Top Banner
185 Машины и аппараты 2015, т. 13, № 4 УДК 621.8.004.67; 622.69 ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ НА УРОВЕНЬ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ РЕЗЕРВУАРОВ ПРИ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИИ И МОНТАЖЕ INFLUENCE OF VIBRATION TREATMENT ON THE LEVEL OF RESIDUAL STRESSES AND MECHANIICAL PROPERTIES OF WELDED JOINTS OF VERTICAL CYLINDRICAL TANKS IN THE PROCESS OF THEIR MANUFACTURE AND ERECTION Дано описание результатов экспериментальных исследований по влиянию пара- метров вибрационной обработки (амплитуды и частоты вибрации), проводимой в процессе сварки полотнищ корпуса резервуаров при их изготовлении и монта- же на уровень остаточных напряжений и механические свойства сварных соеди- нений. Сварные соединения, как правило, являются концентраторами напряже- ний, местом расположения различных дефектов и образованием нежелательных структурных изменений. К основным методам, улучшающих качество сварных соединений относятся различные типы операций термической обработки. На основе проведенных исследований предложены рекомендации по выбору опти- мальных параметров виброобработки, обеспечивающих требуемый уровень остаточных напряжений и максимальные механические характеристики свар- ных соединений (предел прочности текучести, ударную вязкость и твердость металла) при изготовлении и монтаже полотнищ корпуса резервуара. Вибрационная обработка в процессе сварки заключается в создании в зоне свар- ки резонансных или близких к ним частот в течение всего процесса. Для созда- ния вибрации используют механические вибраторы. В процессе проведения испытаний сварных образцов, выполненных с виброо- бработкой сварных соединений, установлено, что с увеличением частоты вибра- ции происходит снижение остаточных напряжений в металле шва. Таким обра- зом, в процессе проведения испытаний сварных образцов, выполненных с виброобработкой сварных соединений, установлено, что с увеличением частоты вибрации происходит снижение остаточных напряжений в металле шва. The article describes the results of the experimental studies of the influence of vibration treatment parameters (vibration amplitude and frequency) on the level of residual stresses and mechanical properties of welded joints in the process of welding of tank shell sheets during their manufacture and erection. Welded joints, as a rule, are stress concentrators, the location of various defects and the formation of undesirable structural changes. The main methods that improve the quality of welded joints include various types of heat treatment operations. Based on the studies conducted, recommendations on the choice of the optimal vibration treatment parameters are proposed, providing for the required level of residual stresses and the maximal mechanical properties of welded joints (tensile yield strength, impact toughness and hardness of metal) in the process of manufacture and erection of tank shell sheets. Vibration treatment during the welding process is to create in the weld zone is resonant or close to frequencies in the entire process. To create vibration using mechanical vibrators. In the process of conducting tests of welded samples, performed with the vibratory treatment of welded joints, it was found that with increasing vibration frequency decreases residual stresses in the weld metal. Thus, in the process of conducting tests of welded samples, performed with the vibratory treatment of welded joints, it was found that with increasing vibration frequency decreases residual stresses in the weld metal. Гильманшин Р. А., Ерофеев В. В., Шарафиев Р. Г., Якупов В. М. Уфимский государственный нефтяной технический университет, г. Уфа, Российская Федерация ФГБОУ ВО «Южно-Уральский Государственный аграрный университет» институт «Агроинженерии» г. Челябинск, Российская Федерация R. A. Gilmanshin, V. V. Erofeev, R. G. Sharafiev, V. M. Yakupov Ufa State Petroleum Technological University, Ufa, the Russian Federation FSBEI HE «South Ural State Agrarian University» Institute «Agricultural Engineer», Chelyabinsk, the Russian Federation Ключевые слова: виброобработка, уровень остаточных напряжений, предел прочности текуче- сти, ударная вязкость, твердость металла. Key words: vibratory treatment, the level of residual stresses, tensile strength, yield strength, impact strength, hardness. Основной задачей нефтегазового машинострое- ния является повышение производительности обо- рудования, снижение трудоемкости и повышение энергоэффективности операций технологического процесса. Эффект от внедрения новых технологий может выражаться в снижении материалоемкости и энергоемкости производства, в снижении основного и вспомогательного времени и трудоемкости техно- логических операций, в уменьшении габаритных размеров конструкции, в применении современных материалов, в улучшении механических свойств и увеличении ресурса изделия.
8

УДК 621.8.004.67; ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ …ngdelo.ru/files/old_ngdelo/2015/4/ngdelo-4-2015-p185-192.pdf · чается в снижение

