научная статья по теме ПОВЕРХНОСТНОЕ УПРОЧНЕНИЕ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ КОРРОЗИОННО-УСТАЛОСТНОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ Машиностроение

Текст научной статьи на тему «ПОВЕРХНОСТНОЕ УПРОЧНЕНИЕ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ КОРРОЗИОННО-УСТАЛОСТНОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ»

СУДОСТРОЕНИЕ 4'2000

ПОВЕРХНОСТНОЕ УПРОЧНЕНИЕ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ КОРРОЗИОННО-УСТАЛОСТНОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

В. Д. Горбач, канд. техн. наук, В. С. Михайлов, докт. техн. наук (ГНЦ ЦНИИТС) УДК 621.791.052-192:629.5

Качество сварных конструкций зависит от подготовки кромок под сварку, сварочных материалов, технологии сварки и других факторов. Оно также зависит от конструктивных особенностей, в том числе и технологичности конструкции.

При изготовлении конструкций возникают остаточные сварочные деформации и напряжения, оказывающие значительное влияние на прочность конструкций, корро-зионно-усталостную долговечность, сопротивление движению судна и другие свойства.

ЦНИИТС занимается всей совокупностью вопросов, влияющих на качество сварных конструкций, в частности, снижением остаточных сварочных напряжений и деформаций за счет расчетного прогнозирования сварочных деформаций и оптимизации технологической схемы сборки и сварки конструкций, уменьшением сварочных деформаций и напряжений на основе низкочастотной виброобработки конструкций и корпусов судов [1—5].

Как известно, при сварке вдоль сварного соединения, как правило, возникают остаточные сварочные напряжения растяжения, которые уравновешиваются напряжениями сжатия, распределяющимися по обе стороны от сварного соединения и постепенно снижающимися при удалении от оси сварного шва. Продольные напряжения обычно значительные и могут достигать предела текучести материала и даже превышать его. В поверхностном слоем наплавленного металла и в зоне термического влияния возникают достаточно большие поперечные напряжения растяжения [6] (рис. 1).

С целью уменьшения отрицательного воздействия остаточных напряжений растяжения на конструкцию во многих отраслях промышленности применяют разнообразные способы их снижения и перераспределения: обработка взрывом, пневмомолот-ком, ультразвуковым пучковым молотком, роликом, наклеп дробью и пр. Выбор способа обработки зависит от массогабаритных характеристик конструкций, условий производства и пр. [5—8]. В судостроении, в основном, применяется дробеметная обработка, обработка пневмомолотком или ульт-

развуковым пучковым молотком, пневмо-щетками.

В ЦНИИТС выполнен комплекс исследований с целью определения влияния способа и технологии обработки на степень снижения или перераспределения напряжений. На рис. 2 приведены примеры распределения остаточных напряжений сжатия по глубине обрабатываемых листов из высокопрочных сталей типа АК и ЮЗ в зависимости от способа и длительности обработки. Установлено, что с увеличением времени обработки стальной дробью глубина упрочненного слоя возрастает и достигает максимального значения при длительности обработки 50— 60 с, а остаточные напряжения становятся максимальными на стальных образцах при длительности 15—20 с. По абсолютной величине сжимающие напряжения на образцах из высокопрочной стали типа АК могут достигать 1000 МПа, а глубина упрочненного слоя — 0,6—0,7 мм. Оптимальным режимом обработки стальных корпусных конструкций на практике можно считать время обработки в интервале 15—20 с стальной дробью диаметром 1,5 мм.

Из рис. 2 видно, что с увеличением времени обработки, а также мощности молотков может происходить перераспределение напряжений по глубине листов: на поверхности они снижаются, а на расстоянии 0,2—0,4 мм от поверхности достигают максимального значения. При обработке с использованием пневмомо-лотков и ультразвуковых молотков глубина воздействия возрастает примерно в два раза по сравнению с обработкой дробью. Поэтому для упрочнения высокопрочных материалов предпочтение следует отдавать пучковым пневмо- и ультразвуковым молоткам. Для низколегированных сталей и алюминиевых сплавов обработку можно выполнять дробью и пучковыми молотками на более низких режимах. Контроль качества обработки обычно ведется по эталонам, изготавливаемым для конкретных условий производства.

В процессе дробеструйного упрочнения от давления воздуха зависит кинетическая энергия летящей дроби: с увеличением давления на одну атмосферу остаточные напряжения возрастают на 10—15%, а глубина упрочненного слоя — до 0,05 мм.

ТЕХНОЛОГИЯ СУДОСТРОЕНИЯ И МАШИНОСТРОЕНИЯ судостроение 4 2000

Рис. 1. Распределение относительных остаточных напряжений в стыковых (Охх, 0^, 0^, Т^) и тавровых (0^, Оуу) соединениях при многопроходной сварке (напряжения определены с использованием МКЭ в сочетании с теорией пластического неизотермического течения): 1—10 траектории трещин

Интенсивность поверхностного упрочнения корпусных конструкций в производственных условиях зависит не только от параметров режима технологического процесса, но и от толщины листов, жесткости конструкций (секции надстроек, секции малых или крупных судов), их пространственного положения и т. д.

