Введение к работе
Диссертационная работа посвящена дальнейшему развитию представлений о физическом механизме снятия и направленного изменения полей сварочных остаточных напряжений обработкой взрывом (ВзО) и разработав на этой основе новых технологий, которые имеют целью существенное повышение сопротивления сварных соединений утомительным разрушением, а также замедление развития трещин усталости и предотвращение их перехода в вязкие. Актуальность темы. Одним из основных факторов, которые во многом определяют работоспособность сварных металлоконструкций, является наличие сварных швов, которые существенным образом отличаются за своими физико-химическим и структурным свойствами, а также напряженным состоянием, от таковых основного металла. Недостаточно обоснованный учет влияния перечисленных факторов на долговечность и несущую способность сварных конструкций на стадиях проектирования, расчета, изготовление и эксплуатации может приводить к их преждевременному выходу из порядка. Установлено, что до 80% разрушений сварных конструкций в машиностроении: являются хрупкими. Известные случаи существования в сварных конструкциях третий усталости, которые развиваются, например, в элементах пролетных строений железнодорожных мостов, подкрановых балках, стрелах экскаваторов и т.д. Изменение условий нагружения или случайное ударное нагружение, в особенности в условиях низких климатических температур, могут привести произвольный переход имеющихся в сварных конструкциях трещин усталости в хрупкие. В особенности остро стоит эта проблема для низколегированных сталей повышенной прочности, которые находят все большее распространение и для которых являть характерным резкое уменьшение сопротивления разрушению при переходе от вязкого к хрупкому. В этой связи задача повышения надежности сварных металлоконструкций с помощью дополнительных послес-варочных обработок является весьма актуальной и имеет важное народнохозяйственное значение. Предложенные в работе новые технологические решения этой задачи, основанные на применении энергии взрывчатых веществ (ВВ), позволяют значительно повысить сопротивляемость сварных соединений вязким и хрупким разрушением. Связь диссертации с научными программами, планами, темами. Работа выполнена в отделе сварки, резки, и обработки сварных швов взрывом. В работе обобщенные результаты теоретических и экспериментальных исследований, которые выполнялись по тематическим планам Института электросварка им. Е.О.Патона НАН Украины соответственно научно-технической проблеме 0.72.01 Координационного плана ГКНТ СССР, а также в соответствии с планами научно-исследовательских и хоздоговорных работ ИЭС.
Цель работы состояла в оптимизации технологии обработки взрывом сварных соединений металлоконструкций путем анализа напряженно-деформированного состояния металла при его локальном взрывном нагружении и создание на этой основе новых методических разработок, которые позволяют назначать режимы обработки взрывом сварных соединений металлоконструкций с целью повышения их сопротивляемости усталостным и хрупким разрушениям за счет создания максимальных ОН в сравнительно тонких приповерхностных слоях сварного соединения, то есть в тех зонах, состояние которых главным образом определяет их циклическую долговечность, и научно обоснованное изыскание областей и объектов машиностроения для практического применения разработанных технологических решений.
В соответствии со сформулированной целью в работе поставлены следующие задачи:
исследовать механизм формирования поля остаточных напряжений (ОН) сжатия в приповерхностных слоях металла при его локальном нагружении взрывом и разработать расчет-но-экспериментальную методику определения оптимальных режимов взрывного нагруже-ния, которая позволяла бы связать геометрию наклепанной взрывом зоны и степень упрочнения металла в этой зоне, которые обнаруживаются путем простого измерения увеличений твердости, с величиной и характером распределения ОН сжатия, которые наводятся в приповерхностном слое металла;
провести комплексные экспериментальные исследования сопротивления усталости сварных соединений с разной концентрацией напряжений низко- и микролегированных, высокопрочных и аустенитных сталей в многоцикловой области нагружения после обработки взрывом, в том числе при ударном приложении нагрузки;
исследовать эффективность применения ВзО сварных соединений с трещинами с целью повышения их сопротивляемости хрупкому разрушению при низких температурах, для снижения скорости развития в металлоконструкциях трещин усталости, а также предотвращение развития разрушений, инициированных трещинами усталости;
изыскать новые области и объекты рационального использования в народном хозяйстве результатов выполненных технологических разработок. Объекты и методы исследований. Объектами исследований являлись сварные образцы и из делил из конструкционных сталей, которые испытывают переменные и ударные нагрузки Использовали стандартные взрывчатые материалы на основе гексогена (шнуровые и поло совые заряды). Испытания проводили на, динамических пульсаторах разной мощности < частотой нагружение преимущественно 7 Гц. Оценку напряженно-деформированного со стояния сварных соединений проводили с помощью деформометра, тензодатчиков сопро
тивления и магнитоупругим способом с помощью специально сконструированного при участии автора прибора SMMT-2. Применяли стандартные механические испытания, в том числе по критериям механики разрушения. Результаты экспериментов обрабатывали методами теории вероятности и математической статистики с привлечением компьютерной техники.
Научная новизна полученных результатов работы состоит в создании новых расчетно-экспериментальных методов оптимизации режимов взрывного нагружения сварных соединений и технологических схем их обработки взрывом, направленных на значительное повышение эксплуатационной надежности металлоконструкций, главным образом при циклическом (гармоническом и ударном) нагруженин и в условиях низких температур климатического и криогенного диапазонов, расширение области практического применения технологии ВзО сварных соединений металлоконструкций ответственного назначения, которое имеет важное народнохозяйственное значение.