Aug 24, 2020

Download

Documents

dariahiddleston
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: УДК 621.8.004.67; ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ …ngdelo.ru/files/old_ngdelo/2015/4/ngdelo-4-2015-p185-192.pdf · чается в снижение

185Машины и аппараты

2015, т. 13, № 4

УДК 621.8.004.67; 622.69

ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ НА УРОВЕНЬ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ РЕЗЕРВУАРОВ ПРИ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИИ И МОНТАЖЕINFLUENCE OF VIBRATION TREATMENT ON THE LEVEL OF RESIDUAL STRESSES AND MECHANIICAL PROPERTIES OF WELDED JOINTS OF VERTICAL CYLINDRICAL TANKS IN THE PROCESS OF THEIR MANUFACTURE AND ERECTIONДано описание результатов экспериментальных исследований по влиянию пара-метров вибрационной обработки (амплитуды и частоты вибрации), проводимой в процессе сварки полотнищ корпуса резервуаров при их изготовлении и монта-же на уровень остаточных напряжений и механические свойства сварных соеди-нений. Сварные соединения, как правило, являются концентраторами напряже-ний, местом расположения различных дефектов и образованием нежелательных структурных изменений. К основным методам, улучшающих качество сварных соединений относятся различные типы операций термической обработки. На основе проведенных исследований предложены рекомендации по выбору опти-мальных параметров виброобработки, обеспечивающих требуемый уровень остаточных напряжений и максимальные механические характеристики свар-ных соединений (предел прочности текучести, ударную вязкость и твердость металла) при изготовлении и монтаже полотнищ корпуса резервуара. Вибрационная обработка в процессе сварки заключается в создании в зоне свар-ки резонансных или близких к ним частот в течение всего процесса. Для созда-ния вибрации используют механические вибраторы.В процессе проведения испытаний сварных образцов, выполненных с виброо-бработкой сварных соединений, установлено, что с увеличением частоты вибра-ции происходит снижение остаточных напряжений в металле шва. Таким обра-зом, в процессе проведения испытаний сварных образцов, выполненных с виброобработкой сварных соединений, установлено, что с увеличением частоты вибрации происходит снижение остаточных напряжений в металле шва.

The article describes the results of the experimental studies of the influence of vibration treatment parameters (vibration amplitude and frequency) on the level of residual stresses and mechanical properties of welded joints in the process of welding of tank shell sheets during their manufacture and erection. Welded joints, as a rule, are stress concentrators, the location of various defects and the formation of undesirable structural changes. The main methods that improve the quality of welded joints include various types of heat treatment operations. Based on the studies conducted, recommendations on the choice of the optimal vibration treatment parameters are proposed, providing for the required level of residual stresses and the maximal mechanical properties of welded joints (tensile yield strength, impact toughness and hardness of metal) in the process of manufacture and erection of tank shell sheets.Vibration treatment during the welding process is to create in the weld zone is resonant or close to frequencies in the entire process. To create vibration using mechanical vibrators.In the process of conducting tests of welded samples, performed with the vibratory treatment of welded joints, it was found that with increasing vibration frequency decreases residual stresses in the weld metal. Thus, in the process of conducting tests of welded samples, performed with the vibratory treatment of welded joints, it was found that with increasing vibration frequency decreases residual stresses in the weld metal.

Гильманшин Р. А., Ерофеев В. В.,Шарафиев Р. Г., Якупов В. М.Уфимский государственный нефтянойтехнический университет, г. Уфа, Российская ФедерацияФГБОУ ВО «Южно-Уральский Государственный аграрный университет» институт «Агроинженерии» г. Челябинск, Российская Федерация

R. A. Gilmanshin, V. V. Erofeev, R. G. Sharafiev, V. M. YakupovUfa State Petroleum Technological University, Ufa,the Russian FederationFSBEI HE «South Ural State Agrarian University» Institute «Agricultural Engineer», Chelyabinsk, the Russian Federation

Ключевые слова: виброобработка, уровень остаточных напряжений, предел прочности текуче-сти, ударная вязкость, твердость металла.

Key words: vibratory treatment, the level of residual stresses, tensile strength, yield strength, impact strength, hardness.

Основной задачей нефтегазового машинострое-ния является повышение производительности обо-рудования, снижение трудоемкости и повышение

энергоэффективности операций технологического процесса. Эффект от внедрения новых технологий может выражаться в снижении материалоемкости и энергоемкости производства, в снижении основного и вспомогательного времени и трудоемкости техно-логических операций, в уменьшении габаритных размеров конструкции, в применении современных материалов, в улучшении механических свойств и увеличении ресурса изделия.

