автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Оптимизация технологии обработки взрывом сварных соединений металлоконструкций и ее новые применения

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ Институт электросварки им. Е. О. Патона

Для служебного пользования Экз. № №

На правах рукописи

ТИТОВ Вадим Александрович

УДК 621.791.09:539.319

ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ ВЗРЫВОМ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ И ЕЕ НОВЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ

Специальность 05.03.06 »Сварка и родственные технологии"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Киев -2001

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена в Институте электросварки им Е.О Патона HAH Украины.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор ПЕТУШКОВ Владимир Георгиевич, Институт электросварки км. Е.О. Патона HAH Украины, Заведующий отделом

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор КИРЬЯН Валерий Иванович,

Институт электросварки им. Е.О. Патона HAH Украины Заведующий отделом

Доктор технических наук, профессор ШУЛЬГИНОЙ Борис Семенович, Институт проблем прочности HAH Украины, Ведущий научный сотрудник

Ведущее учреждение." Национальный технический университет-Украины "Киевский политехнический институт", г. Киев

Защита состоится "18"июля 2001 г. в 10 часу на заседании специализированного ученого совета Д 26.182.01 при Институте электросварки им. Е.О. Патона HAH Украины, 03680, г. Киев - ! 50, МСП, ул. Боженко, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института электросварка им. Е.О. Патона HAH Украины, 03680, г. Киев - 150, МСП, ул. Боженко, 11.

Автореферат разослан "18" июня 2001 г.

Ученый секретарь специализированного ученого совета, доктор технических наук

Киреев Л.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 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 трешин 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 HAH Украины соответственно научно-технической проблеме 0.72.01 Координационного плана ПСНТ 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 делия из конструкционных сталей, которые испытывают переменные и ударные нагрузки Использовали стандартные взрывчатые материалы на основе гексогена (шнуровые и поло совые заряды). Испытания проводил^ 1Ц 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 БММТ-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:

1. 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;

2. 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;

3. 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;

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;

5. 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;

6. 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 соискателя. 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 металлоа 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Традиционные способы повышения надежности сварных металлоконструкций, такая как термообработка, методы поверхностного пластического деформирования, механическая зачистка и прочие требуют специального дорогостоящего оборудования, значительных энерго- и трудозатрат, а в некоторых случаях являются вовсе неприменимыми, например, при изготовлении крупногабаритных металлоконструкций сложных пространственных форм. Это обстоятельство определяет необходимость разработки новых видов обработок, которые наряду с высокой эффективностью должны иметь большую производительность и мобильность, а также низкую себестоимость.

Одной из таких разработок является созданная в Институте электросварки им. Е.О.Патона HAH Украины технология взрывной обработки (ВзО) сварных соединений. Физический механизм ВзО состоит в релаксации касательных напряжений на фронте достаточно сильной ударной волны (УВ), что приводит к локальному пластическому деформированию металла и обра-

зование в зоне обработки напряженно-деформированного следа (НДС). Процесс образования НДС условно разбивается на два этапа. Первый из них состоит в мгновенном создании НДС максимальной интенсивности в процессе взрывного нагруженш, и второй - в уравновешивании напряжений в пределах собственно НДС и обрабатываемой конструкции в целом. Первый этап имеет место практически при любых условиях взрывного нагружения и не всегда играет решающую роль в формировании конечного НДС. Для сварных конструкций наиболее важным является второй этап, на котором формируется окончательная конфигурация НДС и напряженного состояния металла как в самом ЬЗДС, так и в прилегающих к нему зонах. Сложность физических явлений, которые протекают в металлах при импульсном нагружении, в особенности локальном, не позволяет дать и.м строгое аналитическое описание. В связи с этим едва ли не единственным способом определения размеров НДС и характеристик металла в нем является прямой эксперимент, на основе которого должны быть установлены основные феноменологические соотношения между режимами ВзО, параметрами образующегося НДС и последующим поведением сварной конструкции в целом.

