Улучшение структуры сварных соединений под воздействием широкополосных ультразвуковых колебаний в процессе сварки
Рассмотрены вопросы воздействия ультразвуковых упругих колебаний на материалы. Предложена обработка свариваемого изделия ультразвуковыми колебаниями в широкой полосе частот. Показано формирование в результате такой обработки более мелкозернистой структуры как в сварном шве, так и в зоне термического...
Збережено в:
| Дата: | 2007 |
|---|---|
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2007
|
| Назва видання: | Автоматическая сварка |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99231 |
| 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: | Улучшение структуры сварных соединений под воздействием широкополосных ультразвуковых колебаний в процессе сварки / В.И. Кирьян, А.А. Кайдалов, Д.П. Новикова, И.Л. Богайчук, М. Кеснерс // Автоматическая сварка. — 2007. — № 2 (646). — С. 44-47. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-99231 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-992312025-02-09T17:46:23Z Улучшение структуры сварных соединений под воздействием широкополосных ультразвуковых колебаний в процессе сварки Improvement of structure of welded joints under the action of ultrasonic oscillations during welding Кирьян, В.И. Кайдалов, А.А. Новикова, Д.П. Богайчук, И.Л. Кеснерс, М. Производственный раздел Рассмотрены вопросы воздействия ультразвуковых упругих колебаний на материалы. Предложена обработка свариваемого изделия ультразвуковыми колебаниями в широкой полосе частот. Показано формирование в результате такой обработки более мелкозернистой структуры как в сварном шве, так и в зоне термического влияния при дуговой сварке углеродистой стали обыкновенного качества Ст3сп. Problems of ultrasonic elastic vibration influence on materials are discussed. Processing of a welded item by ultrasonic vibrations in a wide frequency band is proposed. Formation of a more fine-grain structure as a result of such processing is shown in the weld and HAZ in arc welding of ordinary carbon steel St3sp. 2007 Article Улучшение структуры сварных соединений под воздействием широкополосных ультразвуковых колебаний в процессе сварки / В.И. Кирьян, А.А. Кайдалов, Д.П. Новикова, И.Л. Богайчук, М. Кеснерс // Автоматическая сварка. — 2007. — № 2 (646). — С. 44-47. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99231 621.795.75-52 ru Автоматическая сварка application/pdf Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Производственный раздел Производственный раздел |
| spellingShingle |
Производственный раздел Производственный раздел Кирьян, В.И. Кайдалов, А.А. Новикова, Д.П. Богайчук, И.Л. Кеснерс, М. Улучшение структуры сварных соединений под воздействием широкополосных ультразвуковых колебаний в процессе сварки Автоматическая сварка |
| description |
Рассмотрены вопросы воздействия ультразвуковых упругих колебаний на материалы. Предложена обработка свариваемого изделия ультразвуковыми колебаниями в широкой полосе частот. Показано формирование в результате такой обработки более мелкозернистой структуры как в сварном шве, так и в зоне термического влияния при дуговой сварке углеродистой стали обыкновенного качества Ст3сп. |
| format |
Article |
| author |
Кирьян, В.И. Кайдалов, А.А. Новикова, Д.П. Богайчук, И.Л. Кеснерс, М. |
| author_facet |
Кирьян, В.И. Кайдалов, А.А. Новикова, Д.П. Богайчук, И.Л. Кеснерс, М. |
| author_sort |
Кирьян, В.И. |
| title |
Улучшение структуры сварных соединений под воздействием широкополосных ультразвуковых колебаний в процессе сварки |
| title_short |
Улучшение структуры сварных соединений под воздействием широкополосных ультразвуковых колебаний в процессе сварки |
| title_full |
Улучшение структуры сварных соединений под воздействием широкополосных ультразвуковых колебаний в процессе сварки |
| title_fullStr |
Улучшение структуры сварных соединений под воздействием широкополосных ультразвуковых колебаний в процессе сварки |
| title_full_unstemmed |
Улучшение структуры сварных соединений под воздействием широкополосных ультразвуковых колебаний в процессе сварки |
| title_sort |
улучшение структуры сварных соединений под воздействием широкополосных ультразвуковых колебаний в процессе сварки |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2007 |
