Jak zmniejszyć naprężenia szczątkowe łańcucha rolkowego po spawaniu
W procesie produkcji i wytwarzania łańcuchów rolkowych spawanie jest kluczowym procesem. Jednak po spawaniu w łańcuchach rolkowych często występują naprężenia szczątkowe. Jeśli nie zostaną podjęte skuteczne środki w celu ich zmniejszenia, będzie to miało wiele negatywnych skutków dla jakości i wydajności.łańcuch rolkowy, takich jak zmniejszenie wytrzymałości zmęczeniowej, powodujące odkształcenia, a nawet pęknięcia, co wpływa na normalne użytkowanie i żywotność łańcuchów rolkowych w różnych urządzeniach mechanicznych. Dlatego bardzo ważne jest dogłębne przestudiowanie i opanowanie metod redukcji naprężeń szczątkowych podczas spawania łańcuchów rolkowych.
1. Przyczyny naprężeń szczątkowych
Podczas procesu spawania, spawana część łańcucha rolkowego będzie poddawana nierównomiernemu nagrzewaniu i chłodzeniu. Podczas spawania temperatura spoiny i otaczającego ją obszaru gwałtownie rośnie, a materiał metalowy rozszerza się; podczas chłodzenia skurcz metalu w tych obszarach jest ograniczany przez otaczający, nienagrzany metal, generując w ten sposób naprężenia szczątkowe.
Warunki związane z oporami podczas spawania również wpływają na wielkość i rozkład naprężeń szczątkowych. Jeśli łańcuch rolkowy jest silnie ograniczony podczas spawania, tj. stopień odkształcenia stałego lub ograniczonego jest duży, to podczas procesu chłodzenia po spawaniu naprężenia szczątkowe spowodowane brakiem możliwości swobodnego skurczenia również odpowiednio wzrosną.
Nie można ignorować czynników związanych z samym materiałem metalowym. Różne materiały charakteryzują się odmiennymi właściwościami termicznymi, fizycznymi i mechanicznymi, co prowadzi do zróżnicowanej rozszerzalności cieplnej, skurczu i granicy plastyczności materiałów podczas spawania, wpływając tym samym na powstawanie naprężeń szczątkowych. Na przykład, niektóre stale stopowe o wysokiej wytrzymałości charakteryzują się wysoką granicą plastyczności i są podatne na powstawanie dużych naprężeń szczątkowych podczas spawania.
2. Metody redukcji naprężeń szczątkowych podczas spawania łańcuchów rolkowych
(I) Optymalizacja procesu spawania
Rozsądnie zaplanuj kolejność spawania: W przypadku spawania łańcuchów rolkowych, spoiny o dużym skurczu należy spawać najpierw, a spoiny o małym skurczu – później. Pozwala to na swobodniejsze kurczenie się spoiny podczas spawania, zmniejszając naprężenia szczątkowe spowodowane ograniczonym skurczem spoiny. Na przykład, podczas spawania wewnętrznych i zewnętrznych płyt łańcucha rolkowego, najpierw spawana jest wewnętrzna płytka łańcucha, a następnie, po jej ostygnięciu, zewnętrzna płytka łańcucha, aby spoina wewnętrznej płytki łańcucha nie była zbyt mocno ograniczona przez zewnętrzną płytkę łańcucha podczas kurczenia.
Stosuj odpowiednie metody i parametry spawania: Różne metody spawania charakteryzują się różnymi naprężeniami szczątkowymi w łańcuchach rolkowych. Na przykład spawanie w osłonie gazów ochronnych może w pewnym stopniu zmniejszyć strefę wpływu ciepła w porównaniu z niektórymi tradycyjnymi metodami spawania, dzięki skoncentrowanemu ciepłu łuku i wysokiej sprawności cieplnej, a tym samym zmniejszyć naprężenia szczątkowe. Jednocześnie kluczowe jest rozsądne dobranie parametrów, takich jak prąd spawania, napięcie i prędkość spawania. Zbyt duży prąd spawania prowadzi do nadmiernego wtopienia spoiny i nadmiernego dopływu ciepła, co powoduje przegrzanie spoiny i wzrost naprężeń szczątkowych. Natomiast odpowiednie parametry spawania mogą zwiększyć stabilność procesu spawania, zmniejszyć liczbę wad spawalniczych, a tym samym zmniejszyć naprężenia szczątkowe.
Kontrola temperatury międzywarstwy: Podczas spawania łańcuchów rolkowych w wielu warstwach i przejściach, kontrola temperatury międzywarstwy jest skutecznym sposobem na redukcję naprężeń szczątkowych. Odpowiednia temperatura międzywarstwy pozwala utrzymać metal spoiny i strefy wpływu ciepła w dobrej plastyczności podczas spawania, co sprzyja skurczowi spoiny i odprężeniu. Zasadniczo temperaturę międzywarstwy należy dobierać w zależności od właściwości materiałów użytych w łańcuchu rolkowym oraz wymagań procesu spawania, a temperaturę podczas spawania należy mierzyć i kontrolować, aby upewnić się, że temperatura międzywarstwy mieści się w odpowiednim zakresie.
(II) Zastosować odpowiednie środki podgrzewania wstępnego i końcowego podczas spawania
Podgrzewanie wstępne: Przed spawaniem łańcucha rolkowego, podgrzanie wstępne spoiny może skutecznie zmniejszyć naprężenia szczątkowe. Podgrzewanie wstępne może zmniejszyć różnicę temperatur w spoinie i zapewnić bardziej równomierny rozkład temperatury w spoinie podczas spawania, zmniejszając w ten sposób naprężenia cieplne wywołane gradientem temperatury. Ponadto, podgrzanie wstępne może również zwiększyć temperaturę początkową spoiny, zmniejszyć różnicę temperatur między spoiną a materiałem bazowym, poprawić parametry spoiny, ograniczyć powstawanie wad spawalniczych, a tym samym zmniejszyć naprężenia szczątkowe. Temperaturę podgrzewania wstępnego należy określić na podstawie składu, grubości, metody spawania oraz temperatury otoczenia materiału łańcucha rolkowego.
Podgrzewanie po spawaniu: Obróbka cieplna po spawaniu, czyli odwodornienie, jest również jednym z ważnych sposobów redukcji naprężeń szczątkowych podczas spawania łańcuchów rolkowych. Obróbka cieplna po spawaniu zazwyczaj polega na podgrzaniu spoiny do około 250-350°C bezpośrednio po zakończeniu spawania i schłodzeniu jej do określonej temperatury, a następnie powolnym schłodzeniu po utrzymaniu ciepła przez określony czas. Głównym celem podgrzania po spawaniu jest przyspieszenie dyfuzji i ucieczki atomów wodoru w spoinie i strefie wpływu ciepła, zmniejszenie zawartości wodoru w spoinie, a tym samym ograniczenie ryzyka pękania korozyjnego naprężeniowego indukowanego wodorem, a także pomoc w redukcji naprężeń szczątkowych podczas spawania. Obróbka cieplna po spawaniu jest szczególnie ważna w przypadku spawania niektórych stali o wysokiej wytrzymałości i grubościennych łańcuchów rolkowych.
(III) Wykonaj obróbkę cieplną po spawaniu
Całkowite odpuszczanie w wysokiej temperaturze: Umieść cały łańcuch rolkowy w piecu grzewczym, powoli nagrzej go do około 600-700°C, utrzymuj w cieple przez określony czas, a następnie schłodź do temperatury pokojowej w piecu. To całkowite odpuszczanie w wysokiej temperaturze może skutecznie wyeliminować naprężenia szczątkowe w łańcuchu rolkowym – zazwyczaj można wyeliminować 80%-90% naprężeń szczątkowych. Temperaturę i czas odpuszczania w wysokiej temperaturze należy precyzyjnie kontrolować, biorąc pod uwagę takie czynniki, jak materiał, rozmiar i wymagania eksploatacyjne łańcucha rolkowego, aby zapewnić efekt obróbki cieplnej i jakość. Jednakże, całkowite odpuszczanie w wysokiej temperaturze wymaga większego sprzętu do obróbki cieplnej, a koszt obróbki jest stosunkowo wysoki. Jednak w przypadku niektórych łańcuchów rolkowych o surowych wymaganiach dotyczących naprężeń szczątkowych jest to idealna metoda eliminacji naprężeń szczątkowych.
Lokalne odpuszczanie w wysokiej temperaturze: W przypadku łańcuchów rolkowych o dużych rozmiarach lub skomplikowanym kształcie, a ogólne odpuszczanie w wysokiej temperaturze jest trudne, można zastosować lokalne odpuszczanie w wysokiej temperaturze. Lokalne odpuszczanie w wysokiej temperaturze polega na podgrzaniu tylko spoiny łańcucha rolkowego i obszaru w jego pobliżu, aby wyeliminować naprężenia szczątkowe w tym obszarze. W porównaniu z ogólnym odpuszczaniem w wysokiej temperaturze, lokalne odpuszczanie w wysokiej temperaturze charakteryzuje się stosunkowo niższymi wymaganiami sprzętowymi i niższymi kosztami obróbki, ale jego skuteczność w eliminacji naprężeń szczątkowych nie jest tak skuteczna, jak w przypadku ogólnego odpuszczania w wysokiej temperaturze. Podczas lokalnego odpuszczania w wysokiej temperaturze należy zwrócić uwagę na równomierność nagrzewania i kontrolę temperatury nagrzewania, aby uniknąć nowych naprężeń lub innych problemów jakościowych spowodowanych lokalnym przegrzaniem lub nierównomierną temperaturą.
(IV) Metoda rozciągania mechanicznego
Metoda rozciągania mechanicznego polega na przyłożeniu siły rozciągającej do łańcucha rolkowego po spawaniu, powodując jego odkształcenie plastyczne, kompensując w ten sposób ściskające odkształcenie szczątkowe powstałe podczas spawania i osiągając cel redukcji naprężeń szczątkowych. W praktyce, specjalny sprzęt do rozciągania może być użyty do ustawienia odpowiedniej siły rozciągającej i prędkości rozciągania, zgodnie ze specyfikacją i wymaganiami eksploatacyjnymi łańcucha rolkowego, aby zapewnić równomierne rozciąganie łańcucha rolkowego. Metoda ta sprawdza się w przypadku niektórych łańcuchów rolkowych, które wymagają precyzyjnej kontroli rozmiaru i eliminacji naprężeń szczątkowych, ale wymaga wyposażenia w odpowiedni sprzęt do rozciągania i profesjonalnych operatorów, a także spełnia określone wymagania dotyczące miejsc produkcji i warunków procesu.
(V) Metoda rozciągania różnicą temperatur
Podstawową zasadą metody rozciągania różnicą temperatur jest wykorzystanie różnicy temperatur generowanej przez lokalne ogrzewanie do wywołania odkształcenia rozciągającego w obszarze spoiny, co pozwala na zmniejszenie naprężeń szczątkowych. Operacja polega na użyciu palnika acetylenowo-tlenowego do nagrzania każdej strony spoiny łańcuchowej, a jednocześnie na użyciu rury wodnej z rzędem otworów do rozpylania wody chłodzącej w pewnej odległości za palnikiem. W ten sposób po obu stronach spoiny powstaje obszar o wysokiej temperaturze, podczas gdy temperatura obszaru spawania jest niska. Metal po obu stronach rozszerza się pod wpływem ciepła i rozciąga obszar spoiny w niższej temperaturze, co pozwala na wyeliminowanie części naprężeń szczątkowych. Urządzenie do rozciągania różnicą temperatur jest stosunkowo proste i łatwe w obsłudze. Można je elastycznie stosować na placu budowy lub w miejscu produkcji, ale jego skuteczność w eliminacji naprężeń szczątkowych jest w dużym stopniu zależna od parametrów takich jak temperatura nagrzewania, prędkość chłodzenia i odległość rozpylania wody. Wymaga ono precyzyjnej kontroli i regulacji w zależności od rzeczywistych warunków.
(VI) Leczenie starzenia wibracyjnego
Starzenie wibracyjne wykorzystuje energię mechaniczną drgań, aby wprowadzić łańcuch rolkowy w rezonans, dzięki czemu naprężenia szczątkowe wewnątrz obrabianego przedmiotu zostają ujednolicone i zredukowane. Łańcuch rolkowy umieszczany jest na specjalnym urządzeniu do starzenia wibracyjnego, a częstotliwość i amplituda wzbudzenia są regulowane tak, aby łańcuch rolkowy wszedł w rezonans w określonym czasie. Podczas procesu rezonansu ziarna metalu wewnątrz łańcucha rolkowego przesuwają się i przestawiają, poprawia się mikrostruktura, a naprężenia szczątkowe stopniowo maleją. Starzenie wibracyjne charakteryzuje się prostotą obsługi, krótkim czasem obróbki, niskim kosztem, wysoką wydajnością itp. i nie wpływa na jakość powierzchni łańcucha rolkowego. Dlatego jest szeroko stosowane w produkcji łańcuchów rolkowych. Ogólnie rzecz biorąc, starzenie wibracyjne może wyeliminować około 30%–50% naprężeń szczątkowych powstających podczas spawania łańcuchów rolkowych. W przypadku niektórych łańcuchów rolkowych, które nie wymagają szczególnie wysokich naprężeń szczątkowych, starzenie wibracyjne jest ekonomiczną i skuteczną metodą eliminacji naprężeń szczątkowych.
