20 в, Iсв = 170 а, vсв = 5,5 мм/с. Двустороннюю обработку образцов вдоль линии сварного шва длиной 90 мм выполня- ли сериями иэт на режиме двухканальной эДо при напряжении заряда Uз = 430 в и емкости енэ С = 5580 мкФ. расстояние между зонами приложе- ния электродинамических воздействий составляло 5 мм, ширина рабочей части образца — 265 мм. рис. 11. тонкая структура сплава амг6: а — в исходном состоянии (×25000); б — Δρоб максимально после динамического воз- действия (×22000); в — Δρгр минимально после электродинамического воздействия (Δρгр, Δρоб — градиенты плотности дис- локаций по границам и в объеме зерен) рис. 13. образец сварного соединения из сплава амг6 для усталостных испытаний рис. 12. распределение продольных остаточных напряжений σх в поперечном сечении сварной пластины из сплава амг6 (кривая 1 — начальные σх; 2 — σх после эДо вдоль оси шва; 3 — σх после эДо оси шва и основного металла на расстоя- нии 10 мм от оси шва) ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ РАЗДЕЛ 44 ISSN 0005-111X АВТОМАТИЧЕСКАЯ СВАРКА, №8 (766), 2017 Усталостные испытания на консольный изгиб образцов сварных соединений проводили на ма- шине Упм-02 при симметричном цикле с раз- махом амплитуды напряжений цикла в диапазоне 2σа = 80...160 мпа. из рис. 14, где представлены результаты испы- таний на усталость в координатах 2σа – N образ- цов в исходном состоянии и после эДо, можно видеть, что циклическая долговечность N образ- цов сварных соединений в исследуемом диапа- зоне 2σа повышается в результате обработки до трех раз. при этом разрушение как исходных об- разцов, так и обработанных, происходит по линии сплавления. на основании представленных выше результа- тов можно заключить, что эДо оказывает поло- жительное влияние на повышение долговечности сварных соединений из сплава амг6, в значи- тельной степени определяемое снижением уровня остаточных сварочных напряжений. Фрактографический анализ микрорельефа по- верхности исходных и обработанных образцов, разрушенных в результате циклического нагру- жения при 2σа = 160 мпа (рис. 15) показал, что обработанный металл характеризуется дисперги- рованием структурных элементов, таким как из- мельчение размера dф фасеток в 3 раза (рис. 15, б) по сравнению с исходным состоянием до эДо (рис. 15, а). это подтверждает положительное влияние электродинамических воздействий на эволюцию структуры обработанного металла для повышения его сопротивления к усталостному разрушению. Уровень остаточных напряжений определя- ет параметры коробления сварных конструкций [8]. проведены исследования влияния эДо на ло- кальные деформации типа «бухтина», возникаю- щие при сварке силового набора в листовых кор- пусных конструкциях. использовали образцы из сплава амг6 толщиной 4 мм (рис. 16). на рис. 16, а показаны размеры образца, представляюще- го собой пластину, к которой аргонодуговой свар- кой угловыми швами приварены ребра жестко- сти. режим сварки соответствовал Uсв = 20 в, Iсв = = 180 а, vсв = 1,4 мм/с. после изготовления образ- цов регистрировали значения прогиба f по центру образца (рис. 16, а). затем провели обработку вы- пуклой поверхности образца серией импульсов с шагом 10 мм на режиме при Uз = 500 в и емкости енэ С = 6600 мкФ. на рис. 16, б представлены остаточные формоизменения пластины до и по- сле эДо-правки. видно, что в результате электро- динамических воздействий остаточные прогибы f уменьшаются до 1 мм, что является допустимым для большинства сварных изделий. эДо применимо для повышения ресурса и уменьшения остаточного напряженно-деформи- рованного состояния различных типов сварных конструкций. рис. 14. результаты испытаний на усталость образцов свар- ных соединений сплава амг6 (см. рис. 9) в координатах 2σа – N (кривая 1 — исходное состояние; 2 — после эДо) рис. 15. поверхности разрушения образцов сплава амг6 по- сле малоциклового нагружения (×810): а — исходный обра- зец; б — после эДо рис. 16. образец сварного соединения из сплава амг6 с бух- тиной: а — схема образца (f — прогиб); б — формоизмене- ния образца (кривая 1 — исходные прогибы f по центру об- разца; 2 — f после эДо) ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ РАЗДЕЛ 45ISSN 0005-111X АВТОМАТИЧЕСКАЯ СВАРКА, №8 (766), 2017 так, использование эДо при изготовлении и ремонте маломерных судов из сплава амг6 (рис. 17, а) позволило повысить эксплуатаци- онные характеристики изделий. эДо-правка конструктивных элементов дала возможность существенно улучшить гидродинамические харак- теристики и обитаемость корпусов. так, правка бухтин обшивки (рис. 17, б) обеспечила снижение местных прогибов в зоне сварных соединений с 10 до 1,5 мм, а устранение кривизны поперечных балок усиления днища (рис. 17, в) от 8 до 0,5 мм — гарантированное прилегание пайол. при этом эДо ремонтных сварных соединений обшивки и силового набора обеспечило снижение остаточ- ных напряжений от 150 до 40 мпа, что позво- лило продлить ресурс эксплуатации корпусов до двух-шести раз. Конструктивным элементом самолета ан-74 является промежуточный корпус авиадвигателя (пКа), назначение которого — крепление двига- теля Д-36 к крылу. пКа представляет собой круп- ногабаритную полую литую конструкцию из жа- ропрочного магниевого сплава мл10 (рис. 18), которая состоит из внешней и внутренней ци- линдрических обечаек, сопряженных между со- бой ребрами жесткости — стойками, во внутрен- них полостях которых циркулирует охлаждающая жидкость. характерными повреждениями пКа, которые устраняют ремонтной сваркой, являют- ся трещины усталости, нарушающие целостность внешней и внутренней обечаек, а также разруше- ния на лицевой поверхности внешней обечайки в зоне усиления под фланец трубопровода охлаж- дения. при этом максимальные значения растяги- вающих напряжений в ремонтных швах без тер- мообработки достигают значения 120 мпа, что соответствует пределу текучести сплава мл10. снижение напряжений с применением термо- обработки является достаточно дорогостоящей операцией, в ряде случаев на порядок превыша- ющей стоимость ремонтной сварки. применение эДо позволяет изменить распределение остаточ- ных сварочных напряжений в ремонтных сварных швах от растягивающих к сжимающим, значение которых достигает –40 мпа, что более эффектив- но, чем термообработка, и значительно ниже по стоимости. опыт практического использования эДо пока- зал, что одноканальные эУ, ввиду их простоты и более длительного цикла заряда (по сравнению с двухканальными), целесообразно применять для правки тонколистовых сварных конструкций. в то же время двухканальные, в силу особенностей ввода импульсного тока в обрабатываемый мате- риал, наиболее предпочтительны для снижения уровня остаточных сварочных напряжений. при этом малое время заряда, характерное для двухка- нальных эУ, позволяет реализовывать данный вид эДо совместно со сварочным циклом, что пред- ставляется перспективным для осуществления бездеформационной сварки конструкций ответ- ственного назначения. Список литературы 1. Баранов ю. в., троицкий о. а., аврамов ю. с. (2001) Физические основы электроимпульсной и электропла- стической обработок и новые материалы. москва, мгиУ. рис. 17. применение эДо при изготовлении корпуса судна из сплава амг6: а — внешний вид корпуса; б — эДо-правка свар- ных соединений обшивки; в — эДо-правка балочных конструкций днища рис. 18. обработка методом эДо ремонтного шва на наруж- ной поверхности внешней обечайки пКа из сплава мл10: 1 — пКа, 2 — электродное устройство; 3 — источник пита- ния для эДо ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ РАЗДЕЛ 46 ISSN 0005-111X АВТОМАТИЧЕСКАЯ СВАРКА, №8 (766), 2017 2. Lobanov L. M., Kondratenko I. P., Zhiltsov A. V. et al. (2016) Electrophysical unsteady processes in the system to reduce residual stresses welds. Tekhnichna Elektrodynamika, 6, 10– 19. 