Определение распределения ОН по толщине пластины ведется, например, с использованием метода Н.Н.Давиденкова путем послойного снятия металла, в процессе которого ОН изменяются. Полученные данные повергаются далее численному расчету по специальной программе. В свете сказанного ясно, что экспериментальное измерение полного поля ОН является очень трудоемкой процедурой, малопригодной для систематического использования в практике оптимизации технологических режимов ВзО. Поэтому практическую методику оптимизации приходится основывать на упрощенных приемах. Исходя из практического опыта, при назначении режимов обработки некоторыми из большого числа параметров, которые определяют рассмотренный процесс, пренебрегают, а удлиненный сосредоточенный заряд характеризуют только погонной массой ВВ ца и удельной калорийностью (теплотой взрыва) С)0 (или погонной энергией взрыва) Е - д0<5 0. Однако, наиболее эффективным приемом, упрощающим решение этой задачи, является использование установленного в данной работе сходства полей ОН и полей увеличения твердости (взрывного наклепа).

В общем случае между этими двумя полями нет точного соответствия, так как наклеп определяется величиной полных пластических деформаций и давлением, при котором осуществлялась деформация, причем поле наклепа, в отличие от поля ОН, не выходит за пределы зоны заметных остаточных пластических деформаций.

В то же время структура поля ОН определяется градиентами остаточных (а не полных) пластических деформаций, и это поле может простираться далеко в пределы области упругих деформаций. Но, как показала многолетняя практика, в большинстве задач, которые встречаются практически, два главных параметра поля ОН - толщина поверхностного слоя ОН сжатия

и амплитуда ОН в нем изменяются при варьировании режима обработки аналогично толщине упрочненного слоя и степени наклепа. Таким образом, трудоемкая процедура определения эпюр ОН на этапе оптимизации технологии может быть заменена намного более простым и быстрым измерением распределения твердости в зоне наклепа.

Для исследований выбраны стали низкой (аг = 100 МПа), повышенной (ст =350 МПа) и высокой (стт = 1000 МПа) прочности. Анализ характера деформирование металла при ВзО проводили с помощью измерений твердости (ЯК) в составных образцах по стандартной мето-

дике, а измерение ОН лиу проводили по усовершенствованной методике магнитоуп-ругой тензометрии и разработанной в работе неразрушающей механической тензометрии. Исследование пластических свойств металла с выращенными трещинами усталости

AHV

» 10 12 х,м»

Рис. 1. Распределение увеличений твердости Рис. 2. Распределение увеличений твердости

в поперечном относительно оси заряда направлении на глубине 0.5 мм после ВзО шнуровым зарядом низколегированной (&г~360 .\{Пл) и высокопрочной (Сг= 1000 МПа} стали (светлые значки — контактный заряд, темные - с использованием прокладки).

по толщине стали 09Г2С после ВзО но разним схемам: I - один контактный шнуровой заряд; 2 - то же с «забивкой» плотностью 3.7 г/см*: то же с использованием кумулятивного зф-фекта;4 - то же с воздушной прослойкой: 5 и 5- то же с прокладками разной толщины.

проводили путем испытаний на их критическое раскрытие Зс.

Исследование по оценке выносливости сварных соединений проводили на динамическом пульсаторе с частотой 7 Л/. Использовати шнуровые и тон кие пластические полосовые заряды ВВ на основе гексогена.

Установка шнурового заряда непосредственно на металл приводит к образованию зоны наклепа с выраженным максимумом твердости под осью заряда (рис. 1). При отдалении от этой зоны по ширине и глубине наблюдается резкое снижение упрочнение к начальному уровню (рис. 1 и 2).

При этом абсолютные размеры деформированной зоны определяются характеристиками прочности стали, в частности, отношением предела прочности к пределу текучести

(= к ) и погонной навеской заряда q0. Компоненты ОН в поверхностном слое стали являются сжимающими; при этом размеры поверхностной зоны сжимающих ОН близки к размерам наклепанной зоны (рис. 3).

Упрочнение металла, которое достигается в этой случае, является следствием увеличения плотности дислокаций и двойников. В технологическом диапазоне ВзО с возрастанием давления (1... 14 ГПа) скольжение дислокаций постепенно сменяется двойникованием. При этом увеличение предела текучести выражается через плотность дислокаций N и двойников /? соотно-

I 1

шением типа Асгг = а¡/З'2 +а2Лг2, а увеличение предела текучести пропорционально максимальному давлению нагружения (так что поле наклепа практически совпадает с полем максимальных давлений нагружен ия).