Page 2: УДК 621.8.004.67; ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ …ngdelo.ru/files/old_ngdelo/2015/4/ngdelo-4-2015-p185-192.pdf · чается в снижение

186Машины и аппараты

2015, т. 13, № 4

В нефтегазовой отрасли с помощью сварки изго-тавливают и осуществляют монтаж и ремонт 80-90% металлоконструкций. Это объясняется невозможно-стью или высокой стоимостью изготовления этих конструкций при помощи других методов формоо-бразования. Сварные соединения, как правило, явля-ются концентраторами напряжений, местом расположения различных дефектов и образованием нежелательных структурных изменений. К основ-ным методам, улучшающих качество сварных соеди-нений относятся различные типы операций термической обработки. В качестве главного недо-статка данного типа операций можно выделить существенную энергоемкость и трудоемкость про-цессов, невозможность их применения при сварке труднодоступных узлов и конструкций больших габаритов.

Одним из перспективных методов в данном направлении является вибрационная обработка свар-ных соединений, которая может производиться как во время сварки – на расплавленный и кристаллизу-ющийся металл, так и на уже затвердевший металл. Однако, к сожалению данный метод не нашёл широ-кого распространения в нефтехимическом машино-строении, а также при ремонте данных конструкций с применением сварочных технологий.

Большинство работ, касающихся использования вибрационного воздействия при сварке металлокон-струкций, относятся к обработке затвердевшего металла [1,2]. Если рассматривать вибрационную обработку сварных соединений, проводимую после кристаллизации сварных швов, то основное назна-чение данного типа вибрационной обработки заклю-чается в снижение остаточных напряжений и деформаций [3,4]. Исследования, выполненные в данном направлении, представлены в различных литературных источниках [5-7]. В частности, в работе [7] показано, что понижение остаточных напряжений в процессе вибрации сварных соедине-ниях в затвердевшем состоянии достигается за счет сочетания напряжений (вибрационных и остаточ-ных) при их суммарных значениях, при которых материал становится пластичным.

В настоящее время проведено достаточное число экспериментов по влиянию параметров вибрацион-ной обработки на расплавленный и кристаллизую-щийся металл в процессе ручной сварки металлоконструкций из различных металлов. В част-ности, исследованы механические свойства и рас-пределения действующих поверхностных напряжений в сварных соединениях, полученных с сопутствующей виброобработкой.

Вибрационная обработка в процессе сварки заключается в создании в зоне сварки резонансных или близких к ним частот в течение всего процесса. Для создания вибрации используют механические вибраторы. Применение виброобработки взамен

последующей термической обработки оказывается экономичнее и обладает рядом существенных пре-имуществ:

- применяемое для виброобработки оборудова-ние компактно, мобильно и является универсальным для различных типов конструкций. Стоимость этого оборудования, а также затраты на его техническое обслуживание относительно невелики;

- процесс снятия сварочных напряжений проте-кает во время изготовления конструкций, вследствие чего снижается основное и вспомогательное время;

- на поверхности деталей не образуется окалина, шлак, цвета побежалости как после термообработки.

Эффективность вибрационной обработки зави-сит от прикладываемой нагрузки при вибрации, определяемой значением и местом приложения вынуждающей силы, создаваемой вибровозбудите-лем, а также геометрической формой деталей [6,7].

Следует отметить, что возникающие в процессе изготовления металлоконструкций остаточные напряжения и пластические деформации, оказывают, как правило, отрицательное влияние на прочность, коррозионную стойкость и размерную стабильность оболочковых конструкций [8,9].

Вследствие этого, в данной работе проведена оценка влияния частоты вибрации, прикладываемой к свариваемому металлу при автоматической сварке на механические свойства получаемого сварного соединения и на величину действующих поверх-ностных напряжений в образцах.

Для проведения экспериментов из листового про-ката (сталь ВСт3сп ГОСТ 380, толщина 10 мм) на гильотинных ножницах были вырезаны полосы раз-мером 160×1000 мм, из которых на стенде были сва-рены образцы с помощью автоматической сваркой под слоем флюса АН-348А (ГОСТ 9087) с примене-нием сварочной проволоки Св08ГА диаметром 1,6мм (ГОСТ 2246). Тип сварных соединений – сты-ковой двухсторонний, без разделки кромок. Для соз-дания вибрации использовали пневматический вибратор ВПШ-20. Было сварено пять типов образ-цов при частоте вынужденных колебаний 0; 50; 100; 150 и 200 Гц. Амплитуда колебаний составляла от 0,6 до 0,8 мм. Схема эксперимента представлена на рисунке 1 [10].

