Вибрационная обработка. Снятия внутренних напряжений методом виброобработки, Барановичи

Снятия внутренних напряжений в сварных металлоконструкциях методом виброобработки

Металлическая деталь характеризуется напряженным состоянием, обусловленным неоднородностью пластических, линейных или объемных деформаций.

Возникновение и перераспределение остаточных напряжений всегда связано с деформацией детали или конструкции.

Возникающая деформация может быть временной или необратимой, вызываемой соответственно временными или внутренними напряжениями.

Внутренние напряжения делятся на напряжения I рода (уравновешивающиеся в пределах областей, размеры которых одного порядка с размерами тела, вызываемые неоднородностью силового, температурного или материального поля внутри тела); напряжения II рода или кристаллитные (уравновешивающиеся в объемах одного порядка с размерами зерен) и напряжения III рода (уравновешивающиеся в объемах одного порядка с элементарной кристаллической ячейкой).

При изготовлении металлических деталей под влиянием различных технологических операций, вызывающих изменения в металле, возникают внутренние напряжения. В некоторых случаях внутренние напряжения создаются преднамеренно для улучшения качественных характеристик изделия (поверхностный наклеп, закалка, химико-термическая обработка), а при литье, штамповке, сварке, механической обработке возникающие внутренние напряжения, наоборот, снижают стабильность изделия, вследствие чего снижается качество продукции.

Возникновение остаточных напряжений связано с различными процессами, происходящими в металле. В течение одной технологической операции могут действовать один или несколько факторов различной природы.

Сварные конструкции состоят из большого числа элементов и сварных швов, внутренние напряжения которых взаимодействуют и могут распределяться различным образом. Последовательность приварки и жесткость элементов существенно влияют на остаточные напряжения.

Характерными особенностями сварки являются ее локальный характер, высокие скорости нагрева до температур, превышающих температуры плавления металла (3000°С при газовой и 4000°С при электродуговой сварке), что вызывает температурные напряжения, неоднородные структурные преобразования в шве и зонах термического влияния, изменение растворимости газов, окружающих сварной шов.

Объем зоны распределения остаточных напряжений зависит от мощности и продолжительности нагрева, а также от структурных превращений, происходящих в зоне, непосредственно примыкающей к сварному шву (20 – 25 мм при электродуговой и 80 мм при газовой сварке).

Вследствие структурных превращений изменяется удельный объем, так как при нагреве переход перлита и феррита в аустенит сопровождается уменьшением удельного объема, а при охлаждении превращение аустенита в мартенсит сопровождается значительным увеличением удельного объема. Кроме того, вследствие неравномерного охлаждения деталей структурные превращения во всем объеме происходят не одновременно и по мере охлаждения всего сечения распределение структурных напряжений изменяется.

При вибростабилизирующей обработке подводимая механическая энергия способствует стабилизации геометрической формы изделия, так как ускоряет перемещение примесных атомов и блокирование дислокаций.

Циклическое нагружение в значительной степени влияет на значения остаточных напряжений. Напряжения релаксируются в результате суммирования остаточных и циклических переменных напряжений. В момент совпадения по знаку вибрационных и остаточных напряжений происходит кратковременная перегрузка сварных соединений, вызывая в них пластические деформации – прежде всего, в участках концентрации напряжений. При вибрационной обработке за короткие промежутки времени создается множество циклов нагружения на заданных и контролируемых мощностях и частотах, что обеспечивает завершение стабилизации в течение непродолжительного времени.

Вибростабилизация является высокопроизводительным методом снижения остаточных напряжений, который пригоден для литых, кованых, сварных и горячекатаных черных и цветных металлов. При этом параметры прочности, твердости и долговечности не снижаются. Кроме того, он применим к конструкциям любых габаритных размеров и массы, а оборудование, необходимое для его осуществления, является простым и малогабаритным. Это позволяет использовать его в непрерывном технологическом процессе и в промежуточных – между отдельными операциями механической обработки.

Вибростабилизирующая обработка особенно эффективна, когда термические и другие способы снятия напряжений неприемлемы, например при наличии приваренных направляющих, закаленных индукционным способом после сварки, а так же в конструкциях, сваренных из разных металлов.