| topic_facet |
Производственный раздел |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99231 |
| citation_txt |
Улучшение структуры сварных соединений под воздействием широкополосных ультразвуковых колебаний в процессе сварки / В.И. Кирьян, А.А. Кайдалов, Д.П. Новикова, И.Л. Богайчук, М. Кеснерс // Автоматическая сварка. — 2007. — № 2 (646). — С. 44-47. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| series |
Автоматическая сварка |
| work_keys_str_mv |
AT kirʹânvi ulučšeniestrukturysvarnyhsoedinenijpodvozdejstviemširokopolosnyhulʹtrazvukovyhkolebanijvprocessesvarki AT kajdalovaa ulučšeniestrukturysvarnyhsoedinenijpodvozdejstviemširokopolosnyhulʹtrazvukovyhkolebanijvprocessesvarki AT novikovadp ulučšeniestrukturysvarnyhsoedinenijpodvozdejstviemširokopolosnyhulʹtrazvukovyhkolebanijvprocessesvarki AT bogajčukil ulučšeniestrukturysvarnyhsoedinenijpodvozdejstviemširokopolosnyhulʹtrazvukovyhkolebanijvprocessesvarki AT kesnersm ulučšeniestrukturysvarnyhsoedinenijpodvozdejstviemširokopolosnyhulʹtrazvukovyhkolebanijvprocessesvarki AT kirʹânvi improvementofstructureofweldedjointsundertheactionofultrasonicoscillationsduringwelding AT kajdalovaa improvementofstructureofweldedjointsundertheactionofultrasonicoscillationsduringwelding AT novikovadp improvementofstructureofweldedjointsundertheactionofultrasonicoscillationsduringwelding AT bogajčukil improvementofstructureofweldedjointsundertheactionofultrasonicoscillationsduringwelding AT kesnersm improvementofstructureofweldedjointsundertheactionofultrasonicoscillationsduringwelding |
| first_indexed |
2025-11-29T01:19:49Z |
| last_indexed |
2025-11-29T01:19:49Z |
| _version_ |
1850085684925169664 |
| fulltext |
УДК 621.795.75-52
УЛУЧШЕНИЕ СТРУКТУРЫ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ШИРОКОПОЛОСНЫХ
УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ В ПРОЦЕССЕ СВАРКИ
Чл.-кор. НАН Украины В. И. КИРЬЯН, А. А. КАЙДАЛОВ, д-р техн. наук, Д. П. НОВИКОВА, канд. техн. наук,
И. Л. БОГАЙЧУК, инж. (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины),
М. КЕСНЕРС, инж. («Aplis», г. Рига, Латвия)
Рассмотрены вопросы воздействия ультразвуковых упругих колебаний на материалы. Предложена обработка сварива-
емого изделия ультразвуковыми колебаниями в широкой полосе частот. Установлена возможность формирования в
результате такой обработки более мелкозернистой структуры как в металле сварного шва, так и в зоне термического
влияния при дуговой сварке углеродистой стали обыкновенного качества Ст3сп.
К л ю ч е в ы е с л о в а : дуговая сварка, воздействие ульт-
развуковых колебаний, кристаллизация, сварной шов, зона
термического влияния, остаточные напряжения, структура
металла
Сварные соединения обычно характеризуются
крупнозернистой структурой металла шва, обра-
зующейся при сравнительно медленном осты-
вании сварочной ванны, и наличием остаточных
напряжений, создающих опасность коробления и
трещинообразования. Цель работы состоит в ис-
следовании структуры металла сварного соеди-
нения, подвергавшегося воздействию широкопо-
лосных ультразвуковых колебаний в процессе
образования шва. Известно, что чем больше об-
разуется центров кристаллизации в расплаве и чем
меньше линейная скорость роста кристаллов, тем
более мелкозернистой будет структура металла.
Процесс кристаллизации зависит от температур-
ного поля, а также воздействия знакопеременного
давления, обусловленного распространением в
расплаве упругой акустической волны звукового
и ультразвукового диапазона. Согласно тради-
ционным представлениям, слабые поля ультраз-
вукового воздействия не должны заметно влиять
на вязкость и другие кинетические свойства жид-
кости. Если энергия поля в расчете на атом на
несколько порядков меньше тепловой энергии kT
(где k — постоянная Больцмана, T — абсолютная
температура), то оно не окажет заметного воз-
действия на элементарные акты процессов пере-
носа. Очевидно такие поля не влияют на вязкость
газов и простых жидкостей, но в зернистых струк-
турах они могут влиять на перемещения границ
зерен. При ультразвуковой обработке расплава
происходит измельчение или разрушение, а также
деформация структурных образований жидкости.
