Wykorzystanie pola drgań do redukcji naprężeń wewnętrznych w elementach metalowych. dr inż. Marek Majewski

Transkrypt

1 Wykorzystanie pola drgań do redukcji naprężeń wewnętrznych w elementach metalowych dr inż. Marek Majewski 1

2 1. Wprowadzenie 2. Omówienie metody wibracyjnej 3. Oprzyrządowanie i metodyka 4. Przykładowa procedura 5. Przykłady zastosowań 6. Wpływ drgań na procesy krzepnięcia 7. Dyskusja 2

3 WPROWADZENIE Nieodłącznie związane z przemianami fazowymi w procesach spawania i odlewania metali jest powstawanie naprężeń wewnętrznych. Stosowane są też pojęcia: naprężenia własne, szczątkowe, pozostałe, resztkowe. W terminologii obcojęzycznej są to residual, internal, locked-in stresses, Eigenspannungen, остаточные напряжения. 3

4 WPROWADZENIE Więzy lokalne i globalne ograniczające możliwość swobodnego odkształcania elementu podczas nagrzewania/stygnięcia/krzepnięcia wywołują powstawania naprężeń I, II i III rodzaju. Naprężenia resztkowe powstają także przy obróbce cieplnej i mechanicznej. Wpływają one negatywnie na stabilność wymiarową konstrukcji, powodując powstawanie odkształceń zwłocznych a niekiedy naruszenie spoistości (pękanie) materiału. 4

5 WPROWADZENIE Najstarsza metoda stabilizacji naprężeń własnych sezonowanie. 5

6 WPROWADZENIE Od wielu lat klasycznym sposobem redukcji naprężeń resztkowych jest wyżarzanie odprężające. Proces ten nie jest doskonały, kosztowny, jednocześnie bardzo obciąża środowisko. 6

7 WPROWADZENIE Mechaniczne metody redukcji naprężeń: młotkowanie klasyczne i ultradźwiękowe śrutowanie odkształcenie na zimno (przeprężanie, prostowanie rolkowe) odprężanie ultradźwiękowe i wybuchowe metody wibracyjne (subharmoniczna i rezonansowa) 7

8 METODA WIBRACYJNA Obserwacja zjawiska stabilizacji elementów metalowych w wyniku poddania ich odkształceniom na zimno doprowadziła w latach 30 ub. wieku do powstania metody odprężania wibracyjnego. Polega ona na przyspieszonym sezonowaniu elementów maszyn i konstrukcji przez umieszczenie ich w polu drgań wywołującym rezonans mechaniczny (metoda rezonansowa). 8

9 METODA WIBRACYJNA JOURNAL OF THE AMERICAN SOCIETY OF NAVAL ENGINEERS VOL. 55 NOVEMBER 1943 No.4 SOME EXPERIMENTS IN STRESS-RELIEVING CASTINGS AND WELDED STRUCTURES BY VIBRATION. By MR. R. T. McGOLDRICK* AND CAPTAIN HAROLD E.SAUNDERS, U. S. N. 9

10 METODA WIBRACYJNA JOURNAL OF THE AMERICAN SOCIETY OF NAVAL ENGINEERS VOL. 55 NOVEMBER 1943 No.4 SOME EXPERIMENTS IN STRESS-RELIEVING CASTINGS AND WELDED STRUCTURES BY VIBRATION. By MR. R. T. McGOLDRICK* AND CAPTAIN HAROLD E.SAUNDERS, U. S. N. 10

11 METODA WIBRACYJNA CONCLUSION The process of vibrating parts and completed structures may or may not relieve stresses, but it increases confidence in the stability of the shaken part. The evidence of achievement is negative but the feeling of safety is positive, and this feeling accumulates with compound interest as the years go by and the structures continue to carry their burdens without distress or complaint. JOURNAL OF THE AMERICAN SOCIETY OF NAVAL ENGINEERS VOL. 55 NOVEMBER 1943 No.4 SOME EXPERIMENTS IN STRESS-RELIEVING CASTINGS AND WELDED STRUCTURES BY VIBRATION. By MR. R. T. McGOLDRICK* AND CAPTAIN HAROLD E.SAUNDERS, U. S. N. 11

12 METODA WIBRACYJNA Relaksacja naprężeń w elementach metalowych poddanych drganiom zachodzi w wyniku superpozycji naprężeń dynamicznych wprowadzonych przez drgania i naprężeń resztkowych. W miejscach koncentracji naprężeń resztkowych dochodzi do lokalnego osiągnięcia granicy plastyczności i lokalnych mikroodkształceń plastycznych. 12

13 METODA WIBRACYJNA Dużą rolę odgrywa tu tzw. efekt Bauschingera. Przejawia się on wyraźnym obniżeniem granicy plastyczności w przypadku obciążania elementu następującymi po sobie naprężeniami o zmiennym znaku. Procesy te w niewielkim stopniu wpływają na zmianę ogólnego kształtu elementu, wprowadzają go jednak w stan stabilny. 13