Учитывая большую величину градиентов твердости и ОН в НДС по его ширине (рис. 1), а также то, что вследствие геометрических особенностей сварных соединений ось шнурового заряда практически невозможно достаточно точно совместить с зоной предполагаемого разрушения, ВзО по схеме с непосредственным контактом ВВ и металла воспроизводится недостаточно. Поэтому в работе рекомендовано устанавливать между обрабатываемой поверхностью и шнуровым зарядом ВВ прокладки из инертного материала, которые одновременно демпфируют УВ. При наличии прокладки характер упрочнения существенно изменяется, эпюры твердости принимают П-образную форму (рис. 1) с широким плато максимальных значений, которое обеспечивает хорошую воспроизводимость результатов ВзО при возможном смещении заряда от прогногнозируемой зоны разрушения. Эпюры ОН в поверхностном слое практически повторяют эпюры распределения твердости. Это совпадение, которое неоднократно наблюдался и в других вариантах обработки, является основанием для использования описанного выше способа предварительного назначения оптимальных режимов обработки.

Упрочнение сталей низкой и повышенной прочности приводит к образованию в металле равномерно наклепанных под всей площадью заряда зон, размеры которых определяются прочностью стали. При ВзО высокопрочных сталей, в которых отношение = к близко к

/ <?т

единице, геометрия упрочненной зоны принципиально изменяется. Упрочнение наблюдается только на краях заряда (рис. 3, а,б), где поле пластических сдвигов в металле подобное полю массовых скоростей прн взрыве полосового накладного заряда на поверхности жидкости или грунта. Это поясняется, тем, что, во-первых, на краях плоского заряда возникают заметные остаточные деформации, которых нет под центральной частью заряда, а потому степень наклепа

а) б)

Рис. 3. Распределение твердости (а) и ОН (б) в поверхностных слоях высокопрочной стали после ВзО плоским линейным зарядом высокобризантного В В толщиной 1,0 и шириной 10 мм при относительной толщине слоя пластической деформации: / -

SJ5, = 0.8; 2-8riJSl = 0.5; 3 - S^jô, *

0,3. х-расстояние от края заряда.

связанный с величиной остаточных деформаций, и во-вторых, связан с зависимостью механизмов размножение двойников и дислокаций от величины гидростатического давления. Результаты испытаний сварных соединений сталей низкой и повышенной прочности на усталость свидетельствуют об эффективности применения полосовых зарядов для повышения их сопротивления усталостному разрушению.

Конфигурация ударно-волновых течений в нагруженном взрывом твердом теле очень сложная. Несмотря на это, изложенные соображения показывают, что при отработке оптимальных технологических режимов первую, наиболее трудоемкую часть экспериментов можно выполнять, не измеряя наведенных обработкой ОН, а ограничиваясь только измерениями твердости. Дальнейшее упрощение состоит в установлении закономерностей, которые связывают размеры зоны наклепа с параметрами режима обработки. Действительно, в процессе отработки оптимальных режимов достаточно знать два параметра поля наклепа: ширину полосы постоянной твердости и глубину наклепанной зоны Знахл на этой площадке. Первая из этих величин определяется непосредственными измерениями твердости на обработанной поверхности. Для измерения второй величины требуется значительное время для изготовления образцов. В работе получены феноменологические зависимости, которые связывают увеличение сгт в поверхностном слое обрабатываемой стали и величин , Знпкл с параметрами шнурового заряда и прокладки, которая демпфирует, которые позволяют резко ускорить поиск оптимальных режимов обработки. Для отыскания этих зависимостей проведена серия испытаний, в каждой из которых варьировали только один из параметров, которые характеризуют свойства шнурового заряда и прокладки, в то время как другие параметры остаются неизменными. Обработка полученных результатов позволила установить общий вид зависимостей, которые связывают искомые параметры: величины ¡^и величину максимального увеличения Асгт (или АНУ) на поверхности металла с безразмерными параметрами, которые характеризуют режим обработки. Понятно, такие соотношения справедливы лишь в ограниченном диапазоне режимов, применяемых именно для ВзО с целью повышения сопротивляемости сварных соединений усталостным разрушениям (в частности, для толщин прокладок, достаточных для того,