Кроме того, изменяются основные физико-хими-
ческие свойства расплавов металлов: вязкость, по-
верхностное натяжение на границе расплав – твер-
дая фаза, распределение температуры, диффу-
зионные и дегазационные процессы, капиллярный
эффект. Твердый металл получается более мел-
козернистым, если расплав был «озвучен» перед
кристаллизацией.
К настоящему времени в лабораториях про-
ведено большое количество работ [1–4], в которых
выявлены эффекты воздействия упругих колеба-
ний на вещество, однако их практическое исполь-
зование тормозится отсутствием высокоэффектив-
ного оборудования и методов контроля акусти-
ческих параметров при введении колебаний в из-
делие. Пока неясен механизм разрушения ультраз-
вуковыми волнами объектов структуры в расплаве
или «квазимолекул» соединений типа FeSi, вслед-
ствие чего многие технологические процессы уль-
тразвукового воздействия остаются еще недоста-
точно разработанными. В промышленном масш-
табе сейчас используют лишь ультразвуковую
очистку, резку и сварку.
При обработке сварочной ванны мощными
(плотность мощности более 1 Вт/см2) упругими
механическими колебаниями звукового и ультраз-
вукового диапазона расплав обычно «озвучива-
ется» на одной фиксированной частоте через при-
садочную проволоку специальным инструментом
или с помощью вибрации изделия. Для снижения
остаточных напряжений сварная конструкция пос-
ле сварки может подвергаться обработке упруги-
ми колебаниями.
В отдельных случаях частоту упругих коле-
баний («озвучивания»), применяемых для обра-
ботки сварных конструкций, выбирают равной од-
ной из резонансных частот этой конструкции, од-
нако чаще применяют частоты, далекие от резо-
нанса. В то же время резонанс обеспечивает боль-
шую амплитуду колебаний при малой затрате пот-
© В. И. Кирьян, А. А. Кайдалов, Д. П. Новикова, И. Л. Богайчук, М. Кеснерс, 2007
44 2/2007
ребляемой энергии, что очень важно для круп-
ногабаритных изделий. В зависимости от свойств
«озвучиваемого» металла энергия, необходимая
для возбуждения колебаний определенной вели-
чины при резонансе и вне его, может отличаться
на несколько порядков. Эту разность характери-
зует добротность Q колебательной системы, ко-
торая показывает во сколько раз амплитуда вы-
нужденных колебаний при резонансе превышает
амплитуду вне резонанса при одинаковой возбуж-
дающей мощности. Для разных металлов доброт-
ность имеет разные значения. Стали в среднем
имеют Q = 8000, сплавы титана 21000, медь 6300,
латунь 13000, сплавы алюминия 10000.
При повышенных температурах добротность
существенно ниже, при остывании она повыша-
ется. Но даже при повышенных температурах зна-
чение Q составляет от нескольких сотен до нес-
кольких тысяч в зависимости от свойств металла.
При изменении температуры и кристаллической
структуры меняется и резонансная частота. Чтобы
добиться постоянной амплитуды обработки необ-
ходимо, чтобы частота обработки следовала из-
менениям резонансной частоты. Конструкция (де-
таль) достаточно сложной формы имеет множес-
тво резонансов с разными частотами. Обычно де-
тали состоят из ряда взаимно соединенных эле-
ментарных геометрических фигур, в которых воз-
никают различные типы упругих колебаний
(рис. 1). Кроме основных типов, возможны также
крутильные колебания, колебания высших гармо-
ник и др. В деталях сложной конфигурации эти
колебания будут происходить одновременно, их
параметры могут меняться в зависимости от сос-
тояния детали и внешних условий как по частоте,
так и по амплитуде. При возбуждении упругих
колебаний только на одной из этих частот (даже
если четко следовать всем изменениям резонанса)
колебания детали будут происходить только в од-
ном направлении. Влияние на процессы, проис-
ходящие в детали, будет ограничено, не все ее
части будут подвергаться обработке. Все процес-
сы в этих частях будут происходить спонтанно
и конечный результат ультразвуковой обработки
не будет прогнозируем.
