Способ получения остаточных напряжений растяжения на лицевой и напряжений сжатия на тыльной сторонах сварного соединения толщиной ≤10 мм Российский патент 2018 года по МПК C21D7/06 

Изобретение относится к области сварки, а именно к оптимизации напряженного состояния сварных соединений и может быть использовано при производстве сварных изделий, работающих под высокими нагрузками или высоким давлением.

На настоящий момент сведений о способах получения остаточных напряжений разного знака (растяжения и сжатия) на лицевой и тыльной стороне пластин толщиной ≤10 мм, составляющих сварное соединение, по доступным литературным источникам не обнаружено.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение долговечности, снижение склонности к трещинообразованию сварных изделий, работающих в условиях высоких нагрузок и давлений.

Технический результат достигается тем, что в способе получения остаточных напряжений растяжения на лицевой и напряжений сжатия на тыльной стороне сварного соединения толщиной ≤10 мм производят выстрелы в зону сварного шва на лицевой стороне сварного соединения с кинетической энергией пуль, обеспечивающей их проникновение на 4/5 толщины пластин, составляющих соединение, что вызывает напряжения растяжения на лицевой с вмятинами от пуль стороне пластин и напряжения сжатия на тыльной с выпуклостями от пуль стороне пластин, вмятины при необходимости заваривают.

На основании патентного поиска, проведенного по доступным источникам информации, отличительных признаков, указанных в формуле предполагаемого изобретения не обнаружено.

В связи с этим, данное техническое решение соответствует критерию «существенные отличия».

Пример осуществления способа. Формировали остаточные напряжения разного знака в образце. В качестве образца взяли стыковое соединение двух пластин из стали Ст3 с габаритами 200×100×10 мм каждая, сваренное штучными электродами УОНИ 13/55 (ГОСТ 9466-75) диаметром 3 мм двумя проходами на стандартном режиме. Дефектов соединение не имело, усиление шва не снимали.

На лицевую и тыльную сторону пластин образца наносили координатные сетки с ячейками 10×10 мм. Общее число узлов сетки с каждой стороны по 304.

В условиях стрелкового полигона образец закрепили струбцинами на стенде. Обеспечили выполнение всех предусмотренных правил безопасности при использовании служебного и охотничьего нарезного огнестрельного оружия.

В зону сварного шва на лицевой стороне образца произвели пять выстрелов из карабина самозарядного «Сайга» калибром 7,62 мм, предназначенного для промысловой и любительской охоты. Патроны «Сапсан» 7,62×39 с массой пули 8 грамм. Скорость пули 710 м/с. Кинетическая энергия каждой пули составила 2016 Дж и оказалась достаточной для проникновения на глубину равную 4/5 толщины пластин. При этом с лицевой стороны образца углубления от пуль имели круглые, ровные, без трещин и разрывов края, а на тыльной стороне появились 5 выпуклостей в соответствии с числом выстрелов. Выпуклости также не имели трещин и надрывов поскольку произошло пластическое деформирование.

Измерения в узлах сетки производили физическим, неразрушающим, магнитоупругим методом (МУМ) с помощью прибора ИМН-4М разработки Воронежского государственного технического университета. Величина базы измерений магнитоупругого датчика, входящего в комплект прибора, 5 мм. Время измерений в одной точке (узле) менее 1 минуты. Затраты времени на измерения с двух сторон не превысили 9 часов. Все работы выполнялись одним оператором.

По результатам замеров МУМ в узлах координатной сетки углов наклона касательных к траекториям главных напряжений построили поля траекторий (изостат) на лицевой стороне образца (фиг. 1) и на его тыльной стороне (фиг. 2) [Кучер А.Т., Семыкин В.Н. Совершенствование методики и аппаратуры для определения остаточных сварочных напряжений магнитоупругим способом // Сварочное производство, 1995. №10. С. 32-33]. Картины этих полей отличаются радикально. Так, на фиг. 1 траектории наибольших главных напряжений (они показаны тонкими сплошными линиями) устремляются непосредственно к пробоинам, а фиг. 2 показывает направленность траекторий наименьших главных напряжений (они показаны штриховыми линиями) к выпуклостям от выстрелов. На фиг. 1 пробоины обозначены кружками, а на фиг 2 выпуклости обозначены кружками с перекрестиями.