3. Sidorenko Yu. M., Shlenskii P. S. (2013) On the Assessment of Stress–strain State of the Load-Bearing Structural Elements in the Tubular Explosion Chamber. Strength of Materials, 45, 2, 210–220. 4. Кишкина с. м., Браташев в. л., гук н. в. (1988) Разру- шение алюминиевых сплавов. Атлас фрактограмм. мо- сква, виам. 5. яковлева т. ю. (2003) Локальная пластическая деформа- ция и усталость металлов. Киев, наукова думка. 6. Даровский ю. Ф., маркашова л. и., абрамов н. п. (1985) метод препарирования для электронно-микроско- пических исследований. Автоматическая сварка, 12, 60. 7. лобанов л. м., пивторак в. а., савицкий в. в., ткачук г. и. (2006) методика определения остаточных напряже- ний в сварных соединениях и элементах конструкций с использованием электронной спекл-интерферометрии. Там же, 1, 10–13. 8. Masubuchi K. (1980) Analisis of Welded Structures. Perga- mon Press. References 1. Baranov, Yu.V., Troitsky, O.A., Avramov, Yu.S. (2001) Physical principles of electropulse and electroplastic treatment and new materials. Moscow, MGIU. 2. Lobanov, L.M., Kondratenko, I.P., Zhiltsov, A.V. et al. (2016) Electrophysical unsteady processes in the system to reduce residual stresses welds. Tekhnichna Elektrodynamika, 6, 10- 19. 3. Sidorenko, Yu.M., Shlenskii, P.S. (2013) On the assessment of stress-strain state of the load-bearing structural elements in the tubular explosion chamber. Strength of Materials, 45(2), 210-220. 4. Kishkina, S.M., Bratashev, V.L., Guk, N.V. (1988) Fracture of aluminium alloys: Atlas of fractograms. Moscow: VIAM. 5. Yakovleva, T.Yu. (2003) Local plastic deformation and fatigue of metals. Kiev, Naukova Dumka. 6. Darovsky, Yu.F., Markashova, L.I., Abramov, N.P. (1985) Method of preparation for electron microscopic examinations. Avtomatich. Svarka, 12, 60. 7. Lobanov, L.M., Pivtorak, V.A., Savitsky, V.V. et al. (2006) Procedure for determination of residual stresses in welded joints and structural elements using electron speckle- interferometry. The Paton Welding J., 1, 24-29. 8. Masubuchi, K. (1980) Analysis of welded structures. Perga- mon Press. л. м. лобанов, м. о. пащин Іез ім. Є. о. патона нан України. 03680, м. Київ-150, вул. Казимира малевича, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua розроБКа технологІЇ та оБлаДнання Для зниження залиШКових напрУжень І виправлення зварних КонстрУКцІй з виКористанням елеКтроДинамІчноЇ оБроБКи представлено новий технологічний процес післязварюваль- ної обробки зварних з’єднань — електродинамічна обробка імпульсами електричного струму високої щільності. прове- дений комплекс експериментальних досліджень на зразках з алюмінієвого сплаву амг6 при різних параметрах імпульсів електричного струму й індуктивності джерела живлення по- казав, що електродинамічна обробка впливає на структуру обробленого металу і дозволяє істотно зменшити залишко- ві напруги в зварних з’єднаннях, підвищити їх опір втомі і крихкому руйнуванню, а також усунути деформації жоло- блення тонкостінних елементів конструкцій. розроблені тех- нології і апаратура дали можливість виконати електродина- мічну обробку зварних з’єднань суднокорпусних конструкцій і ремонтних зварних швів проміжного корпусу авіадвигуна, що сприяло збільшенню їх експлуатаційної надійності і дов- говічності. Бібліогр. 8, рис. 18. Ключові слова: електродинамічна обробка, алюмінієвий сплав, зварне з’єднання, залишкові напруження, імпульс струму, математичне моделювання, щільність струму, плас- тична деформація. Бібліогр. 8, рис. 18. L.M. Lobanov, N.A. Pashchin E.O. Paton Electric Welding Institute of the NAS of Ukraine. 