Page 3: УДК 621.8.004.67; ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ …ngdelo.ru/files/old_ngdelo/2015/4/ngdelo-4-2015-p185-192.pdf · чается в снижение

187Машины и аппараты

2015, т. 13, № 4

Рисунок 1. Схема сварки образцов: 1 – свариваемые пластины, 2 – сварочный шов, 3 – вибростол, 4 – вибратор пневматический шаровый

До вырезки образцов был проведен ультразвуко-вой контроль сварных швов с применением дефек-тоскопа марки УД 2-70 ГОСТ 14782. Образцы вырезались только из качественных сварных соеди-нений.

Кроме того были проведены исследования хими-ческого состава основного металла заготовок и свар-ного шва с использованием установки Q4 TASMAN. Полученные данные приведены в таблице 1.

Таблица 1. Химический состав заготовок и сварного шва

№ Частота, Гц место изм.Химический состав, %

As Si P S Mn Cu Ni Cr

1 0св. шов 0,06 0,28 0,038 0,048 0,48 0,16 0,20 0,1

осн. металл 0,07 0,31 0,039 0,048 0,51 0,10 0,28 0,1

2 50св. шов 0,07 0,31 0,038 0,047 0,65 0,17 0,18 0,1

осн. металл 0,07 0,28 0,031 0,031 0,42 0,21 0,27 0,1

3 100св. шов 0,07 0,25 0,039 0,034 0,58 0,18 0,15 0,1

осн. металл 0,08 0,24 0,038 0,048 0,59 0,12 0,28 0,1

4 150св. шов 0,08 0,25 0,035 0,045 0,57 0,15 0,17 0,1

осн. металл 0,08 0,29 0,032 0,042 0,54 0,19 0,29 0,1

5 200св. шов 0,05 0,23 0,040 0,045 0,43 0,12 0,17 0,1

осн. металл 0,05 0,27 0,033 0,047 0,64 0,10 0,28 0,1

Фотографии вырезанных образцов для механи-ческих испытаний приведены на рисунке 2.

Рисунок 2. Фотография вырезанных образцов

Измерение действующих поверхностных микро-напряжений производилось рентгеноструктурным

методом с использованием рентгеновского дифрак-тометра ДРОН–4М. Результаты дифрактометриче-ских измерений остаточных напряжений в исследуемых сварных образцах из стали ВСт3сп приведены в таблице 2 и представлены на рисунке 4.

Как видно из рисунка 3, с увеличением частоты вибрации наблюдается снижение остаточных напря-жений в металле шва. При частоте 150 Гц наблюда-ется наибольшее снижение напряжений, которое достигает 25%. по сравнению с образцами, выпол-ненными без виброобработки. При дальнейшем уве-личении частоты вибрации (до 200 Гц) эффект по снижению остаточных напряжений в сварном шве уменьшается.

Таблица 2. Величины остаточных напряжений sост

№ Клеймообразца

Частота вибра-ции, Гц

Величина остаточных напряжениий sост ,

МПа1 1 0 2582 2 50 2413 3 100 2204 4 150 1925 5 200 211

258241

220192

211

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200

Частота вибрации, Гц

Ост

аточ

ные

напр

яжен

ия, М

Па

Рисунок 3. Результаты измерений остаточных напряжений

Page 4: УДК 621.8.004.67; ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ …ngdelo.ru/files/old_ngdelo/2015/4/ngdelo-4-2015-p185-192.pdf · чается в снижение

188 Машины и аппараты

2015, т. 13, № 4

В целях подтверждения результатов исследований по изменению уровня sост в зависимости от параме-тров виброобработки были проведены измерения величины прогиба сварных пластин в продольном направлении сварного шва по схеме, представленной на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема проведения замера прогиба образцов

Результаты проведенных замеров показывают, что наибольший уровень остаточных напряжений воз-никает при сварке пластин без вибрационной обра-ботки. Средняя глубина прогиба составляет примерно 5,9 мм. При сварке пластин с изменением частоты вибрации от 50 до 200 Гц поперечный прогиб изме-нялся от 5,9 мм до 4,5 мм. Таким образом, под-тверждается предположение, что на напря женно-дефор мированное состояние сварного соединения влияют основные параметры вибрации (частота, амплитуда). Результаты замеров прогибов приведены в таблице 3.

Таблица 3. Замеры прогиба образцов

Прогибы Частота вибрации, Гц0 50 100 150 200

Прогиб по шву, мм 17,2 16,6 15,0 14,1 14,9Прогиб по металлу, мм 17,0 16,3 14,6 13,8 15,0Поперечный прогиб, мм 5,9 5,8 4,9 4,5 4,8

Результаты исследований по замеру прогибов соответствуют данным по измеренным остаточным напряжениям, полученных на ДРОН-4М. Наименьший поперечный прогиб и прогиб по шву наблюдаются в образцах, выполненных сваркой с сопутствующей вибрацией 150 Гц.

Полученные данные учтены при разработке ресурсосберегающей технологии снятия остаточных напряжений в стали ВСт3сп при автоматической под слоем флюса сварке полотнища корпуса резервуара.

Характер изменения механических свойств свар-ных соединений, выполненных с применением виброобработки, выявляли на основании результа-тов испытания сварных соединений. Из сварных заготовок были вырезаны образцы типов XII и XXI по ГОСТ 6996, по 3 образца (размерами 25×10 мм) для каждой частоты вибрации. Испытание образцов на растяжение проводилось на испытательной машине ИР 5145-500. Разрушение образцов типа XII

произошло по основному металлу, а образцов типа XXI – по сварному соединению. Результаты испыта-ний образцов на статическое растяжение представ-лены в таблице 4.

Таблица 4. Результаты испытаний образцов на статическое рас-тяжение

№ п

/п

Тип

обра

зца

Кле

ймо

обра

зца Максим.

усилие, кН

Предел проч-

ности sв МПа

Характерразрушения

1

XII

11 110,41 442 по основному металлу

2 12 110,25 441 по основному металлу

3 13 109,98 440 по основному металлу

4 21 108,77 435 по основному металлу

5 22 109,18 437 по основному металлу

6 23 108,95 436 по основному металлу

7 31 108,90 436 по основному металлу

8 32 110,07 440 по основному металлу

9 33 109,05 436 по основному металлу

10 41 110,38 442 по основному металлу

11 42 109,88 439 по основному металлу

12 43 109,86 439 по основному металлу

13 51 108,67 435 по основному металлу

14 52 108,73 435 по основному металлу

15 53 110,11 440 по основному металлу

16

XXI

11 135,11 540 по сварному шву17 12 134,98 540 по сварному шву18 13 135,47 542 по сварному шву19 21 142,86 571 по сварному шву 20

22 142,41 570 по сварному шву

21 23 142,30 569 по сварному шву22 31 146,70 587 по сварному шву23 32 146,12 584 по сварному шву24 33 145,93 584 по сварному шву25 41 152,00 608 по сварному шву26 42 150,75 603 по сварному шву27 43 150,82 603 по сварному шву28 51 145,06 580 по сварному шву29 52 144,81 579 по сварному шву30 53 145,23 581 по сварному шву

На основании результатов испытаний построены диаграммы зависимости предела прочности металла

Page 5: УДК 621.8.004.67; ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ …ngdelo.ru/files/old_ngdelo/2015/4/ngdelo-4-2015-p185-192.pdf · чается в снижение

189Машины и аппараты

2015, т. 13, № 4

шва (рисунок 5) и диаграммы зависимости предела прочности сварного соединения (рисунок 6) от частоты вибрации.

Результаты испытаний образцов на растяжение показали, что вибрационная обработка в процессе автоматической сварки стали ВСт3сп позволяет повысить прочностные характеристики металла сварного шва на 12%.

541570 585 604 580

050

100150200250300350400450500550600650

0 50 100 150 200

Частота вибрации, Гц

Пре

дел

проч

ност

и, М

Па

Рисунок 5. Зависимость предела прочности металла сварного шва от частоты вибрации

442 436 438 440 437

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 50 100 150 200

Частота вибрации, Гц

Пре

дел

проч

ност

и св

арно

го

соед

инен

ия, М

Па

Рисунок 6. Зависимость предела прочности сварного соединения от частоты вибрации

Испытания на ударный изгиб проводились на маятниковом копре ИО-5003 при температуре плюс 20 °С и минус 20 °С. Образцы изготавливались типа

IX в соответствии с ГОСТ 6996, по 3 образца для каждого режима обработки.

При испытаниях на ударный изгиб определялась ударная вязкость металла шва КСV (на образцах Шарпи) и КСU (на образцах Менаже). В связи с этим V – и U – образные надрезы глубиной 2 мм наносили по центру сварного шва. Ширина образца составляла 10 мм, высота рабочего сечения – 8 мм.

По результатам испытаний построены диа-граммы, характеризующие зависимость ударной вяз-кости металла шва от частоты вибрации при сварке (рисунки 7 и 8).