Представляют интерес данные о перераспределении наведенных поверхностных остаточных напряжений при воздействии коррозионной среды, циклических напряжений, сроков эксплуатации и других условий. Установлено, что остаточные напряжения сжатия снижаются в морской воде. Так, при нахождении конструкций в морской воде в течение года

^ -200

0

X -400 а>

1

0 -600

1 а> о

| -800 о

О -1000

V 5 \ / 2 / > ^уу <7-

£ N. у К

у

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 Глубина упрочненного слоя а, мм

Рис. 2. Распределение остаточных напряжений сжатия в поверхностных слоях в зависимости от способа и режимов обработки:

1 — обработка пневмомолотком при Р = 0,45 МПа; 2—4 — обработка ультразвуковым молотком мощностью 500, 800 и 1100 Вт соответственно; 5 — дробеметная обработки ^ = 15 с) стальной дробью № 1,5; 6 — накатка роликом

толщина упрочненного слоя уменьшается на 0,11 мм, а максимальные остаточные напряжения — с 800 до 500 МПа. При усталостных испытаниях образцов в морской воде и на воздухе остаточные напряжения также снизились примерно на 40%. Система кривых упрочнения (см. рис. 2) позволила обоснованно определить технологию и режимы обработки конструкций из различных материалов.

Эффективность поверхностного упрочнения сварных соединений оценивалась по результатам испытаний образцов на циклическую стойкость на воздухе и в синтетической морской воде. С целью учета реального влияния циклических и вибрационных нагрузок на опорные контуры пластин обшивки и набора были приняты следующие размеры образцов: длина 435 мм, ширина 100 мм, толщина 6 мм. Испытания проводились на лабораторных установках с частотой нагрузки 1400—1700 цикл./мин. Образцы укреплялись в специальных опорах, а колебания возбуждались с помощью малогабаритных вибраторов, устанавливаемых на консольной части образцов. В процессе испытаний контролировались напряжения и амплитуда колебаний. Появление усталостных трещин фиксировалось визуально в результате выхода образца из резонанса.

В процессе поверхностного упрочнения исследовалось влияние ширины зоны упрочнения стыкового и углового соединений, степени по-

верхностного упрочнения, конструктивных элементов концентраторов напряжений (стыковое и тавровое сварные соединения, приварка элементов насыщения). С целью определения оптимальной зоны обработки проводились испытания стыковых образцов с шириной полосы упрочнения до 70 мм. Результаты коррози-онно-усталостных испытаний показали, что поверхностное упрочнение сварных соединений позволяет повысить циклическую долговечность конструкций в 2—3 раза (рис. 3, 4). С увеличением ширины полосы упрочнения коррозионно-усталостная прочность стыковых соединений возрастает до определенного значения. Дальнейшее увеличение ширины зоны упрочнения на повышении корро-зионно-усталочтной прочности не сказывается. В связи с чем ширина зоны упрочнения должна перекрывать зону термического влияния после сварки и составлять порядка 50— 60 мм на одну сторону от сварного соединения, что достаточно для достижения необходимого эффекта. Усталостные трещины на образцах как в исходном состоянии, так и после упрочнения возникают в основном в зоне перехода наплавленного металла в основной.

На коррозионно-усталостную прочность влияет диаметр дроби. Например, с увеличением его с 0,5 до 1,5 мм прочность возрастает на 80%, при дальнейшем росте диаметра динамика роста эффективности снижается. Поэтому в произ-

Рис. 3. Коррозионно-усталостная прочность при различной ширине упрочнения:

1 — исходный образец; 2, 3, 4, 5 — ширина соответственно 30, 50, 70 и 140 мм

:УДОСТРОЕНИЕ 4'2000

ТЕХНОЛОГИЯ СУДОСТРОЕНИЯ И МАШИНОСТРОЕНИЯ

Рис. 4. Коррозионно-усталостная прочность при различном состоянии упрочненной поверхности:

1 — исходный образец; 2, 3, 4 — дробь стальная литая диаметром 0,5; 0,8 и 1 мм; 5 — дробь стальная литая диаметром 1,5 и 2 мм

водстве рекомендуется упрочнение производить дробью диаметром 1 — 1,5 мм.

Из-за специфики судостроительного производства, размеров и сложности корпусных конструкций наряду с усталостными испытаниями консольных образцов проводились исследования влияния поверхностного упрочнения на малоцикловую выносливость на крупногабаритных образцах на растяжной машине. Рабочее напряжение принималось равным 0,6 от предела текучести, частота нагружения 10 цикл./мин. Результаты испытаний образцов на малоцикловую усталость в морской воде показали, что дробеструйное упрочнение стальной дробью повысило общую (до разрушения) долговечность на 20%, а упрочнение пучковым пневмомолотком — на 10%. При этом период до момента зарождения трещин при дробеструйной обработке увеличивается, как и при обработке пневмомолотком, в 2,5 раза. Аналогичные результаты получены при испытании сосудов на малоцикловую усталость внутренним давлением. Установлено также благоприятное влияние поверхностного упрочнения на малоцикловую усталость узлов, имеющих концентраторы напряжений.

Были также проведены исследования влияния поверхностного упрочнения на коррозию и коррозионное растрескивание конструкций из маломагнитной стали типа 45Г17ЮЗ. Оп-

ределялся стационарный потенциал, катодные и анодные поляризационные кривые, другие характеристики. Теория электрохимической коррозии достаточно хорошо объясняет особенности про

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком