dr inż. Marek Majewski WIBROPOL Zakład Usług Technologicznych, Poznań Wpływ odprężania wibracyjnego elementów spawanych na ich własności modalne Streszczenie Przyjmuje się, że podczas odprężania wibracyjnego elementów spawanych metodą rezonansową zachodzą w nich przede wszystkim zmiany stanu naprężeń wewnętrznych. Powoduje to zwykle zmniejszenie lokalnej i ogólnej sztywności elementu obrabianego, wywołując przesunięcie w dół częstości własnych układu. W pracy przedstawiono wyniki badań polowych, z których wynika, że odprężanie wibracyjne rezonansowe wpływa ogólnie na zmianę parametrów modalnych elementu. Występuje nie tylko zmniejszenie sztywności, ale także zmiana tłumienia wewnętrznego. Dokonano próby interpretacji przykładowych wyników odprężania wibracyjnego rzeczywistych konstrukcji spawanych. 1. Wprowadzenie Naprężenia resztkowe w metalach powstają w prawie każdym procesie technologicznym. Są nieodłącznie związane z przemianami fazowymi w procesach spawania (naprężenia wewnętrzne spawalnicze) i odlewania (naprężenia odlewnicze). Występują także przy obróbce cieplnej i mechanicznej. Wpływają negatywnie na stabilność wymiarową konstrukcji, powodując w długim czasie jej odkształcenia (odkształcenia zwłoczne) a także zwiększając podatność na pękanie i korozję naprężeniową. Miejsca koncentracji tych naprężeń stanowią karby zmniejszające wytrzymałość zmęczeniową. Istnieją różne sposoby usuwania lub minimalizacji wpływu naprężeń wewnętrznych. Skrótową systematykę tych metod przedstawia rys. 1. naprężenia resztkowe likwidacja wpływu metody mechaniczne likwidacji wpływu śrutowanie kulowanie młotkowanie młotkowanie ultradźwiękowe przeprężanie metody likwidujące naprężenia wyżarzanie odprężające lokalne podgrzewanie odprężanie wibracyjne odprężanie ultradźwiękowe metoda wybuchowa rys. 1. Systematyka stosowanych metod likwidacji lub likwidacji wpływu naprężeń wewnętrznych na elementy metalowe.
Wspólną cechą metod mechanicznych jest wprowadzanie na zimno do elementu dodatkowych naprężeń, zwykle ściskających, których zadaniem jest zmniejszenie negatywnego wpływu wewnętrznych naprężeń rozciągających. Odprężanie ultradźwiękowe i metoda wybuchowa wykorzystuje efekt relaksacji naprężeń po przejściu fali naprężeniowej generowanej albo głowicą ultradźwiękową albo przez wybuch. Ta ostania metoda, opracowana przez Instytut im. Patona (Ukraina) bywa stosowana w konstrukcjach budowlanych z oczywistych względów bezpieczeństwa poza halami montażowymi. Zasadę metody obrazuje za [1] rys. 2. rys. 2. Rozmieszczenie pasków (przekrój 12x6,5 mm) materiału wybuchowego (4500 m/s) wzdłuż spoiny [1] przy odprężaniu wybuchowym. Wyżarzanie odprężające stosowane od wielu lat jest w praktyce inżynierskiej podstawowym aczkolwiek niepozbawionym wad sposobem usuwania naprężeń spawalniczych. Do głównych wad wyżarzania odprężającego należą: utlenianie powierzchni, powstawanie zgorzeliny w przypadku, gdy nie wyżarza się w atmosferze ochronnej lub w próżni i związana z tym konieczność dodatkowej obróbki polegającej na usuwaniu zgorzeliny duża energochłonność i długie czasy trwania procesu zmiany własności metalograficznych metalu. Przedmiotem naszego zainteresowania jest odprężanie wibracyjne - sposób szybkiej, mechanicznej stabilizacji naprężeń wewnętrznych poprzez poddanie elementu drganiom mechanicznym. 