способ ультразвуковой обработки сварных металлоконструкций

Классы МПК:C21D1/04 с одновременным использованием ультразвука, магнитных или электрических полей 
C21D9/50 для сварных швов 
C21D7/06 путем наклепа и тп 
Автор(ы):
Патентообладатель(и):Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2010-04-06
публикация патента:

Изобретение может быть использовано в различных отраслях машиностроения, например строительстве мостов, судостроении, нефтяной и газовой промышленности, для ультразвуковой релаксационно-упрочняющей обработки металлоконструкций, например околошовных зон и швов сварных соединений и других поверхностей. Способ ультразвуковой релаксационно-упрочняющей обработки сварных швов включает статическое нагружение сварного шва и ультразвуковое воздействие на сварной шов с помощью ультразвукового инструмента-волновода посредством акустической системы, при этом ультразвуковое воздействие на сварной шов производят с помощью пьезокерамической акустической системы путем подачи на нее синусоидальных частотно-модулированных ультразвуковых колебаний. Технический результат заключается в снятии остаточных напряжений в сварных соединениях. 1 пр., 1 табл., 2 ил. способ ультразвуковой обработки сварных металлоконструкций, патент № 2447162

Рисунки к патенту РФ 2447162

способ ультразвуковой обработки сварных металлоконструкций, патент № 2447162 способ ультразвуковой обработки сварных металлоконструкций, патент № 2447162

Изобретение относится к области ультразвуковой релаксационно-упрочняющей, сопровождающейся пластическим деформированием и озвучиванием обрабатываемой поверхности ультразвуком, и пассивирующей обработки, и может быть использовано в различных отраслях машиностроения, например строительстве мостов, судостроении, нефтяной и газовой промышленности, для ультразвуковой релаксационно-упрочняющей обработки металлоконструкций, например околошовных зон и швов сварных соединений и других поверхностей.

Как известно, в основе ультразвуковой виброударной обработки твердых тел лежит ряд сложных физических явлений, которые можно разделить на две группы:

1) явления, связанные с локальным воздействием вибрирующего инструмента на обрабатываемую поверхность: пластическое деформирование или хрупкое разрушение поверхностных слоев, изменение сил трения на границе «инструмент - изделие», выделение тепла и повышение температуры на границе двух колеблющихся деталей - граничная диссипация (рассеяние механической энергии и переход ее в тепловую);

2) явления в объеме обрабатываемой детали, связанные с действием ультразвуковых деформаций (это явление называют звуковой деформацией), вызванных ультразвуковыми волнами: ускорение диффузии и диффузионных превращений, увеличение скорости ползучести или релаксации напряжений, снижение сопротивления пластическому деформированию, акустические потери в материале - объемная диссипация энергии, и др.

Известен способ ультразвуковой обработки (см. а.с. № 683873 СССР, МПК2 B23K 28/00, опубл. 05.09.79, БИ № 33), в котором с целью повышения сопротивляемости возникновению холодных трещин обработку выполняют по следующему режиму: статическая нагрузка 40способ ультразвуковой обработки сварных металлоконструкций, патент № 2447162 50 кгс; амплитуда колебаний торца волновода на холостом ходу 60способ ультразвуковой обработки сварных металлоконструкций, патент № 2447162 65 мкм; скорость обработки 18способ ультразвуковой обработки сварных металлоконструкций, патент № 2447162 20 м/час; частота колебаний 18способ ультразвуковой обработки сварных металлоконструкций, патент № 2447162 22 кГц; в качестве источника ультразвуковых колебаний использовался магнитострикционный преобразователь (акустическая система), принятый за прототип.

Вышеописанный способ, принятый за прототип, позволяет очистить сварочный шов и околошовную зону от окалины; сформировать нужный радиус сопряжения сварного соединения с одновременным устранением сварочных дефектов типа подрезов; повысить циклическую прочность сварного соединения за счет снижения величины и концентрации механических напряжений в шве и околошовной зоне; создать на поверхности шва и околошовной области упрочненную зону с повышенной устойчивостью к образованию трещин и коррозии. Эффективность технологии характеризуется локальным воздействием вирирующего инструмента на обрабатываемую поверхность путем создания поверхностного наклепа методом ультразвуковой виброударной обработки.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что для снижения технологических остаточных напряжений практически не используются явления, связанные с действием ультразвуковых деформаций в объеме обрабатываемой детали, вызванных ультразвуковыми волнами.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Для снятия остаточных напряжений в металлоконструкциях на пьезокерамическую акустическую систему подают синусоидальные частотно-модулированные ультразвуковые колебания. При этом не наблюдается скачкообразного изменения амплитуды ультразвукового сигнала, в силу этого в поверхностном слое образуются равномерно изменяющиеся остаточные напряжения, и из-за уменьшения коэффициента затухания синусоидального сигнала обеспечивается увеличение степени наклепа обрабатываемой поверхности детали, а также повышается действие ультразвуковых деформаций в объеме обрабатываемой детали, что положительно сказывается на перераспределении остаточных напряжений в объеме обрабатываемой детали.