109 116127

136123

65 72 77 8373

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 50 100 150 200

Частота вибрации, ГцУд

арна

я вя

зкос

ть K

CV,

Дж

/см

2

KCV t=+20C KCV t=-20C

Рисунок 7. График зависимости ударной вязкости KCV металла шва от частоты вибрации при сварке

129

148158 164

153

104116 121 128 123

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 50 100 150 200

Частота вибрации, Гц

Удар

ная

вязк

ость

KC

U, Д

ж/с

м2

KCU t=+20C KCU t=-20C

Рисунок 8. График зависимости ударной вязкости KCU металла шва от частоты вибрации при сварке

Результаты испытаний приведены в таблицах 5 и 6.

Таблица 5. Результаты испытаний металла шва на ударный изгиб KCV

№п/п

Клеймообразца

Тип образцапо ГОСТ9454-78

Температураиспытаний,

ºС

Площадь поперечн.сечения

образца, см2.

Работа удара, Дж

Ударная вяз-кость, KCV,

Дж/см2

Среднее зна-чение Дж/

см2

1 1111

+20

0,888 110

1092 112 86 1083 113 88 1104 221

1 0,892 115

1165 222 94 1186 223 93 1167 331

1 0,8101 126

1278 332 100 1259 333 103 12910 441

1 0,8111 139

13611 442 108 13512 443 107 13413 551

1 0,898 123

12314 552 100 12515 553 97 121

Page 6: УДК 621.8.004.67; ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ …ngdelo.ru/files/old_ngdelo/2015/4/ngdelo-4-2015-p185-192.pdf · чается в снижение

190Машины и аппараты

2015, т. 13, № 4

16 1141

-20

0,849 61

6517 115 52 6518 116 55 6919 224

1 0,859 74

7220 225 55 6921 226 58 7322 334

1 0,861 76

7723 335 64 8024 336 59 7425 444

1 0,867 84

8326 445 66 837 446 66 8328 551

1 0,860 75

7329 552 58 7330 553 59 74

Таблица 6. Результаты испытаний металла шва на ударный изгиб KCU

№п/п

Клеймообразца

Тип образцапо ГОСТ9454-78

Температураиспытаний,

ºС

Площадь поперечн.сечения образца,

см2.

Работаудара,

Дж

Ударнаявязкость

KCU, Дж/см2

СреднеезначениеДж/см2

1 111

+20

0,8105 131

1292 12 100 1253 13 104 1304 21

1 0,8118 148

1485 22 116 1456 23 120 1507 31

1 0,8126 158

1588 32 128 1609 33 125 15610 41

1 0,8131 164

16411 42 131 16412 43 130 16313 51

1 0,8122 152

15314 52 124 15515 53 121 15116 14

1

-20

0,884 105

10417 15 81 10118 16 84 10519 24

1 0,893 116

11620 25 94 11821 26 90 11322 34

1 0,898 123

12123 35 95 11924 36 96 12025 44

1 0,8103 129

12826 45 100 12527 46 105 13128 51

1 0,897 121

12329 52 98 12330 53 100 125

Как видно из результатов испытаний, ударная вязкость образцов, сваренных с применением вибра-ционной обработки, имеет значения выше, чем при сварке по существующей технологии. Ударная вяз-кость металла сварного шва с U-образном надрезом,

выполненного с вибрационной обработкой при частоте 150 Гц, при температуре испытания +20 оС увеличилась на 27%, при V-образном надрезе - на 25% а при температуре

-20 оС на 23% и 27% соответственно.

Page 7: УДК 621.8.004.67; ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ …ngdelo.ru/files/old_ngdelo/2015/4/ngdelo-4-2015-p185-192.pdf · чается в снижение

191Машины и аппараты

2015, т. 13, № 4

Измерение твердости проводили на твердомере Rockwell 574T. Замеру подвергались участки свар-ного соединения – сварной шов, зона термического влияния, и основной металл. На рисунке 9 в качестве примера представлена фотография образца, изготов-ленного для замера твердости. В каждой зоне произ-водили по 3 (три) замера. Схема мест произведения замеров приведена на рисунке 10. Результаты изме-рений сведены в таблице 7 и при помощи таблицы перевода и сравнения единиц измерения твердости переведены из твердости по Роквеллу в твердость по Викерсу.