(VII) Metoda młotkowania
Metoda młotkowania jest prostą i powszechnie stosowaną metodą redukcji naprężeń szczątkowych podczas spawania. Po zespawaniu łańcucha rolkowego, gdy temperatura spawania wynosi 100–150°C lub powyżej 400°C, należy użyć małego młotka, aby równomiernie uderzać w spoinę i jej sąsiednie obszary, powodując miejscowe odkształcenie plastyczne metalu, a tym samym zmniejszając naprężenia szczątkowe. Należy pamiętać, że podczas procesu młotkowania należy go unikać w zakresie temperatur 200–300°C, ponieważ metal jest w tym czasie kruchy, a młotkowanie może łatwo spowodować pęknięcie spoiny. Ponadto siła i częstotliwość młotkowania powinny być umiarkowane i powinny być dostosowane do czynników takich jak grubość łańcucha rolkowego i rozmiar spoiny, aby zapewnić efekt młotkowania i jakość. Metoda młotkowania jest zazwyczaj odpowiednia do niektórych małych, prostych spawów łańcucha rolkowego. W przypadku dużych lub złożonych spawów łańcucha rolkowego efekt metody młotkowania może być ograniczony i należy ją stosować w połączeniu z innymi metodami.
3. Jak wybrać odpowiednią metodę redukcji naprężeń szczątkowych
W rzeczywistej produkcji, w zależności od różnych warunków i wymagań łańcucha rolkowego, konieczne jest kompleksowe rozważenie zalet i wad, zakresu zastosowania, kosztów i innych czynników różnych metod redukcji naprężeń szczątkowych, aby wybrać odpowiednią metodę obróbki. Na przykład, w przypadku niektórych precyzyjnych, wytrzymałych i grubościennych łańcuchów rolkowych, najlepszym wyborem może być ogólne odpuszczanie w wysokiej temperaturze; natomiast w przypadku dużych partii i prostych kształtów łańcuchów rolkowych, obróbka starzeniowa wibracyjna lub metoda młotkowania mogą skutecznie obniżyć koszty produkcji i poprawić jej wydajność. Jednocześnie, wybierając metodę redukcji naprężeń szczątkowych, należy w pełni uwzględnić środowisko użytkowania i warunki pracy łańcucha rolkowego, aby upewnić się, że zastosowana metoda spełnia wymagania eksploatacyjne i standardy jakościowe łańcucha rolkowego w rzeczywistym użytkowaniu.
4. Rola redukcji naprężeń szczątkowych w poprawie jakości i wydajności łańcuchów rolkowych
Zmniejszenie naprężeń szczątkowych w procesie spawania może znacząco poprawić wytrzymałość zmęczeniową łańcuchów rolkowych. Zmniejszenie lub wyeliminowanie naprężeń rozciągających w łańcuchu rolkowym powoduje odpowiednie obniżenie rzeczywistego poziomu naprężeń, jakie łańcuch ten przenosi podczas pracy, co zmniejsza ryzyko pęknięcia spowodowanego powstawaniem i rozszerzaniem się pęknięć zmęczeniowych oraz wydłuża żywotność łańcucha rolkowego.
Pomaga poprawić stabilność wymiarową i dokładność kształtu łańcucha rolkowego. Nadmierne naprężenie szczątkowe może spowodować odkształcenie łańcucha rolkowego podczas użytkowania, wpływając na jego dokładność dopasowania do kół zębatych i innych komponentów, a tym samym na normalną pracę urządzeń mechanicznych. Dzięki zmniejszeniu naprężenia szczątkowego łańcuch rolkowy może zachować dobrą stabilność wymiarową i dokładność kształtu podczas użytkowania, a także poprawić niezawodność i precyzję przekładni.
Może zmniejszyć tendencję do pękania korozyjnego naprężeniowego łańcuchów rolkowych w środowiskach korozyjnych. Naprężenie rozciągające szczątkowe zwiększa wrażliwość łańcuchów rolkowych na pękanie korozyjne naprężeniowe w środowiskach korozyjnych, a zmniejszenie naprężenia szczątkowego może skutecznie zmniejszyć to ryzyko, poprawić odporność łańcuchów rolkowych na korozję w trudnych warunkach i poszerzyć zakres ich zastosowań.
Czas publikacji: 30 czerwca 2025 r.