2. Odprężanie wibracyjne Odprężanie wibracyjne w literaturze polskiej nazywane jest też stabilizacją wibracyjną [2], literatura anglojęzyczna stosuje pojęcie Vibratory Stress Relief. Technologia wibracyjnego usuwania naprężeń zaczęła być stosowana w latach 30 w Niemczech, USA i Anglii. Pierwsza znana publikacja pochodzi z 1943 r. [3]. W Polsce pierwszy patent w tym zakresie został zgłoszony już w 1969 r. [4]. Odprężanie wibracyjne polega na przyspieszonym sezonowaniu elementów maszyn i konstrukcji przez poddanie ich drganiom - głównie rezonansowym. Dzięki wymuszaniu różnych postaci drgań rezonansowych w całej objętości wibrowanego elementu zachodzi istotne zmniejszenie szczytowych naprężeń wewnętrznych (spawalniczych). Metoda ewoluuje przez ostatnie kilkadziesiąt lat. Za sprawą zwiększenia dostępności rozwiązań technicznych takich jak szybkobieżne wibratory i sterowane cyfrowo falowniki, ze słabo znanej sztuki inżynierskiej stała się w niektórych branżach przemysłu metalowego procesem podstawowym. Jest stosowana jako alternatywa obróbki żarzeniem do odlewów i
elementów spawanych. Zainteresowanie tą technologią wynika z jej względnej prostoty i taniości. Mechanizm relaksacji naprężeń w elementach metalowych poddanych drganiom badany i opisywany jest w literaturze od wielu lat. Model standardowy najlepiej tłumaczący zachodzące zjawiska zakłada, że w wyniku superpozycji naprężeń dynamicznych wprowadzonych przez drgania z naprężeniami resztkowymi, dochodzi w miejscach koncentracji naprężeń do lokalnego osiągnięcia granicy plastyczności i lokalnych mikroodkształceń plastycznych powodujących rozładowanie tych naprężeń. Dużą rolę odgrywa tu tzw. efekt Bauschingera [5]. Przejawia się on wyraźnym obniżeniem granicy plastyczności w przypadku następujących po sobie naprężeń o zmiennym znaku. Procesy te w niewielkim stopniu wpływają na zmianę ogólnego kształtu elementu, wprowadzają go jednak w stan stabilny. Istotą odprężania wibracyjnego jest zatem doprowadzenie obrabianego elementu do odkształceń dynamicznych. Najłatwiej tego dokonać pobudzając element do drgań rezonansowych. Wtedy częstotliwość siły wymuszającej zgodna jest z częstotliwością drgań własnych elementu i mimo ograniczonej mocy źródła wymuszenia możliwe jest doprowadzenie elementu do drgań, w których element wyraźnie się odkształca. Ten sposób zwany jest odprężaniem wibracyjnym rezonansowym. Metoda wibracyjna ma wiele zalet: może być stosowana na dowolnym etapie procesu technologicznego, np. tuż przed obróbką wykańczającą umożliwia stosowanie mniejszych naddatków technologicznych (brak zgorzeliny!) czas zabiegu ograniczony jest do kilkudziesięciu minut jest niezastąpiona przy stabilizacji wymiarowej elementów regenerowanych np. przez spawanie lub napawanie nie pojawiają się żadne zmiany własności mechanicznych metali proces odprężania jest rejestrowany, a charakterystyki rezonansowe mogą służyć jako dokumenty w zakładowym systemie kontroli jakości wibrowane mogą być elementy o wadze od pojedynczych kilogramów do kilkuset ton - także konstrukcje rozległe możliwa jest obróbka elementów składających się z metali o różnych temperaturach topnienia. Jak każda technologia odprężanie wibracyjne ma też swoje ograniczenia. Należą do nich przypadki, w których: element jest na tyle sztywny, że w zakresie pracy wibratora nie występują częstości własne wtedy kluczowe zjawisko odkształceń rezonansowych nie wystąpi. element zawiera naprężenia powstałe w wyniku odkształceń na zimno konieczne jest osiągnięcie zmian strukturalnych w materiale materiał elementu jest nieplastyczny (np. hartowany na wskroś). Proces zaniku naprężeń wewnętrznych podczas odprężania wibracyjnego ma swoją dynamikę. Zachodzące zmiany mają charakter logarytmiczny największa jest prędkość zmian na początku obróbki. Ciekawe są w tym zakresie wyniki badań [6] przytoczone na rys.3, gdzie obserwowano odkształcenia powierzchniowe prostej belki swobodnej drgającej w pierwszej postaci drgań. Jak widać w każdym przypadku dla różnych metali największe