Технический результат - повышение эффективности снятия остаточных напряжений в неразъемных соединения металлоконструкций; улучшение эксплуатационных характеристик изделий - усталостной прочности, контактной жесткости, износостойкости, коррозионной стойкости, надежности сварного соединения.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что заявляемый способ включает статическое нагружение сварного шва и ультразвуковое воздействие на сварной шов с помощью ультразвукового инструмента-волновода посредством акустической системы.

Особенность заключается в том, что ультразвуковое воздействие на сварной шов производят с помощью пьезокерамической акустической системы путем подачи на нее синусоидальных частотно-модулированных ультразвуковых колебаний с частотой 20 кГц. Это приводит к значительному снятию остаточных напряжений в сварных соединениях металлов. Режимы обработки, включающие статическое нагружение ультразвукового инструмента, скорость обработки и амплитуда колебаний торца волновода, назначаются в зависимости от оптимального для данных условий обработки снятия остаточных напряжений, определяемого экспериментально для каждого конкретного случая, обусловленного маркой (марками) обрабатываемого материала и его толщиной, параметрами электрического тока и маркой электрода (для электродуговой сварки), параметрами шва и др.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата.

На фиг.1 - схема устройства, реализующая предлагаемый способ; на фиг.2 - иллюстрация ультразвуковых сигналов: а) без модуляции; б) частотная модуляция.

Инструментом для обработки (фиг.1) служит пьезокерамический преобразователь 1 с коническим волноводом 2, далее поз.1 и 2 объединены под общим названием «пьезокерамическая акустическая система», перемещаемая по сварному шву и прижимаемая к нему статической нагрузкой Pcm.

Способ ультразвуковой обработки сварных металлоконструкций заключается в том, что ультразвуковое воздействие на сварной шов производят с помощью пьезокерамической акустической системы путем подачи на нее синусоидальных частотно-модулированных ультразвуковых колебаний (фиг.2,б) с частотой 20 кГц от ультразвукового генератора (условно не показан) через кабель 3 (см. фиг.1). А режимы обработки - статическая нагрузка Pcm, скорость обработки и время обработки определяются экспериментально, для каждого конкретного случая, обусловленного маркой (марками) обрабатываемого материала и его толщиной, параметрами электрического тока и маркой электрода (для электродуговой сварки), параметрами шва и др.

Вследствие введения энергии синусоидальных частотно-модулированных ультразвуковых колебаний (см. фиг.2,б) в сочетании с оптимальными режимами обработки ускоряются процессы релаксации остаточных сварочных и технологических напряжений не только в области шва и околошовной области, но и во всем объеме обрабатываемой детали.

Пример, В экспериментальных исследованиях использовались образцы в виде пластин прямоугольной формы 4 (см. фиг.1) из конструкционной углеродистой качественной стали 20 толщиной 10 мм, сваренных между собой при помощи электродуговой сварки.

Амплитуда колебаний насадка 5способ ультразвуковой обработки сварных металлоконструкций, патент № 2447162 15 мкм, рабочая частота 20 кГц, номинальная мощность ультразвукового генератора 50 Вт, продольная скорость стола станка 3,1 м/мин, статическая сила прижима пьезокерамической акустической системы 10 Н.

Параметры ультразвукового сигнала вырабатываемого ультразвуковым генератором (при включенной в цепь пьезокерамической акустической системе) (см. фиг.2):

Вид ультразвукового сигнала Первый импульс 5 Второй импульс 6 Частота следования импульсов способ ультразвуковой обработки сварных металлоконструкций, патент № 2447162 и, кГц
Амплитуда U1, В Частота способ ультразвуковой обработки сварных металлоконструкций, патент № 2447162 1, кГц Амплитуда U2, В Глубина модуляции, % Частота способ ультразвуковой обработки сварных металлоконструкций, патент № 2447162 2, кГц
Без модуляции (см. фиг.2,а) 0способ ультразвуковой обработки сварных металлоконструкций, патент № 2447162 45018,6 - -- -
Частотная модуляция (см. фиг.2,б) 0способ ультразвуковой обработки сварных металлоконструкций, патент № 2447162 45020,0 0способ ультразвуковой обработки сварных металлоконструкций, патент № 2447162 337,525 12,5 1

