Виброобработка — относительно новый способ снятия напряжений в металле после сварки. Смысл виброобработки сводится к тому, что к сварной конструкции крепится электромеханический вибровозбудитель и после его включения в металле возникают низкочастотные колебания, которые, по утверждениям производителей, снимают напряжения микроструктуры сварного шва и околошовной зоны. На рынке промышленного оборудования уже достаточно много компаний, которые занимаются изготовлением данной продукции. Ниже представлены общие положения их технологии виброобработки.
Практика сварочного производства показывает, что получаемые сварные соединения имеют иные прочностные характеристики, чем основной металл. Кроме этого, в сварном шве образуются остаточные напряжения, которые снижают запас прочности, а деформации, вызванные сваркой, искажают геометрию всего изделия. Такие несплошности металла характерны для большинства сварных соединений, но они являются естественными, т.к. основаны на физико-химических процессах, происходящих в сварном шве и в околошовной зоне.
Общепринятый вид снятия напряжений - термическая обработка (отпуск для снятия напряжений) не всегда является допустимой. Например, отпуск или отжиг для снятия сварочных напряжений не применяют для предварительно термически обработанных металлов или металлов, которые склонны к образованию хрупких структур (мартенситные стали).
Альтернативным вариантом термического снятия напряжений в металле является низкочастотная вибрационная обработка. Она оказывает сильное воздействие на металл в твердом состоянии и позволяет снизить напряжения во всей конструкции и стабилизировать геометрические размеры. На основании процессов, происходящих в металле при виброобработке были разработаны аппараты для снятия сварочных напряжений.
Сущность процесса низкочастотной виброобработки заключается в воздействии на металл конструкции знакопеременными нагрузками на резонансных или околорезонансных частотах, которые создаются с помощью электромеханических вибровозбудителей. Стабилизация размеров с помощью низкочастотной виброобработки обеспечивается за счет снижения и/или перераспределения напряжений первого рода (напряжения, уравновешивающиеся в масштабе всего объема изделия или его крупных элементов). Снижение остаточных напряжений происходит за счет перехода механической энергии вибрации в тепловую, которая способствует снижению сопротивляемости металла ползучести и межкристаллитным перемещениям под действием возникших напряжений.
Метод низкочастотной вибрационной обработки металлоконструкций для снятия остаточных механических напряжений позволяет:
- улучшить и стабилизировать структуру металла сварного шва и околошовной зоны;
- уменьшить деформации, вызванные сваркой;
- снизить концентрации напряжений в соединении;
- создать выгодное перераспределение остаточных сварочных напряжений в сварном шве и околошовной зоне;
- повысить циклическую долговечность сварного соединения до уровня основного металла.
Преимущества низкочастотной вибрационной обработки по сравнению с термической обработкой:
- оборудование является универсальным для различных конструкций, компактным и мобильным;
- улучшение экологических условий производства;
- поверхность деталей после обработки не претерпевает заметных физико-механических изменений (нет окалины, шлака, цветов побежалости и т. п.);
- значительная экономия трудоемкости и станкоемкости;
- стоимость оборудования и затраты на обслуживание относительно невелики.
Написано вроде хорошо, все в рамках приличия теории термообработки и металловедения. Но дело в том, что процесс снятия сварочных напряжений виброобработкой или термическими методами относится к так называемым спецпроцессам (ISO 9000), т. е. процессам, при которых подтверждение качества конечной продукции затруднительно или экономически нецелесообразно, а все недостатки процесса обработки выявляются при эксплуатации изделия.
Действительно, количество, а главное величину сварочных напряжений до и после виброобработки или отжига проконтролировать очень сложно. В настоящее время наиболее прогрессивным методом определения напряжений и деформаций при сварке является компьютерное моделирование с использованием специализированного программного обеспечения, основанного на методе конечных элементов [И.Д. Сальманов, М.Ю. Барановский, В.А. Тарасов., статья «Остаточные напряжения и деформации при сварке», журнал «Строительство уникальных зданий и сооружений», №12(27), 2014].
Как такой метод контроля оперативно использовать в условиях реального производства?
В качестве термических методов снятия сварочных напряжений применяется полный отжиг, нормализация, отжиг для снятия напряжений (без перекристаллизации металла). Здесь вроде все понятно! Многие ученые в своих работах очень детально объяснили процессы, происходящие в напряженном металле при нагреве. Например, если почитать книги Ю.М. Лахтина, то станет ясно, что движущей силой выравнивания атомного строения и микроструктуры напряженного металла, является температура. При повышении температуры в сварном (напряженном) шве «разгоняются» дислокации, начинается рекристаллизация или перекристаллизация. Какие факторы и каким образом действуют на микро- и субструктуру металла при виброобработке не чётко отражено в предложениях производителей виброоборудования.
В данной статье, отражены только самые объективные проблемы использования технологии виброобработки, которые, как мы надеемся, могут быть решены. Вообще, способ борьбы со сварочными напряжениями и деформациями — личный выбор каждого производителя металлических сварных изделий. А долговечная и безопасная работоспособность таких изделий - его личная ответственность