zmiany zachodzą w ciągu pierwszych 1000-2000 cykli obciążeń. Eksperyment przerywano przy 10 4 cyklach. rys. 3. Zmiany odkształceń powierzchniowych w czasie wibrowania [6]. 3. Zmiany własności elementów podczas wibrowania Obciążanie naprężeniami zmiennymi elementu zawierającego naprężenia resztkowe wywołuje w nim zmiany napięcia wewnętrznego. Na zewnątrz elementu manifestuje się to zmianami jego podatności na wymuszenie dynamiczne. W przypadku stacjonarnego wymuszenia okresową siłą o stałej amplitudzie i stałej częstotliwości odpowiedź dynamiczna, a więc amplituda drgań obiektu, będzie się zmieniać. Na rys. 4. przedstawiono przykładowe przebiegi wartości skutecznej przyspieszeń drgań w takich stacjonarnych warunkach. Dwie krzywe przedstawiają zarejestrowane przebiegi drgań poziomych i pionowych. Poszczególne odcinki dotyczą wibrowania konstrukcji przy wymuszeniu kolejnych postaci drgań. Jak widać nie można jednoznacznie stwierdzić, że podczas wibrowania występuje jakiś preferowany schemat zmian odpowiedzi. Obserwuje się zwykle zwiększanie amplitudy drgań rezonansowych, są jednak przypadki, gdy amplituda maleje. Odpowiedzi na pytanie, jakie własności materiału zmieniają się podczas wibrowania udzieli analiza charakterystyki dynamicznej elementu. Procedurę odprężania poprzedza zwykle test harmoniczny struktury. Określa się przy jego
rys. 4. Przykładowe przebiegi odpowiedzi wibrowanego elementu na stałe wymuszenie pomocy częstotliwości występowania drgań rezonansowych oraz poprawność mocowania wibratora i posadowienia elementu na elastycznych podporach. Test taki przeprowadzany jest zwykle w szerokim zakresie częstości i służyć może jako charakterystyka dynamiczna elementu. W kategoriach analizy modalnej jest to informacja o częstościach własnych i tłumieniu materiałowym dla poszczególnych postaci własnych. Pamiętać oczywiście trzeba, że wymuszenie drgań odbywa się elektrowibratorem przyczepnym, w którym siła wymuszająca drgania pochodząca od niewyważenia rośnie z kwadratem prędkości obrotowej, a obserwowaną odpowiedzą elementu jest wartość skuteczna przyspieszenia drgań w jednym ( lub dwóch ) punkcie reprezentatywnym dla całego obiektu. przyspieszenie drgań [m/s 2 ] przed wibrowaniem po wibrowaniu częstotliwość [Hz] rys. 5. Porównanie charakterystyki dynamicznej elementu przed i po odprężaniu wibracyjnym. Jeśli wykonamy taki zmodyfikowany test harmoniczny przed odprężaniem i po odprężaniu, uzyskamy odpowiedź, jak zmieniły się parametry modalne elementu w wyniku usunięcia
naprężeń resztkowych. Na rys. 5 i 6 przedstawiono przykładowe porównanie dla stanu przed i po odprężaniu wibracyjnym. przyspieszenie drgań [m/s 2 ] po wibrowaniu przed wibrowaniem częstotliwość [Hz] rys. 6. Porównanie charakterystyki dynamicznej elementu przed i po odprężaniu wibracyjnym. Obserwacja charakterystyk elementu prowadzi do wniosku, że w wyniku poddania elementu drganiom następują w nim zmiany, polegające przede wszystkim na tym, że częstości rezonansowe e przesuwają się w dół tłumienie materiałowe maleje -> amplituda drgań rezonansowych rośnie. Przesuwanie się w dół częstości rezonansowych daje się dość łatwo wytłumaczyć zmianą sztywności elementu. Konstrukcja w stanie naprężonym jest sztywniejsza niż w stanie odprężonym. Przy niezmiennej masie elementu prowadzi to do zmniejszenia częstości własnych f o, co wynika z prostej relacji dla jednej postaci drgań 1 2 K M gdzie K i M są odpowiednio zredukowaną sztywnością i zredukowaną masą dla danej postaci drgań. Ponieważ w rzeczywistości mamy do czynienia ze zmienną w czasie sztywnością, częstość własna staje się funkcją czasu (1) 1 2 K M (2) Zgodnie z obserwacjami w warunkach polowych, zmienność odpowiedzi wibrowanego elementu jest procesem o charakterze logarytmicznym. ym. Widać to wyraźnie na rys. 4.