На защиту выносятся:
-
Разработка нового подхода к анализу механизма формирование результирующего напря-женно-где-формированяого состояния приповерхностных слоев сварных соединений после ВзО с учетом наиболее важных параметров взрывное нагружения, которые включают особенности организации зарядов ВВ, выбора типа и геометрии инертных прокладок, «забивки» заряда, характеристик прочности обрабатываемого материала, а также предотвращения возможных повреждений его поверхности;
-
Усовершенствование механического неразрушающего способа оценки ОН в металле в результате приложения внешней нагрузки, в основу которого положено прослеживание за изменением упругой деформации специально выделяемой в исследуемом объекте «эталонной» зоны и обоснование того, что эта деформация является показателем меры снижения ОН;
-
Предложенный феноменологический прием оценки величины и характера распределения ОН, которые наводятся ВзО шнуровыми и полосовыми зарядами ВВ, в том числе с использованием инертных демпфирующих прокладок, на основании впервые установленной однозначной взаимосвязи между увеличением твердости (взрывным наклепом металла), которые обнаруживаются путем простых его измерений, и величиной ОН в напряженно-деформированном следе (НДС), который формируется в металле в результате ВзО, детальное исследование его структуры в поверхностном слое и по толщине обработанного взрывом металла;
і. Обоснование оптимальности использования для решения задач, связанных с повышением сопротивления усталости сварных соединений в многоцикловой области нагружения штат-
ных шнуровых зарядов ВВ, которые устанавливаются на обрабатываемую поверхность через демпфирующие прокладки, а также обоснование того, что варьирование толщины и акустической жесткости последних позволяет формировать импульс взрывное нагружение необходимой формы, амплитуды и продолжительности в зависимости от цели ВзО;
-
Комплекс экспериментальных исследований характеристик усталости и сопротивления хрупким разрушениям сварных соединений разных классов прочности с разной концентрацией напряжений, в том числе при низкотемпературных испытаниях и испытаниях в агрессивной среде, которыми однозначно доказана высокая эффективность ВзО, как меры повышения эксплуатационной надежности сварных конструкций ответственного назначения;
-
Использование ВзО для повышения сопротивления усталости или для обеспечения размерной стабильности новых объектов промышленности Украины и некоторых других стран.
Практическое значение полученных результатов. Проведенные исследования послужили основой для разработки и внедрения технологических процессов ВзО сварных металлоконструкций ответственного назначения;
о на Днепровском заводе металлоконструкций им. И.В.Бабушкина при изготовлении по заказу Института космических исследований элементов поворотного устройства радиотелескопа 070 м;
о на Воронежском мостовом заводе при изготовлении цельносварного мостового пролетного строения нового поколения и проведения его испытаний;
о на Белорусском автомобильном заводе при изготовлении ободьев колес и рам большегрузных самосвалов;
о в ПО "Атоммаш" при изготовлении корпуса МГД-генератора с суммарным экономическим эффектом более 1 млн. рублей (в ценах 1990г.);
о на Ташлыкской ГАЭС при монтаже водоводов;
о при строительстве и эксплуатации глиноземного завода «Бирач» (Югославия);
о в ПО «Якутгазпром» для повышения сопротивляемости газопровода против хрупких разрушений при низких климатических температурах;
о в Управлении механизации «Якутавтодор» при ВзО толкающих брусьев бульдозеров.
Личный вклад соиск-ателя. По инициативе и при непосредственный непосредственном участии автора являла разработанная феноменология ускоренного нетрудоемкого определения оптимальных режимов взрывного нагружения соединений шнуровыми зарядами с использованием промежуточных инертных прокладок, и обоснование возможности целенаправленного регулирования параметров НДС, который образуется в металле при ВзО. В содружества с рядом научных сотрудников Института электросварки и других отечественных и зарубежных на-
умных учреждений выполнены многочисленные эксперименты по оптимизации режимов ВзО и выявлена степень ее положительного влияния на характеристики усталости и поведение сварных соединений в области вязко-хрупкого перехода Автором организована и проведена ВзО сварных соединений металлоконструкций, в том числе в монтажных и цеховых условиях с использованием средств защиты от вредного побочного действия взрыва.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четверых глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы и прибавлению. Она содержит 170 страниц машинописного текста с 112 рисунками и 6 таблицами, библиография насчитывает 157 наименований.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на VII и VIII Всесоюзных совещаниях по свариванию, резанию и обработке металлов взрывом (1981, Новосибирск; 1986, Новосибирск; 1987, Киев; 1990, Минск), Межотраслевой конференции "Усталостные свойства материалов в условиях криогенных температур" (1987, Ленинград, СССР), Международных конференциях, симпозиумах и конгрессах: "Применение энергии взрыва для производства металлических материалов с новыми свойствами (1988, Пардубице, ЧССР), "Высокоэнергетическое воздействие на материалы" (1986, Новосибирск, СССР), Конгрессах Международного института сваривания (1989, Хельсинки, Финляндия; 1991, Гаага, Нидерланды), Международных конференциях молодых ученых в области сварки и смежных технологий (1989,1990, Киев, СССР).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 45 печатных работ, в том числе получено 27 авторских свидетельств СССР на изобретения.