11 Kazimir Malevich str., 03680, Kiev-150, Ukraine. E-mail: office@paton.kiev.ua DEVELOPMENT OF TECHNOLOGY AND EQUIPMENT FOR REDUCTION OF RESIDUAL STRESSES AND STRAIGHTENING OF WELDED STRUCTURES WITH THE USE OF ELECTRODYNAMIC TREATMENT A new technological process of postweld treatment of welded joints is presented which is the electrodynamic treatment by pulses of high-density electric current. The carried out complex of experimental investigations on specimens of aluminum alloy AMg6 at different parameters of electric current pulses and inductivity of power source showed that electrodynamic treatment influences the structure of treated metal and allows a significant reduction of residual stresses in welded joints, increasing their resistance to fatigue and brittle fracture, and also eliminating buckling deformations of thin-walled structural elements. The developed technologies and equipment provided the possibility of performing electrodynamic treatment of welded joints of ship-building structures and repair welds of intermediate body of aircraft engine, which facilitated their increased operational reliability and service life. 8 Ref., 18 Figures. Key words: electrodynamic treatment, aluminium alloy, welded joint, residual stresses, current pulse, mathematical modeling, current density, plastic deformation поступила в редакцию 03.04.2017
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-148908
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	0005-111X
language	Russian
last_indexed	2025-12-01T05:17:33Z
publishDate	2017
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
record_format	dspace
spelling	Лобанов, Л.М. Пащин, Н.А. 2019-02-19T09:12:23Z 2019-02-19T09:12:23Z 2017 Разработка технологиии оборудования для снижения остаточных напряжений и правки сварных конструкций с использованием электродинамической обработки / Л.М Лобанов, Н.А. Пащин // Автоматическая сварка. — 2017. — № 8 (766). — С. 37-46. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 0005-111X DOI: https://doi.org/10.15407/as2017.08.05 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/148908 621.791.011:53 Представлен новый технологический процесс послесварочной обработки сварных соединений – электродинамическая обработка импульсами электрического тока высокой плотности. Проведенный комплекс экспериментальных исследований на образцах из алюминиевого сплава АМг6 при различных параметрах импульсов электрического тока и индуктивности источника питания показал, что электродинамическая обработка влияет на структуру обработанного металла и позволяет существенно уменьшить остаточные напряжения в сварных соединениях, повысить их сопротивление усталости и хрупкому разрушению, а также устранить деформации коробления тонкостенных элементов конструкций. Разработанные технологии и аппаратура дали возможность выполнить электродинамическую обработку сварных соединений судокорпусных конструкций и ремонтных сварных швов промежуточного корпуса авиадвигателя, что способствовало увеличению их эксплуатационной надежности и долговечности. Представлено новий технологічний процес післязварювальної обробки зварних з’єднань — електродинамічна обробка імпульсами електричного струму високої щільності. Проведений комплекс експериментальних досліджень на зразках з алюмінієвого сплаву АМг6 при різних параметрах імпульсів електричного струму й індуктивності джерела живлення показав, що електродинамічна обробка впливає на структуру обробленого металу і дозволяє істотно зменшити залишкові напруги в зварних з’єднаннях, підвищити їх опір втомі і крихкому руйнуванню, а також усунути деформації жолоблення тонкостінних елементів конструкцій. Розроблені технології і апаратура дали можливість виконати електродинамічну обробку зварних з’єднань суднокорпусних конструкцій і ремонтних зварних швів проміжного корпусу авіадвигуна, що сприяло збільшенню їх експлуатаційної надійності і довговічності. A new technological process of postweld treatment of welded joints is presented which is the electrodynamic treatment by pulses of high-density electric current. The carried out complex of experimental investigations on specimens of aluminum alloy AMg6 