Вдоль линии 3-3 измерили и количественные значения продольных σ_x и поперечных σ_y относительно сварного шва остаточных напряжений. Результаты представлены на эпюрах фиг. 3 и фиг. 4 для лицевой и тыльной сторон образца соответственно. Оказалось: вдоль линии 3-3 на лицевой стороне преобладают растягивающие поперечные напряжения α_y с уровнем, превышающим +60 МПа. Вдоль той же линии 3-3 на тыльной стороне сформировались двухосные напряжения сжатия с уровнем продольных σ_x до - 70 МПа, поперечных σ_y до - 130 МПа. Таким образом, 5 выстрелов с проникновением пуль на 4/5 толщины сварного соединения обеспечили в нем напряжения разного знака (растяжения и сжатия) на лицевой и тыльной стороне. При необходимости вмятины от пуль могут быть заварены.

Способ может быть полезен: 1) при проектировании сварных консольных балок, работающих на изгиб; 2) для упрощения конструирования равнопрочных деталей; 3) для компенсации эксплуатационных напряжений в сварных изделиях типа асимметричных профилей, кронштейнов; 4) при рационализации силовых схем (т.е. способов восприятия и замыкания главных действующих в сварных конструкциях нагрузок) без введения специальных элементов, увеличивающих массу; 5) для регулирования местных напряжений; 6) для компенсации перегрузок вследствие превышения расчетных режимов при эксплуатации; 7) для компенсации снижения характеристик прочности в связи с повышением температуры при работе изделий; 8) при проектировании деталей гидро и пневмосистем, работающих при высоком давлении.

Технико-экономический эффект предполагаемого способа заключается в повышении долговечности, усталостной прочности и стойкости к трещинообразованию сварных изделий в машиностроении, строительстве, производстве гидро и пневмосистем высокого давления, обеспечении стабильности их геометрических форм за счет оптимизации путем регулирования их напряженного состояния. Это снижает вероятность разрушения или недопустимых деформаций ответственных изделий сварочного производства.

Изобретение может быть использовано при производстве сварных изделий из пластин толщиной ≤10 мм, работающих в условиях высоких нагрузок и давлений. Осуществляют пластическое деформирование зоны сварного шва путем выстрелов в зону сварного шва с лицевой стороны сварного соединения. Подбирают кинетическую энергию пуль, обеспечивающую их проникновение на 4/5 толщины пластин. С лицевой стороны сварного соединения получают вмятины от пуль, обусловливающие напряжения растяжения, а с его тыльной стороны - выпуклости от пуль, обусловливающие напряжения сжатия на тыльной стороне сварного соединения пластин. Полученные от выстрелов вмятины заваривают. Способ обеспечивает оптимизацию остаточного напряженного состояния сварного соединения, что приводит к снижению склонности к трещинообразованию сварных изделий. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 пр.

1. Способ получения сварного изделия из пластин толщиной ≤ 10 мм с остаточными напряжениями растяжения на лицевой и напряжениями сжатия на тыльной сторонах сварного соединения, включающий пластическое деформирование зоны сварного шва путем выстрелов в зону сварного шва с лицевой стороны сварного соединения с кинетической энергией пуль, обеспечивающей их проникновение на 4/5 толщины пластин, при этом с лицевой стороны сварного соединения получают вмятины от пуль, обусловливающие напряжения растяжения, а с его тыльной стороны - выпуклости от пуль, обусловливающие напряжения сжатия на тыльной стороне сварного соединения пластин.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что полученные от выстрелов вмятины заваривают.