Т/С

Рис. 4. Поперечный шлиф созданной ВзО многослойной зоны металла (а) и зависимость ' _хрупк^язкого^ерехс^а от^исла^оев (б).__________

чтобы повлиять на величину ¡^ , но таких, которые еще не влияют на величины 5нахл и Аот). Однако знание этих зависимостей имеет и более общую значимость: оно сокращает процедуру поиска оптимальных режимов любых видов ВзО сосредоточенными удлиненными зарядами.

Таким образом, полученные в данной работе результаты позволяют, зная поле исходных ОН в сварном соединении и параметры взрывного нагружения при использовании шнуровых

зарядов, приолизительно прогнозировать размеры и интенсивность НДС после обработки и делать разумный выбор ее режимов для окончательной доводки технологии с измерениями полей наведенных ОН. В таблице приведены экспериментальные данные по ВзО сварных соединений разных типов, проведенной так, чтобы в зонах прогногнозируемых усталостных разрушений образовывался НДС с максимальными ОН сжатия а поверхностном слое. Заметим, что такой анализ дает одновременно возможность оценочно прогнозировать увеличение предела выносливости сталей от величины ОН сжатия, наведенных ВзО при разных значениях коэффициенту асимметрии цикла.

троимы.

Зэрю ВВнр^оюгхз сечения'

юнрнгуряцн* зпюры

создяаммых взсыЭДм /

ОН вокруг отверстия

Рис. 5. Схема ВзО для торможения развития трещины усталости.

• Слал» j ехсщ

/Исхос '»нов COCK юяние с

1

д ^06} •абожха трьъвом

> 4 < 8 10та1чт

Рис. 6. Зввисилюсть длины трещины усталости от

_ числа циклов погружения____

Для поврежденных сварньгх конструкций с трещинами усталости разработаны специальные способы обработки, которые позволяют снижать скорость развития трещин усталости и предотвращать их переход в хрупкие. Известно, что с уменьшением толщины металла происходит изменение характера пластической деформации вблизи вершины трещиноподобного дефекта -переход от плоской деформации к плоскому напряженному состоянию. Это приводит к увеличению объема пластически деформированного металла в тонких листах в сравнении с толстыми и в связи с этим - к снижению температуры вязко-хрупкого перехода (рис. 6).

Аналогичный эффект можно наблюдать при развитии хрупкой трещины в многослойном металле по сравнению с монолитным такой же толщины. На основе анализа явления локального тыльного и т.н. внутреннего откола при взрывном нагружекии предложены технологические схемы ВзО, применение которых позволяет создавать перед вершинами трещин локальные многослойные зоны с заданным количеством слоев.

Предложены также схемы ВзО, которые предусматривают наведение перед вершиной развивающейся трещины усталости, полей ОН сжатая с помощью полосовых зарядов ВВ, расположенных на определенном расстоянии от вершины при помощи шнуровых зарядов ВВ, которые помещаются в отверстие, высверливаемое перед вершиной трещины (рис. 5,6).

Лабораторные испытания на ударную вязкость, критическое раскрытие трещины, статическую прочность, а также анализ характера изломов образцов, испытанных в диапазоне температур +20...-70 ОС свидетельствуют о высокой эффективности разработанной технологии/

В диссертации выполнен большой объем экспер^гентальньгх исследований, направленных главным образом на выяснение эффективности и оптимизацию режимов ВзО для повышения сопротивления усталости и коррозийно-механической прочности сварных соединений сталей

Рис. 7. Монтаж зарядов ВВ на сварные швь, пролетного РисЛ 0би'!"> ^ радиотелескопа с обработанньши взрывом строения железнодорожного моста в цехе завода- швами поворотной рамы,

изготовителя.

разных классов прочности.

Результаты работы успешно применены в производственной практике Украины, стран СНГ и за рубежом со значительным экономическим эффектом. В качестве примера на рис. 7-10 приведены фотографии некоторых объектов, подвергнутых ВзО в рамках данной работы.

