Завод Высоковольтных Электронных Компонентов "Прогресс"

Предприятие в области производства конденсаторов, варисторов, разработки и производства гидроакустических аппаратурно - технологических комплексов и имеет устойчивое положение на рынках сбыта всего мира.

  • Главная
  • > Ультразвуковая обработка сварных швов

Ультразвуковой ударный инструмент для обработки сварных швов

Наше предприятие занимается разработкой ультразвукового инструмента для снижения остаточных напряжений в сварном шве.

Предприятием была разработана конструкция ультразвукового ударного инструмента для поверхностного пластического деформирования металла сварного шва  и около шовной зоны, обеспечивающих формирование упрочненного поверхностного слоя и снижения остаточных напряжений.


Востребованность данной разработки объясняется следующими факторами:

1) повышение срока эксплуатации магистральных трубопроводов.

2) повышение производительности обработки сварного шва за счет применения ультразвуковых технологий по сравнению с термообработкой;

3) повышение качества за счет снижения остаточных напряжений растяжения

4) сокращение себестоимости процесса за счет уменьшения затрат на электроэнергию по сравнению с термообработкой;


Особенности разрушения магистральных трубопроводов


Часто встречающимися дефектами трубопроводов являются дефекты сварных швов из-за наличия в них напряжений. Различают внутренние (остаточные) и поверхностные напряжения. Первые образуются в сваренных деталях при их охлаждении.


Сварка трубопровода        Они вызывают коробление конструкций, а при повышенных параметрах твердости              могут приводить к появлению внутренних разрывов в металле. Такие                                     напряжения опасны по следующим причинам:

   

       1) Не могут быть выявлены визуальным осмотром.

       2) Не являются постоянными во времени, иногда увеличиваются при эксплуатации              сварного  узла.

       3) Способствуют снижению эксплуатационной стойкости, вплоть до разрушения                  сварного шва.




Наличие поверхностных напряжений выявляется легко по короблению элементов сварной конструкции, особенно в тонкостенных трубах. Такие напряжения легко исправляются после сварки. Однако, если такие напряжения превышают предел прочности металла, то на поверхности появляются трещины.


Трещина на шварном шве трубопроводаСледствием действия напряжений являются возникающие деформации при сварке.

Они могут быть упругими и пластическими.


Упругие деформации возникают в результате действия поверхностных напряжений, когда линейные и объемные параметры металла изменяются: увеличиваются в процессе сварки и уменьшаются при охлаждении зоны сварного шва.


Пластические деформации — следствие необратимых изменений формы изделия под воздействием внутренних напряжений, превысивших предел прочности металла.




Способы снижения остаточных напряжений


Основными способами снижения остаточных напряжений в сварных швах являются:


1)         Термическая обработка различного типа: вибрационная обработка, обработка взрывом.

2)         Ультразвуковая ударная обработка.


Термическое воздействие занимает от 40 минут до 3 часов в зависимости от метода, диапазон темперетур варьируется от 300 до 1100С


Снятие напряжение на сварном шве



На видео представлен процесс термической обработки сварного шва.


Снятие напряжение в сварном шве


На трубу одевается нагревательный элемент, затем рубашка удерживающая тепло.

Это долгий процесс требующий больших энергетических затрат.


Ультразвуковая обработка основана на ударном воздействии бойка с ультразвуковой частотой на обрабатываемый материал с целью преобразования структуры и пластическом деформировании поверхностного слоя.


Конструкция ультразвукового ударного инструмента


Ультразвук – механическая волна, частота которой превышает 20000 Гц. На практике используются частоты от 18 кГц и выше. Для получения ультразвука в основном используются два явления: обратный пьезоэлектрический эффект и магнитострикция.



В разработанной конструкции возбудителем ультразвуковых колебаний является пьезопреобразователь работающий на обратном пьезоэлектрическом эффекте.

Ультразвуковой преобразователь


"Обратный пьезоэлектрический эффектный состоит в том, что пластинки, вырезанные из кристалла кварца, под действием электрического поля сжимаются. Если поместить такие пластинки между электродами, на которые подаётся переменное напряжение, то пластины придут в вынужденные колебания. Колебания приобретают наибольшую амплитуду, когда частота изменений электрического напряжения совпадает с частотой собственных колебаний пластин. Колебания пластина передаются на обратную и фронтальную массы. Так как обратная масса изготавливается из материала с плотностью выше фронтальной, ультразвуковая волна распространяется во второй, тем самым порождая продольные ультразвуковые колебания в твердом теле (волноводе) которые затем передаются на боек."