В результате проведенных исследований установлено, что использование энергии синусоидальных частотно-модулированных ультразвуковых колебаний (см. фиг.2,б) позволяет снизить остаточные напряжения на 27способ ультразвуковой обработки сварных металлоконструкций, патент № 2447162 29%, при этом ультразвуковые колебания без модуляции (см. фиг.2,а) позволяют снизить остаточные напряжения на 20способ ультразвуковой обработки сварных металлоконструкций, патент № 2447162 22%.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ ультразвуковой релаксационно-упрочняющей обработки сварных швов, включающий статическое нагружение сварного шва и ультразвуковое воздействие на сварной шов с помощью ультразвукового инструмента-волновода посредством акустической системы, отличающийся тем, что ультразвуковое воздействие на сварной шов производят с помощью пьезокерамической акустической системы путем подачи на нее синусоидальных частотно-модулированных ультразвуковых колебаний.


Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2447162

patent-2447162.pdf
Патентный поиск по классам МПК-8:

Класс C21D1/04 с одновременным использованием ультразвука, магнитных или электрических полей 

Патенты РФ в классе C21D1/04:
способ подготовки структуры стали к дальнейшей термической обработке -  патент 2526341 (20.08.2014)
способ термической обработки магнитотвердых сплавов системы железо-хром-кобальт -  патент 2511136 (10.04.2014)
способ термической обработки деформируемых магнитотвердых сплавов на основе системы железо-хром-кобальт -  патент 2495140 (10.10.2013)
способ термомагнитной обработки анизотропных магнитомягких материалов -  патент 2494153 (27.09.2013)
способ упрочняющей обработки тяжелонагруженных элементов металлических конструкций и устройство для его осуществления -  патент 2476605 (27.02.2013)
способ криогенной обработки аустенитной стали -  патент 2464324 (20.10.2012)
способ подготовки поверхности детали с использованием ультразвуковых колебаний -  патент 2442841 (20.02.2012)

способ определения границ фазовых переходов при перлитном превращении -  патент 2433190 (10.11.2011)
способ термомагнитной обработки магнитомягких материалов -  патент 2430975 (10.10.2011)
способ изготовления аморфного магнитного материала -  патент 2406769 (20.12.2010)

Класс C21D9/50 для сварных швов 

Патенты РФ в классе C21D9/50:
способ термической обработки сварных стыков рельсов -  патент 2524526 (27.07.2014)
способ аргонодуговой обработки сварных соединений, полученных линейной сваркой трением -  патент 2524037 (27.07.2014)
способ внепечной термообработки сварных изделий -  патент 2518813 (10.06.2014)
способ лазерной сварки встык листов из стали с содержанием бора 1,3-3,6% -  патент 2510627 (10.04.2014)
способ снятия остаточных напряжений в сварных соединениях трубопроводов -  патент 2492037 (10.09.2013)
способ охлаждения зоны сварки рельса, устройство для охлаждения зоны сварки рельса и сварное соединение рельса -  патент 2485187 (20.06.2013)
способ термической обработки сварных труб -  патент 2484149 (10.06.2013)
способ снятия остаточных напряжений в кольцевых сварных соединениях металлов при сварке под флюсом и устройство для его реализации -  патент 2477202 (10.03.2013)
ультразвуковое устройство для обработки сварных соединений металлов аустенитного класса в процессе автоматической сварки -  патент 2469109 (10.12.2012)
устройство для ультразвуковой обработки сварного соединения в процессе сварки -  патент 2469108 (10.12.2012)

Класс C21D7/06 путем наклепа и тп 

Патенты РФ в классе C21D7/06:
труба из нержавеющей аустенитной стали с отличной стойкостью к окислению паром и способ ее получения -  патент 2511158 (10.04.2014)
аустенитная нержавеющая сталь -  патент 2507294 (20.02.2014)
ультразвуковое устройство для обработки сварных соединений металлов аустенитного класса в процессе автоматической сварки -  патент 2469109 (10.12.2012)
устройство для ультразвуковой обработки сварного соединения в процессе сварки -  патент 2469108 (10.12.2012)
способ упрочнения цилиндрических винтовых пружин -  патент 2462519 (27.09.2012)
способ упрочнения поверхности изделия из стали -  патент 2455368 (10.07.2012)
способ снятия остаточных напряжений в сварных соединениях металлов -  патент 2451583 (27.05.2012)
способ снятия остаточных сварочных напряжений в сварных соединениях стыков труб -  патент 2444423 (10.03.2012)
способ алюминотермитной сварки рельсов -  патент 2425741 (10.08.2011)
способ сварки рельсов давлением с подогревом -  патент 2425738 (10.08.2011)


Наверх