ОСНОВЫ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИIВИСНОВКИ У результат! проведених у дисертацн дослдасень теоретично обгрунтована й експеримен-тально пщтверджена система захода, що дозволяе за допомогою ВбО зварених металоконст-рукшй значно шдвишувати ¡'хню надшшстъ при перемшних навантаженнях на стад1ях заро-дження 1 розвитку тршдин втоми.

Вщповщно до лоставлених шлей I задач в дасертаци розроблемий ряд теоретичних 1 при-кладних питань:

1. Проанализирован механизм формирования результирующего напряженно-деформированного состояния приповерхностных слоев сварных соединений после ВзО с учетом параметров взрывного нагружение и характеристик прочности обрабатываемой стали;

2. Установлена и обоснована однозначная связь между вызванным в металле ВзО приростом твердости и величиной ОН в НДС, использование которой позволяет резко сократить продолжительность и трудоемкость экспериментальных исследований при отработке оптимальных режимов взрывного нагружения. Для этого предложен расчетно-феномено-логический прием оценки величины и характера распределения ОН, которые создаются ВзО шнуровыми и полосовыми зарядами ВВ, в том числе с использованием инертных демпфирующих прокладок, на основании данных об увеличении твердости при взрывном наклепе металла, который обнаруживается путем ее несложных измерений;

3. Научно обоснованно использование для решения задач, связанных с повышением сопротивления усталости сварных соединений в многоцикловой области нагружения, шнуровых зарядов, которые устанавливаются на обрабатываемую поверхность через демпфирующие прокладки. Показано, что применение прокладок позволяет формировать импульс взрывного нагружения необходимой формы, амплитуды и продолжительности за счет варьирования толщины и акустической жесткости последних, а также исследовано в поверхностном слое и по толщине обработанного металла структуры напряженно-деформированного следа, который формируется в металле при ВзО;

4. Разработан механический способ определения ОН в металле после приложения внешней нагрузки, основанный на установленной однозначной связи между изменением упругой деформации "эталонной" зоны сварного соединения, которая специально создается в нем, и величиной результирующих ОН;

5. Экспериментально доказана высокая эффективность ВзО как меры повышения сопротивления усталости сварных соединений некоторых классов сталей с разной концентрацией напряжений, в том числе при низкотемпературных испытаниях и испытаниях в агрессивной среде;

6. Разработаны новые технологические приемы, основанные на создании полей ОН сжатия или зон с квазимногослойным строением, которые позволяют резко снизить скорость развития трещил усталости и предотвратить их возможный переход в хрупкие при низких температурах и ударном нагружении.

7. Использование наиболее важных результатов работы в ведущих областях промышленности Украины, стран СНГ и за рубежом.

Всего по теме диссертации опубликовано 45 работ; ее основные положения нашли отображения в следующих публикациях:

1. Петушков В.Г., Брызгалки А.Г., Титов В.А. Механизм релаксации остаточных напряжений при нагружении сварных соединений взрывом// Автомат, сварка.-2001.-Л? 1,- С. 51-53.

2. Петушков В.Г., Титов В.А. Остаточные напряжения в сварных соединениях, обработанных взрывом// Автомат, сварка.- 2001,-Л? 3.- С. 49-50.

3. Петушков В.Г., Титов В.А. Параметры ударно-волнового нагружения для снятия остаточных сварочных напряжений обработкой взрывом// Автомат, сварка,- 2001.-Л5 4,- С. 59-61.

4. Петушков В.Г, Титов В.А., Брызгалин А.Г. Опыт практического применения обработки взрывом сварных соединений металлоконструкций// Сварщик,- 2001.-ЛС» 1,- С. 8-10.

5. Петушков В.Г., Фадеенко Ю.И., Титова И.Е., Титов В.А. и др. Изменение структуры и свойств сварных соединений в результате обработки взрывом. В кн.: Высокоэнергетическое воздействие на материалы, 1986, Новосибирск, С.-101-105.

6. Титов В.А., Михеев П.П., Орехов Г.Т. и др. Распределение остаточных напряжений в поверхностных слоях стали после обработки взрывом//Автомат, сварка,- 1986- X« 1,- С. 69-70.