Рисунок 9. Фотография образцов для измерения твердости металла

Рисунок 10. Схема мест проведения замеров твердости образцов

Таблица 7. Результаты измерения твердости образцов

№ п/п Клеймо образца Место измерения HRB HRB HRB Среднее значе-

ние HRBСреднее

значение HV1

1Сварной шов 72,8 72,6 74,2 73,2 132

2 зона термического влияния 75,8 75,2 74,1 75,1 137

3 основной металл 68,3 68,9 71,2 69,5 123

42

Сварной шов 69,7 70,1 70,2 70,0 125

5 зона термического влияния 75,2 74,3 75,8 75,1 1376 основной металл 70,1 69,3 68,9 69,5 1237

3Сварной шов 68,3 67,8 68,2 68,1 120

8 зона термического влияния 75,8 75,2 74,1 75,1 1379 основной металл 68,6 70,7 69,0 69,5 12310

4Сварной шов 65,7 64,9 65,0 65,2 115

11 зона термического влияния 75,1 75,7 75,8 75,5 13712 основной металл 70,1 69,5 68,8 69,5 12313

5Сварной шов 68,2 67,4 67,5 67,7 120

14 зона термического влияния 74,8 74,5 76,0 75,1 13715 основной металл 69,5 70,3 68,7 69,5 123

На основании полученных данных были постро-ены диаграммы (рисунок 11), отражающие зависи-мость твердости сварного соединения от частоты вибрации.

Как показывают данные, представленные на диа-граммах, применение вибрации при сварке понижает значение твердости в металле шва на 17 единиц по Викерсу, т.е. практически на 12%.

132125 120 115 120

137 137 137 137 137123 123 123 123 123

0

20

40

60

80

100

120

140

0 50 100 150 200

Частота вибрации, Гц

HV,

ед.

Твердость шва Твердость ЗТВ Твердость основного металла

Рисунок 11. Зависимость твердости сварного соединения от ча-стоты вибрации

Выводы Таким образом, в процессе проведения испыта-

ний сварных образцов, выполненных с виброобра-боткой сварных соединений, установлено, что с увеличением частоты вибрации происходит сниже-ние остаточных напряжений в металле шва. При частоте 150 Гц наблюдается наибольшее снижение напряжений, которое достигает 25%. При дальней-шем увеличении частоты вибрации эффект по сни-жению остаточных напряжений в сварном шве уменьшается

Результаты испытаний данных образцов на ста-тическое растяжение показали, что вибрационная обработка в процессе автоматической сварки образ-цов из стали ВСт3сп позволяет повысить прочност-ные характеристики металла сварного шва примерно на 12%.

Page 8: УДК 621.8.004.67; ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ …ngdelo.ru/files/old_ngdelo/2015/4/ngdelo-4-2015-p185-192.pdf · чается в снижение

192 Машины и аппараты

2015, т. 13, № 4

Результаты испытаний на ударную вязкость пока-зали, что ударная вязкость металла сварного шва с U-образным надрезом, выполненного с вибрацион-ной обработкой при частоте 150 Гц, при температуре испытания +20 оС увеличилась на 27%, с V-образным

надрезом – на 25% а при температуре -20 оС на 23% и 27% соответственно.

Результаты замеров твердости сварного шва показали, что применение вибрации при сварке понижает твердость металла шва на 17 единиц по Викерсу (т.е. на 12%).

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Вибрационная обработка металличе-ских деталей /Е. А. Соловьева, А. Ф. Петров, О. Г. Чикалиди, А. М. Ким-Хенкина //Химическое и нефтяное маши-ностроение. 1991. №1. С. 31 – 32.

2 Влияние виброобработки на напря-женное состояние сварных конструкций /В. А. Ионов, В. И. Борисов, А. М. Вельбель, В. Г. Смирнов //Сварочное про-изводство. 1997. № 9. С.26-29.

3 Pat. 61160888 USA, IC7 G 01 H 13/00. Method of operating a machine for stress relieving workpieces / D. Schneider, C. Vava. – Publ. 12.09.2000.

4 Pat. 6026687 USA, IC7 G 01 H 9/00. Stress testing and relieving method and apparatus / Brent Felix Juri. – Publ. 22.02.2000.

5 Галяш А. А., Васильченко К. И., Чернецов Г. П. Определение частоты нагружения при низкочастотной виброо-бработке сварных конструкций // Сварочное производство. 1992. № 8. С. 35 – 36.

6 Сутырин Г. В. Исследование меха-низма воздействия низкочастотной вибра-ции на кристаллизацию сварочной ванны // Автоматическая сварка. 1975. № 5. С. 7-10.

7 Рагульскис К. М., Стульпинас Б. Б., Толутис К. Н. Вибрационное старение. Л.: Машиностроение, 1987. 72 с.

8 Гиренко В. С. Кирьян В. И. Анализ влияния остаточных напряжений на проч-ность сварных соединений / / Автоматическая сварка. 1975. № 12. С. 1-5.