Таким образом, чтобы обработать все части
свариваемой детали одинаково, необходимо воз-
буждать упругие колебания в широком частотном
спектре. В идеале, по-видимому, надо создавать
«белый шум» с бесконечным частотным спектром.
При широкополосной ультразвуковой обработ-
ке свариваемой детали во всех ее частях будут
возбуждаться упругие резонансные колебания, ко-
торые каждая отдельная часть детали передает в
сварочную ванну. В последней возникает коле-
бательный процесс с широким частотным спек-
тром. Параметры этого процесса все время будут
меняться, так как в результате последовательной
сварки отдельных частей меняется конфигурация
жесткой конструкции, что вызывает изменение ре-
зонансных частот. В ванне в таком случае не об-
разуются застойные зоны высокого давления и
разрежения, ведущие к неравномерности процесса
кристаллизации. Будет происходить «перемеши-
вание» частотного спектра в ванне, что создает
условия для равномерной кристаллизации расп-
лава и образования мелкокристаллической струк-
туры металла сварного шва. В металле ЗТВ вокруг
сварочной ванны происходят те же структурные
преобразования, и в условиях «озвучивания» при
остывании там также должно происходить обра-
зование мелкозернистой структуры металла.
Экспериментальные исследования проводили
в условиях дуговой сварки пластин размером
125 298 6 мм из стали Ст3сп. Для сварки ис-
пользовали электроды Oerlikon Special (тип
E382B12H10 по EN499). Шов № 1 выполняли
электродом диаметром 2,5 мм с силой сварочного
тока 50…55 А, шов № 2 — электродом диаметром
3,25 мм с силой тока 75…80 А. Каждый шов дли-
ной 50 мм сваривали в два прохода и потом, во
избежание влияния последующих манипуляций,
сваренный участок образца отрубали. Шов № 1
сваривали без ультразвуковой обработки и сварен-
ный участок отрубили после полного остывания на
воздухе. Швы № 2, 3 были получены с воздействием
широкополосных ультразвуковых колебаний от спе-
циально разработанного генератора (рис. 2). Уль-
тразвуковую обработку прерывали на время зачис-
тки шва после первого прохода и продолжали затем
до полного остывания сварного образца на воздухе.
Потребляемая генератором колебаний мощность не
Рис. 1. Схемы основных типов резонансных упругих колебаний: а —
продольные колебания стержня; б — колебания сдвига по толщине
пластины; в — радиальные колебания диска; г — колебания сдвига
по контуру; д — колебания изгиба по длине и ширине
2/2007 45
превышала 300 Вт, диапазон возбуждаемых час-
тот составлял 40 Гц…40 кГц. При обработке шва
№ 2 амплитуда колебаний в диапазоне 40
Гц…20 кГц была выше, чем в диапазоне 20…40
кГц. При обработке шва № 3, наоборот, амплитуда
колебаний была выше в диапазоне 20…40 кГц.
Колебания вводили путем контакта ультразвуко-
вой головки с плоской лицевой поверхностью сва-
риваемых пластин на расстоянии около 60 мм от
плоскости симметрии сварного шва.
Было проведено металлографическое исследо-
вание влияния широкополосной звуковой и уль-
тразвуковой обработки на структуру и свойства
сварных соединений. Шлифы для исследований
изготавливали по стандартной методике с при-
менением алмазных паст. Структуру выявляли хи-
мическим травлением образцов в нитале, иссле-
дования проводили на оптическом микроскопе
«Неофот-32». Замеры микротвердости осущест-
вляли микротвердомером М-400 фирмы «LECO»
при нагрузке 500 г. Балл зерна определяли путем
визуального сравнения с эталонами шкал по ГОСТ
5639–82.
Макроструктурный анализ показал, что в свар-
ных соединениях отсутствовали дефекты типа
трещин, пор, непроваров и т. п. Выявлено, что
в исходном после сварки состоянии (шов № 1)
ширина литых кристаллитов в центральной части
шва больше, чем в обработанных ультразвуком
в процессе сварки соединениях (швы № 2 и 3)
и составляет соответственно 220, 150 и 100 мкм
(рис. 3). В корневой части литого металла шва
также отмечено измельчение зеренной структуры
при воздействии ультразвуковых колебаний.