7. Петушков В.Г., Титов В.А., Гарф Э.Ф. и др. Сопротивляемость сварных соединений корро-зионно-усталостному разрушению в морской воде после обработки взрывом// В кн.: «Применение энергии взрыва в сварочной технике»: Сб. научн. трудов,- Киев: ИЭС им. Е.О. Па-тона, 1989,-С. 22-29.

8. Титов В.А., Петушков В.Г. Влияние обработки взрывом на коррозионно-механическую прочность сварных соединений// Автомат, сварка,- 2001,-л'® 2,- С. 55-57.

9. Ющенко К.А., Петушков В.Г., Титов В.А. и др. Способы повышения сопротивления усталости сварных соединений аустенитных сталей при криогенных температурах// Автомат, сварка,- 1990.-Л» 7.- С. 20-22.

10. A.c. Л'г 287 064 СССР. Б.Е.Патон, Б.И.Медовар, В.Г.Петушков, В.А.Титов и др.- Зарегистрировано 02.01.89.

11. A.c. ЛС° 1 160 654 СССР, МКИ В23к 28/00. Способ упрочнения сварного соединения/ В.М.Кудинов, В.Г.Петушков, В.А.Титов и др.- Зарегистрировано 08.02.85.

12. A.c. ЛЬ 1 277 508 СССР, МКИ B23k 1900. Способ упрочнения взрывом сварных соединений/ В.М.Кудинов, В.Г.Петушков, В.А.Титов идр,- Зарегистрировано 15.08.86.

13. A.c. Л"» 1 394 594 СССР. МКИ В23к 28/00. Способ обработки взрывом сварных соединений/ В.Г.Петушков, В.П.Ларионов, В.А.Титов и др.- Зарегистрировано 08.01.88.

14. A.c. № 1 453 762 СССР. Способ обработки взрывом сварных соединений/ В.Г. Петушков, В.А.Титов, Ю.И.Фадеенко и др.- Зарегистрировано22.09.88.

15. A.c. Л? 1 467 869 СССР. Способ обработки взрывом сварных соединений/ В.Г. Петушков, В.А.Титов, Г.П.Яковлев и др.- Зарегистрировано 15.11.88.

16. A.c. Хе 1 524 283 СССР. Способ защиты окружающей среды при обработке металлов взрывом/ В.Г.Петушков, Б.И.Патамарчук, В.А.Титов и др.- Зарегистрировано 22.07.89.

17. A.c. Хе 1 550 744 СССР. Способ обработки взрывом сварных соединений/ В.Г. Петушков, П.П.Михеев, В.А.Титов и др.- Зарегистрировано 15.11.89.

18. A.c. Хе 1 739 599 AI СССР. Способ обработки взрывом сварных соединений/ В.Г. Петушков, А.Г.Брызгалин, В.А.Титов и др.- Зарегистрировано 08.02.92.

19. A.c. Хе 1 732 581 AI СССР. Способ обработки взрывом сварных соединений/ В.Г. Петушков, В.А.Титов, А.Г.Брызгалин и др.- Зарегистрировано 08.01.92.

20. A.c. X? 1 739 600 AI СССР. Способ обработки взрывом сварных металлоконструкций/ В.Г.Петушков, В.А. Титов, А.Г.Брызгалин,- Зарегистрировано 08.02.92.

21. A.c. Хе 1 750 137 AI СССР. Способ обработки взрывом сварных соединений/ В.Г. Петушков, А.Г.Брызгалин, В.А.Титов и др.- Зарегистрировано 22.03.92.

22. A.c. Хе 1 790 111 AI СССР. Способ определения остаточных напряжений в сварных соединениях после их обработки взрывом/ В.Г.Петушков, А.Г.Брызгалин В.А.Титов и др.- Зарегистрировано 22.09.92.

23. A.c. Хе 1 790 112 AI СССР. Способ определения остаточных напряжений в сварных соединениях после их обработки взрывом/ В.Г.Петушков, А.Г.Брызгалин, В.А.Титов и др.- Зарегистрировано 22.09.92.