14 METODA WIBRACYJNA Zalety: może być stosowana na dowolnym etapie procesu technologicznego umożliwia stosowanie mniejszych naddatków technologicznych (brak zgorzeliny!) czas zabiegu ograniczony jest do kilkudziesięciu minut 14

15 METODA WIBRACYJNA Zalety: nie pojawiają się zmiany własności mechanicznych metali możliwa jest obróbka elementów składających się z różnych metali odprężane mogą być elementy o wadze od pojedynczych kilogramów do kilkuset ton - także konstrukcje rozległe 15

16 METODA WIBRACYJNA Ograniczenia: element jest na tyle sztywny, że w zakresie pracy wibratora nie występują częstości własne element zawiera naprężenia powstałe w wyniku odkształceń na zimno konieczne jest osiągnięcie zmian strukturalnych w materiale materiał nie wykazuje plastyczności 16

17 METODA WIBRACYJNA Obróbce wibracyjnej poddają się praktycznie wszystkie metale konstrukcyjne : stale węglowe, stale narzędziowe, żeliwo, staliwo, stal nierdzewna, stopy aluminium, stale duplex, tytan, magnez, stellity, mosiądz, miedź. 17

18 OPRZYRZĄDOWANIE Odprężanie wibracyjne kadzi żużlowej na terenie KRAKODLEW SA 18

19 OPRZYRZĄDOWANIE Odprężanie wibracyjne kadzi żużlowej na terenie KRAKODLEW SA 19

20 METODYKA Procedura odprężania wibracyjnego polega na przeprowadzeniu uproszczonego testu harmonicznego wibrowanego elementu w celu wyznaczenia jego charakterystyk rezonansowych określeniu postaci drgań własnych i rozkładu linii węzłowych 20

21 METODYKA wyznaczeniu optymalnych punktów zamocowania wibratora i punktów podparcia wibrowanego elementu wibrowaniu elementu na wybranych częstościach rezonansowych z obserwacją zachowania się elementu i adaptacyjnym optymalizowaniu przebiegu procesu 21

22 METODYKA przeprowadzeniu jeśli to konieczne - ponownego testu harmonicznego dla określenia istotności zmian w rozkładzie częstości własnych spowodowanych redystrybucją naprężeń wewnętrznych. 22

23 METODYKA odkształcenia powierzchniowe w czasie wibrowania 23

24 PRZYKŁAD 24

25 PRZYKŁAD - TEST POCZĄTKOWY 25

26 PRZYKŁAD - WIBROWANIE 26

27 PRZYKŁAD - TEST KOŃCOWY 27

28 PRZYKŁAD - EFEKTY 28

29 PRZYKŁADY 29

30 PRZYKŁADY 30

31 WPŁYW DRGAŃ NA PROCESY KRZEPNIĘCIA Wprowadzenie drgań mechanicznych do krzepnącego metalu wpływa na proces krzepnięcia i na zmianę ( zwykle poprawę ) jego właściwości. Przy odpowiedniej intensywności drgań ich oddziaływanie mechaniczne powoduje: niszczenie frontu krystalizacji powstawanie ruchów wirowych 31

32 WPŁYW DRGAŃ NA PROCESY KRZEPNIĘCIA odrywanie zakrzepłych warstw niszczenie kryształów, których odłamki stają się zarodkami krystalizacji zmniejszenie przechłodzenia skrócenie czasu krystalizacji i rozdrobnienie struktury 32

33 WPŁYW DRGAŃ NA PROCESY KRZEPNIĘCIA J.Braszczyński

34 WPŁYW DRGAŃ NA PROCESY KRZEPNIĘCIA Manuela PÎRVULESCU

35 WPŁYW DRGAŃ NA PROCESY KRZEPNIĘCIA Wnioski z badań: stosowanie drgań mechanicznych w fazie ciekłej i podczas krzepnięcia stopów prowadzi do poprawy struktury i poprawy właściwości mechanicznych odlewów ułatwia aglomerację wtrąceń gazowych i ich usuwanie ze stopu ułatwia i przyspiesza usuwanie wtrąceń niemetalicznych ze stopu 35

36 WPŁYW DRGAŃ NA PROCESY KRZEPNIĘCIA zmniejsza poziom naprężeń wewnętrznych obniżając ryzyko ich negatywnego wpływu na kształt i spoistość elementu efekty stosowania drgań mechanicznych zależą od ich intensywności Zbyt niska Właściwa Zbyt duża brak efektu oczekiwana poprawa rozpryski i zagazowanie stopu 36

37 Wykorzystanie pola drgań do redukcji naprężeń wewnętrznych w elementach metalowych Dziękuję za uwagę 37