9 Абрамов В. В. Остаточные напряже-ния и деформации в металлах. Расчёты методом расчленения тела. М.: Машгиз, 1963. 352 с.

10 Ерофеев В. В., Коваленко В. В., Дедюхина К. И. Влияние вибрационной обработки на уровень остаточных напря-жений при изготовлении и ремонте свар-ных металлоонструкций нефтескладов АПК // Актуальные проблемы агроинже-нерии и их инновационные решения: мате-риалы междунар. науч.-практ. конф.(19-21 нояб. 2013 г.). Рязань: РГАТУ, 2013. С. 142-146.

REFERENCES 1 Vibra ts ionnaya obrabotka

metallicheskih detaley /E. A. Soloveva, A. F. Petrov, O. G. Chikalidi, A. M. Kim-Henkina //Himicheskoe i neftyanoe mashinostroenie. 1991. №1. S. 31 – 32. [in Russian].

2 Vliyanie vibroobrabotki na napryazhennoe sostoyanie svarnyih konstruktsiy /V. A. Ionov, V. I. Borisov, A. M. Velbel, V. G. Smirnov //Svarochnoe proizvodstvo. 1997. № 9. S. 26-29. [in Russian].

3 Pat. 61160888 USA, IC7 G 01 H 13/00. Method of operating a machine for stress relieving workpieces / D. Schneider, C. Vava. – Publ. 12.09.2000.

4 Pat. 6026687 USA, IC7 G 01 H 9/00. Stress testing and relieving method and apparatus / Brent Felix Juri. – Publ. 22.02.2000.

5 Galyash A. A., Vasilchenko K. I., Chernetsov G. P. Opredelenie chastotyi nagruzheniya pri nizkochastotnoy vibroobrabotke svarnyih konstruktsiy // Svarochnoe proizvodstvo. 1992. № 8. S. 35 – 36. [in Russian].

6 Sutyirin G. V. Issledovanie mehanizma vozdeystviya nizkochastotnoy vibratsii na kristallizatsiyu svarochnoy vannyi // Avtomaticheskaya svarka. 1975. № 5. S. 7-10. [in Russian].

7 Ragulskis K. M., Stulpinas B. B., Tolutis K. N. Vibratsionnoe starenie. L.: Mashinostroenie, 1987. 72 s. [in Russian].

8 Girenko V. S. Kiryan V. I. Analiz vliyaniya ostatochnyih napryazheniy na prochnost svarnyih soedineniy // Avtomaticheskaya svarka. 1975. № 12. S. 1-5. [in Russian].

9 Abramov V. V. Ostatochnyie napryazheniya i deformatsii v metallah. RaschYotyi metodom raschleneniya tela. M.: Mashgiz, 1963. 352 s. [in Russian].

10 Erofeev V. V., Kovalenko V. V., Dedyuhina K. I. Vliyanie vibratsionnoy obrabotki na uroven ostatochnyih napryazheniy pri izgotovlenii i remonte svarnyih metalloonstruktsiy nefteskladov APK //Materialyi mezhdunar. nauch.-prakt. konf.: Aktualnyie problemyi agroinzhenerii i ih innovatsionnyie resheniya (19-21 noyabr. 2013 g.). Ryazan: RGATU, 2013. S. 142-146. [in Russian].

Гильманшин Р.А., канд. экон. наук, доцент кафедры «Технология нефтяного аппара-тостроения», УГНТУ, г. Уфа, Российская ФедерацияR. A. Gilmanshin, Candidate of Economic Sciences, Associate Professor of the Chair «Technology of Oil Industry», USPTU, Ufa, the Russian Federation

Ерофеев В.В., д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Технология и организация технического сервиса», ФГБОУ ВО «Южно-Уральский государственный аграрный университет» институт «Агроинженерии», г. Челябинск, Российская ФедерацияV. V. Erofeev, Doctor of Engineering Sciences, Professor, Head of the Chair «Technology and Organization of Technical Service», «Southern-the Ural State Agricultural University the Institute of Agricultural Engineering», Chelyabinsk, the Russian Federation e-mail: [email protected]

Шарафиев Р. Г., д-р техн. наук, профессор кафедры «Технология нефтяного аппара-тостроения», УГНТУ, г. Уфа, Российская ФедерацияR. G. Sharafiyev, Doctor of Engineering Sciences, Professor of the Chair «Technology of Oil Industry», USPTU, Ufa, the Russian Federatione-mail [email protected]

Якупов В.М., доцент кафедры «Математика», УГНТУ, г. Уфа, Российская ФедерацияV. M. Yakupov, Associate Professor of the Chair «Mathematics», USPTU, Ufa, the Russian Federation