24. Гришаенко А.И., Титов В.А. Расчет критерия откола при взрывном нагружении упругого слоя, В кн.: "I Международная конференция молодых ученых в области сварки и смежных технологий",-Киев, 16-20 мая 1989, Киев: ИЭС,-С. 103-104.

25. Ющенко К.А., Малей В.Н., Титов В.А. и др. Способы повышения сопротивления усталостной прочности сварных соединений аустенитных сталей при криогенных температурах// В кн.: Межотрасл. конф.: «Усталостные св-ва матер, в усл. криоген. температур». Тез. докл.-Л.: НПО ГИПХ,- 1987.- С. 6-8.

Личный вклад автора. В публикациях [1, 3, 6, 8, 12,14] соискатель является автором идеи разработок. В остальных публикациях отражены работы, выполненные в соавторстве. В [2] предложены технологические схемы ВзО, основанные на эффекте отражения ударных волн от акустически жестких преград и наличия «забивки»; в [26] исследовано влияние ВзО на циклическую долговечность сварных соединений высокопрочной корпусной стали. В [11] определено соотношение компонентов НДС после ВзО в приповерхностном слое низкоуглеродистой стали. В [15] сделана оценка возможности математического моделирования критериев внутреннего откола при взрывном нагружении с целью создания локальных ква-

зимногослойных зон. В [23] и [24] исследовано влияние ВзО на коррозийно-механическую прочность сварных соединений в синтетической морской воде. В [7]-[П] и [16]-[27] определены режимы ВзО сварных соединений разных классов сталей В [21] проведена оценка изменения макросвойств аустенитной стали по глубине обработанного взрывом образца.

В.О. ТИТОВ. Оптим1заця технолог» обробки вибухом зварних з'еднань металоконструкшй та и нов! застосування - Рукопяс.

Дисертац1я на здобуття ученого ступеня кандидата техшчних наук за спешальноспо 05.03.06 -Зварювання та спорщнеш технологи", 1нституг елекгрозварювання ¡м £.0 Патона НАНУ, Кшв, 2001 р

Задача пщвнщення над1Йност1 зварних металоконструкшй за допомогою додаткових гасля-зварювальних обробок е вельми актуальною 1 мае важливе народногосподарське значения. У робел розглянута динамка напружено-деформованого стану металу в ближнш зош вибуху, створеш нов1 прийоми оптим1заци режим1в локально! вибухово! обробки (ВзО) зварних з'еднань, з метою значного тдвищення цикшчно! довгов1чносп металоконструкшй.

Для пошкоджених конструкшй ¡з трвдинами втоми вперше розроблеш способи, що дозво-ляють знизити швидисть розвитку втомлювальних трщин 1 запоб1гти Ухнш перехщ у в'язкий стан.

В результат! лроведених у дисертацп дослщжеяь теоретично обгрунтована й ехсперимента-льно пщтверджена система заходов, шо дозводяе за допомогою обробки вибухом зварних металоконструкшй значно гадвищити '¿хню надшшсть при перемшних навантаженнях на стадиях зародження 1 розвитку втомлювальних трвдин. Гака обробка викорисгана для тдвищення опору втом! та/чи для забезпечення розм1рно! стабшьносп нових об'еютв промисловосп Украши 1 деяких шших кра'ш

Ключов1 слова: Обробка вибухом, зварювання, зварна конструкщя, ошр втом!, тверд1сть, трщина, ударна хвиля, циюдчна довпшчисть

В.А. ТИТОВ. Оптимизация технологии обработки взрывом сварных соединений металлоконструкций и ее новые применения,- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06 - "Сварка и родственные технологии", Институт электросварки им. Б.О.Патона НАНУ, Киев, 2001.

Одним из основных факторов, которые во многом определяют работоспособность металлоконструкций, является наличие сварных швов, которые существенным образом отличаются по своим физико-химическим и структурным свойствам, а по также напряженному состоянию от основного металла. Задача повышения надежности сварных металлоконструкций с помощью дополнительных послесварочных обработок представляется актуальной и имеет важное народ-

нохозяйственное значение. В работе рассмотрена динамика напряженно-деформированного состояния металла в ближней зоне взрыва, созданы новые приемы оптимизации режимов локальной взрывной обработки (ВзО) сварных соединений, направленной на значительное повышение циклической долговечности металлоконструкций.