at different parameters of electric current pulses and inductivity of power source showed that electrodynamic treatment influences the structure of treated metal and allows a significant reduction of residual stresses in welded joints, increasing their resistance to fatigue and brittle fracture, and also eliminating buckling deformations of thin-walled structural elements. The developed technologies and equipment provided the possibility of performing electrodynamic treatment of welded joints of ship-building structures and repair welds of intermediate body of aircraft engine, which facilitated their increased operational reliability and service life. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Производственный раздел Разработка технологиии оборудования для снижения остаточных напряжений и правки сварных конструкций с использованием электродинамической обработки Розробка технології та обладнання для зниження залишкових напружень і виправлення зварних конструкцій з використанням електродинамічної обробки Development of technology and equipment for reduction of residual stresses and straightening of welded structures with the use of electrodynamic treatment Article published earlier
spellingShingle	Разработка технологиии оборудования для снижения остаточных напряжений и правки сварных конструкций с использованием электродинамической обработки Лобанов, Л.М. Пащин, Н.А. Производственный раздел
title	Разработка технологиии оборудования для снижения остаточных напряжений и правки сварных конструкций с использованием электродинамической обработки
title_alt	Розробка технології та обладнання для зниження залишкових напружень і виправлення зварних конструкцій з використанням електродинамічної обробки Development of technology and equipment for reduction of residual stresses and straightening of welded structures with the use of electrodynamic treatment
title_full	Разработка технологиии оборудования для снижения остаточных напряжений и правки сварных конструкций с использованием электродинамической обработки
title_fullStr	Разработка технологиии оборудования для снижения остаточных напряжений и правки сварных конструкций с использованием электродинамической обработки
title_full_unstemmed	Разработка технологиии оборудования для снижения остаточных напряжений и правки сварных конструкций с использованием электродинамической обработки
title_short	Разработка технологиии оборудования для снижения остаточных напряжений и правки сварных конструкций с использованием электродинамической обработки
title_sort	разработка технологиии оборудования для снижения остаточных напряжений и правки сварных конструкций с использованием электродинамической обработки
topic	Производственный раздел
topic_facet	Производственный раздел
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/148908
work_keys_str_mv	AT lobanovlm razrabotkatehnologiiioborudovaniâdlâsniženiâostatočnyhnaprâženiiipravkisvarnyhkonstrukciisispolʹzovaniemélektrodinamičeskoiobrabotki AT paŝinna razrabotkatehnologiiioborudovaniâdlâsniženiâostatočnyhnaprâženiiipravkisvarnyhkonstrukciisispolʹzovaniemélektrodinamičeskoiobrabotki AT lobanovlm rozrobkatehnologíítaobladnannâdlâznižennâzališkovihnapruženʹívipravlennâzvarnihkonstrukcíizvikoristannâmelektrodinamíčnoíobrobki AT paŝinna rozrobkatehnologíítaobladnannâdlâznižennâzališkovihnapruženʹívipravlennâzvarnihkonstrukcíizvikoristannâmelektrodinamíčnoíobrobki AT lobanovlm developmentoftechnologyandequipmentforreductionofresidualstressesandstraighteningofweldedstructureswiththeuseofelectrodynamictreatment AT paŝinna developmentoftechnologyandequipmentforreductionofresidualstressesandstraighteningofweldedstructureswiththeuseofelectrodynamictreatment

Разработка технологиии оборудования для снижения остаточных напряжений и правки сварных конструкций с использованием электродинамической обработки

Institution

Similar Items