В микроструктуре металла швов (центральная
часть) присутствуют бейнит, перлит и полиго-
нальный феррит, располагающийся по границам
литых аустенитных зерен. При воздействии уль-
тразвуковых колебаний на кристаллизующийся
металл ширина пластин феррита существенно
уменьшается — от 20…30 (исходное состояние
после сварки) до 10…20 и 6…10 мкм. Микрот-
вердость на этом участке соединения в исходном
состоянии равна HV 1580…1650 МПа. Микротвер-
дость металла швов № 2 и 3 возрастает до зна-
чений 1650…1810 и 1720…1980 МПа соответс-
твенно, что можно объяснить уменьшением доли
полигонального феррита и увеличением количес-
тва бейнитной составляющей структуры.
Зеренная структура феррита, перлита и бейнита
корневой части швов измельчается от исходного 6
до 7 и 8 баллов в швах № 2 и 3 соответственно
(рис. 4). Микротвердость смеси зеренных структур
в исходном состоянии равна 1720…1770 МПа. При
воздействии ультразвука в корневой части металла
шва микротвердость возрастает до 1790 у шва № 2
и 1840…1980 МПа у шва № 3, что также связано
с уменьшением доли ферритной, перлитной сос-
тавляющих структуры и увеличением выделения
бейнита.
В металле ЗТВ соединений на участке перег-
рева присутствует структура смеси перлита, бей-
нита, выделений феррита по типу структуры Вид-
манштетта и в виде тонких прожилок по границам
зерен перлита и бейнита. Под воздействием уль-
тразвуковых колебаний наблюдается измельчение
Рис. 2. Внешний вид генератора широкополосных звуковых и ульт-
развуковых колебаний для обработки свариваемых изделий
Рис. 3. Микроструктура металла центральной части соответственно
сварного шва № 1–3 (а–в), 32
Рис. 4. Схема поперечного разреза сварных соединений и балл зерна
в металле ЗТВ соответственно сварного шва № 1–3 (а–в)
46 2/2007
структуры металла ЗТВ как на уровне централь-
ной части шва по толщине сечения, так и на уров-
не корневой части шва (рис. 5 и 6).
Микротвердость металла ЗТВ для швов № 1–3
соответственно равна 1230…1450, 1250…1510 и
1610 МПа на уровне центральной и 1510…1560,
1510…1650 и 1790…1820 МПа на уровне корне-
вой части швов.
Таким образом, широкополосная ультразвуко-
вая обработка стали во время сварки плавлением
приводит к улучшению структуры металла шва
и ЗТВ. В металле шва уменьшается ширина литых
кристаллов в центральной части, измельчаются
равноосные зерна в корневой части и снижается
толщина прослоек феррита. В металле ЗТВ струк-
тура металла также измельчается.
Разработанный способ широкополосной ульт-
развуковой обработки, возможно, может быть
применен не только при большинстве способах
сварки плавлением, но и создании мелкокристал-
лической структуры металлических изделий при
других видах металлообработки, при которых
происходят фазовые превращения кристалличес-
кой структуры металла, например, при литье, за-
калке, наплавке, упрочнении поверхности, нане-
сении покрытий и др.
1. Нерубай М. С. Применение ультразвука при обработке
жаропрочных и титановых сплавов // Машиностроение.
— 1978. — № 8. — С. 21–23.
2. Кравченко В. А., Нерубай М. С., Штриков Б. Л. Супер-
финиширование деталей подшипников с применением
ультразвука // Вестн. машиностроения. — 1978. — № 10.
— С. 67–70.
3. Марков А. И. Ультразвуковая обработка металлов. — М.:
Машиностроение, 1980. — 236 с.
4. Азизбекян Л. А., Нерсисян Э. Ц., Оганесян Д. Г. Повыше-
ние качества сварного шва методом ультразвуковой вол-
новой обработки // Науч. тр. АрмСХА. Сер. Технические
науки. — 1996. — Вып. 1. — С. 180–184.
Problems of ultrasonic elastic vibration influence on materials are discussed. Processing of a welded item by ultrasonic
vibrations in a wide frequency band is proposed. Formation of a more fine-grain structure as a result of such processing
is shown in the weld and HAZ in arc welding of ordinary carbon steel St3sp.
Поступила в редакцию 25.07.2006
Рис. 5. Микроструктура металла ЗТВ центральной части сварных швов № 1–3 (а–в), 100
Рис. 6. Микроструктура металла ЗТВ корневой части сварных швов № 1–3 (а–в), 100
2/2007 47
|