Для поврежденных конструкций с трещинами усталости впервые разработаны способы, которые позволяют снизить скорость развития усталостных трещин и предотвратить их переход в хрупкие. Эти способы основаны на создании локальных многослойных зон и/или зон с остаточными напряжениями (ОН) сжатия.

В результате проведенных в диссертации исследований теоретически обоснована и экспериментально подтверждена система мероприятий, которые позволяет с помощью ВзО сварных соединений значительно повысить их надежность при переменных нагружениях на стадиях зарождения и развития трещин усталости. Усовершенствован подход к анализу механизма формирования результирующего напряженно-деформированного состояния приповерхностных слоев сварньга соединений после ВзО с учетом наиболее важных параметров взрывного нагру-ження, включая особенности организации зарядов ВВ, выбора типа и геометрии инертных прокладок, "забивки" заряда, а также характеристик прочности обрабатываемого материала. Получила дальнейшее развитие методика неразрушающей магнитоупругой тензометрии ОН, что позволило значительно расширить возможности методики и повысить достоверность результатов измерений. Предложен новый механический способ неразрушающей оценки ОН в металле после приложения внешней нагрузки. В основу способа положено прослеживание за изменением упругой деформации специально выделяемой в исследуемом объекте "эталонной" зоны. Разработан 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 взаимосвязи между увеличением твердости (взрывным наклепом металла), что обнаруживается путем его простых измерений, и величиной ОН в напряженно-деформированном следе, который формируется в металле в результате ВзО, детально исследована его структура. Доказано, что наиболее оптимальным и технологическим типом ВВ для задач, связанных с повышением сопротивления усталости сварных соединений в многоцикловой области нагружение являются шнуровые заряды, которые устанавливаются на обрабатываемую поверхность непосредственно, или через демпфирующие прокладки. Установлено, что варьирование толщины и акустической жесткости последних позволяет формировать импульс взрывного нагружения необходимой формы, амплитуды и продолжительности. Впервые экспериментально доказана высокая эффективность ВзО как меры повышения сопротивления усталости сварных соединений сталей разных классов прочности с различной концентрацией напряжений, в том числе при низкотемпературных испытаниях и испытаниях в агрессивной среде. Впервые предложены технологические

приемы, чоторые позволяют резко снизить скорость развития трещин усталости в сталях разного класса прочности и предотвратить их зозмож;;ый переход в хрупкие при низких температурах климатического диапазона, в том числе при ударном нагружении. Впервые ВзО использована для повышения сопротивления усталости и/или для обеспечения размерной стабильности новых объектов промышленности Украины и некоторых других стран

Ключевые слова: Обработка взрывом, сварка, сварная конструкция, сопротивление усталости, твердость, трещина, ударная волна, циклическая долговечность.

V.A. TITOV. Optimizing technology of in explosion treatment of welded joints in metalstructures and its new applications«)- Manuscript.

Thesis for academic degree of the candidate of technical sciences on a speciality 05.03.06 - "Welding and adjacent technologies", E.O.Paton Electric welding institute ofNASci of Ukraine, Kiev, 2001.

The problem of increasing welded metal structures reliability by additional post-weld treatments is actual and has relevant economic value.

In given work the dynamics of a stress-strained state of metal in the near-field region of explosion is considered, the new optimization modes of regimes of local explosive treatment (ET) of welded

joints, which increase a cyclic longevity of metal structures, are created. For damaged structures with fatigue cracks the methods permitting to decelerate fatigue crack propagation and to prevent their transition in brittle state are for the first time developed.

As a result of researches, conducted in dissertation, the system of measures permitting to increase noticeably by means of explosion treatment reliability of welded metal structures at alternating loads at stages of fatigue crack origin and propagation is theoretically justified and experimentally confirmed. ET was utilized for increasing fatigue strength and/or for maintenance of dimensional stability of new objects of an industry of Ukraine and some other countries.

Keywords: Explosion treatment, welding, welded structure, fatigue strength, hardness, crack, shock wave, cyclic endurance.

Зак.01-77-50. 18.06.2001. ООП ИЭС.