Podczas odprężania wibracyjnego obserwuje się nie tylko zmniejszanie częstości własnych, ale także rośnięcie amplitud rezonansowych. Przyczyną takiego zjawiska może być jedynie zmniejszenie się tłumienia z materiale elementu. Wysokość szczytu rezonansowego zależy wprost od wielkości tego tłumienia. Przygotowując operację odprężania wibracyjnego dobiera się taką lokalizację podatnych elementów wsporczych, aby ich wpływ na ruch wibrowanego elementu był jak najmniejszy. Najlepszym miejscem jest tu oczywiście węzeł lub linia węzłowa. Przy tego typu lokalizacji podpór nie mogą one mieć istotnego wpływu na tłumienie ruchu elementu. Stąd wniosek, że zmiany amplitud rezonansowych związane są ze zmianami tłumienia wewnętrznego (materiałowego) w elemencie. Zjawisko to świadczy o istotności zmian strukturalnych, zachodzących podczas wibrowania elementu. Przykład takiej sytuacji przedstawiono na rys. 7, zestawiając dwa procesy wibrowania na tej samej postaci własnej elementu walcowego wykonanego ze stali duplex w dwóch prostopadłych płaszczyznach. przyspieszenie [m/s2] przyspieszenie [m/s2] częstotliwość [Hz] częstotliwość [Hz] czas [s] czas [s] rys. 7. Wykresy zmian przyspieszenia drgań w punkcie kontrolnym podczas wibrowania elementu walcowego w dwóch prostopadłych płaszczyznach Początkowa częstotliwość rezonansowa 48,51 Hz zmniejszyła się podczas wibrowania do 42,17 Hz. Ponieważ skala zmian zależy od stopnia naprężenia konstrukcji wnioskować można, że odprężana konstrukcja zawierała w obszarze poddanym odkształceniom dynamicznym miejsca o wysokim poziomie naprężeń wewnętrznych. Tak istotne zmiany nie występują często. Zdarzają się nawet przypadki braku obserwowalnych zmian własności modalnych lub przypadki zmniejszania się amplitud drgań rezonansowych po wibrowaniu. Wyjaśnienie mechanizmu tych zmian jest trudne gdyż metody badania ania struktury naprężeń wewnętrznych w warunkach warsztatowych są trudno dostępne i ich powiązanie z obserwowanymi zmianami praktycznie niemożliwe. 4. Wnioski Odprężanie wibracyjne konstrukcji spawanych mimo swych niezaprzeczalnych zalet nie jest powszechnie stosowane. Rozwój tej metody ogranicza w pewien sposób konieczność eksperckiego podejścia do każdego przypadku. Daje się trudno zalgorytmizować mimo możliwości obserwowania symptomów zachodzenia procesów stabilizacji naprężeń wewnętrznych. Różnorodność obrabianych wibracyjnie elementów i różnorodność ich stanu wewnętrznego naprężenia wymaga każdorazowo pieczołowitej analizy sytuacji, obserwacji reakcji wibrowanego elementu oraz adaptacyjnego podejścia do całości procedury.
Zmienność parametrów modalnych (częstości własnych i tłumienia materiałowego) może być miarą zachodzących procesów relaksacji naprężeń. Zmiany te mają jednak charakter warunku dostatecznego nie koniecznego. Znaczy to, że jeśli zmiany parametrów modalnych dają się zaobserwować, nastąpiła relaksacja naprężeń wewnętrznych. Jeśli zmian takich nie obserwujemy, naprężenia są usuwane, o czym świadczy stabilność wymiarowa elementu, lecz wrażliwość parametrów modalnych konstrukcji może być zbyt mała by wykazać zmiany. Problemem może być np. dokładne określenie częstotliwości rezonansowej. Błąd odczytu 0,02%, spotykany w większości aparatury stosowanej do odprężania, może być zbyt duży. Wykorzystywanie w tym zakresie dokładnych metod analizy modalnej jest niezwykle trudne w warunkach polowych, choćby ze względu na konieczność zachowania stałych warunków podparcia elementu w czasie całej procedury. Dla odpowiednio wyszkolonego operatora (eksperta) informacje pochodzące z obserwacji przebiegu procedury odprężania muszą być wystarczające dla wyboru szczegółowych parametrów odprężania i czasu trwania operacji. Literatura 1. Quanhong LIN, Jing CHEN, Huaining CHEN: Possibility of Inducing Compressive Residual Stresses in Welded Joints of SS400 Steels, J.Mater.Sci.Technol. Vol. 17, No.6, 2001, s. 661-663. 2. Sędek P. Stabilizacja wibracyjna sposobem na podwyższenie stabilności wymiarowej konstrukcji obrabianych mechanicznie, Inżynieria Maszyn, rok: 2005, R. 10, z. 3, s. 148-160. 3. McGoldrick R.T.,Saunders H.E.: SOME EXPERIMENTS IN STRESS-RELIEVING CASTINGS AND WELDED STRUCTURES BY VIBRATION.Journal of the American Society of Naval Engineers, November 1943, Vol. 55, No. 4, s. 589-609. 4. Lipiński L, Lipka J.: Sposób i urządzenie do usuwania naprężeń, Urząd Patentowy PRL, Opis Patentowy 66989, opubl. 28.II.1973, zgłoszono 22.II.1969. 5. Huang X.P., Cui W.C.: Effect of Bauschinger Effect and Yield Criterion on Residual Stress Distribution of Autofrettaged Tube, Trans. of the ASME, Vol. 128, May 2006, s.212-216. 6. Dawson R., Moffat D.G.: Vibratory Stress Relief: A Fundamental Study of its Effectiveness, Trans. of the ASME, April 1980, Vol. 102, s. 170