Практическое использование ультразвукового ударного инструмента


Ультразвуковой ударный молот

  Моделирование ультразвуковой колебательной системы проводилось в CAE системе COMSOL Multiphysics. Это универсальная программная платформа для моделирования прикладных задач.


  На изображении представлена анимация колебаний волновода в увеличенном масштабе для большей наглядности процесса. На нижнем торце волновода зафиксировано 22000 колебаний в секунду, амплитуда колебаний составила 0,41 мм. Расчетная рабочая частота инструмента  22кГц.










На изображении представлен ульзтразвуковой молот производства ООО «ЗВЭК «Прогресс».


  • Ультразвуковой инструмент для обработки сварных швов
  • Ультразвуковой инструмент для обработки сварных швов
  • Ультразвуковой инструмент для обработки сварных швов
  • Ультразвуковой инструмент для обработки сварных швов

Инструмент предназначен для упрочняющей обработки сварных соединений методом поверхностного пластического деформирования на ультразвуковой частоте. Оказывает комплексное воздействие на сварное соединение: снижает концентрации напряжений нагрузки в сварном соединении, создает упрочняющий слой с повышенной сопротивляемостью к образованию трещин, выгодно перераспределяет остаточные сварочные напряжения в сварном шве и около шовной зоне, циклическая долговечность сварного соединения повышается до уровня основного металла.


На видео показан принцип обработки сварного шва инструментом.


Ультразвуковая обработка сварного шва

Ультразвуковая обработка сварного шва

















Проведено испытание на растяжение низколегированных сталей. Сварных образцов и образцов, не имеющих сварного соединения. Выявлено что временное сопротивление у сварного образца больше, чем у цельного, а предел текучести и относительное удлинение меньше.


Испытание на растяжение



Временное сопротивление разрыву σв, – это напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке РВ предшествующей разрушению образца.

Предел текучести (σт) – это напряжение (Рт) при котором образец деформируется (течет) без заметного увеличения нагрузки

Относительное удлинение δ представляет собой отношение приращения длины образца после его разрыва к первоначальной расчетной длине l0 и выражается в процентах:

где lк – длина образца после разрыва.



Были проведены исследования микроструктуры сварных соединений стыков труб, изготовленных из низколегированной стали 09Г2С.


Микроструктура основного металла трубы

Микроструктура основного металла трубы  Микроструктура основного металла трубы (х500):

 Слева исходная

 Справа после ультразвуковой ударной обработки


  Измельчение зерен в структуре металла в следствие увеличение

 микротвердости на поверхности обрабатываемого участка





На изображении представлены микроструктуры образцов, до и после ультразвуковой ударной обработки. Структура основного металла представляет собой мелкозернистую ферритно-перлитную смесь. На рисунке слева металл шва имеет дендритную структуру. В переходной зоне наблюдается обезуглероживание на границе между металлом шва и основным металлом вследствие сильного нагрева в процессе сварки. На рисунке справа после ультразвуковой ударной обработки в переходной зоне наблюдается измельчение зерен в результате которого повышается микротвердость.



Определение остаточных напряжений
в сварном шве до и после ультразвуковой ударной обработки


 Определены остаточные напряжения в сварном шве до и после ультразвуковой ударной обработки с помощью сканера механических напряжений «StressVision». На сварной шов и околошовную зону наносится координатная сетка, затем проводят сканирование. В результате мы получаем картограммы разности напряжений. Сравнение картограмм разности главных механических напряжений показало, что ультразвуковая обработка значительно изменила напряженное поле сварного шва.



 Если до обработки мы наблюдаем концентрацию полей напряжений в самом шве, то после обработки напряжения размываются в около шовную зону. Это приводит к снижению остаточных растягивающих напряжений в шве и получение более равномерного поля напряжений.


 

Результаты

 

В результате ударная обработка позволяет повысить срок службы сварных соединений трубопровода примерно на 10 лет.

При обработке сварного шва термообработкой стоимость строительства трубопроводов значительно увеличивается за счет больших энергетических затрат.

 

Ультразвуковая ударная обработка потребляет значительно меньшее энергии за счет уменьшения времени на обработку.

Таким образом уменьшаются затраты на обработку сварного шва и увеличивается срок службы трубопроводов.

 

Если вас интересует данное оборудование отправьте запрос на почту: koshkurm@zvekprogress.ru