Как уменьшить остаточное напряжение роликовой цепи после сварки
В процессе производства и изготовления роликовых цепей сварка является ключевым этапом. Однако после сварки в роликовой цепи часто остаются остаточные напряжения. Если не принять эффективных мер по их снижению, это окажет множество негативных последствий на качество и эксплуатационные характеристики цепи.роликовая цепьнапример, это приводит к снижению усталостной прочности, деформации и даже разрушению, что, в свою очередь, влияет на нормальную работу и срок службы роликовых цепей в различном механическом оборудовании. Поэтому крайне важно глубоко изучить и освоить методы снижения остаточных напряжений при сварке роликовых цепей.
1. Причины остаточного напряжения
В процессе сварки свариваемая часть роликовой цепи подвергается неравномерному нагреву и охлаждению. Во время сварки температура сварного шва и окружающей области быстро повышается, и металл расширяется; а в процессе охлаждения усадка металла в этих областях ограничивается окружающим ненагретым металлом, что приводит к возникновению остаточных сварочных напряжений.
Условия ограничения деформации во время сварки также влияют на величину и распределение остаточных напряжений. Если роликовая цепь сильно ограничена во время сварки, то есть степень фиксированной или ограниченной деформации велика, то в процессе охлаждения после сварки остаточные напряжения, вызванные невозможностью свободной усадки, также соответственно возрастут.
Нельзя игнорировать факторы, связанные с самим металлическим материалом. Различные материалы обладают разными теплофизическими и механическими свойствами, что приводит к различному термическому расширению, сжатию и пределу текучести материалов во время сварки, тем самым влияя на возникновение остаточных напряжений. Например, некоторые высокопрочные легированные стали имеют высокий предел текучести и склонны к возникновению больших остаточных напряжений во время сварки.
2. Методы снижения остаточных напряжений при сварке роликовых цепей
(I) Оптимизация процесса сварки
Разумная последовательность сварки: при сварке роликовых цепей сначала следует сваривать швы с большой усадкой, а швы с малой усадкой — позже. Это позволяет сварному шву свободнее усаживаться во время сварки, уменьшая остаточные напряжения, вызванные ограниченной усадкой сварного шва. Например, при сварке внутренней и внешней пластин роликовой цепи сначала сваривается внутренняя пластина, а затем, после охлаждения, — внешняя, чтобы сварной шов внутренней пластины не был слишком сильно ограничен усадкой внешней пластины.
Используйте соответствующие методы и параметры сварки: Различные методы сварки приводят к различным остаточным напряжениям на роликовых цепях. Например, сварка в защитной газовой среде может в определенной степени уменьшить зону термического воздействия по сравнению с некоторыми традиционными методами сварки благодаря концентрированному тепловому воздействию дуги и высокой тепловой эффективности, тем самым снижая остаточные напряжения. В то же время крайне важно разумно выбирать такие параметры, как сварочный ток, напряжение и скорость сварки. Избыточный сварочный ток приведет к чрезмерному проплавлению и чрезмерному подводу тепла, что вызовет перегрев сварного шва и увеличение остаточных напряжений; в то время как соответствующие параметры сварки могут сделать процесс сварки более стабильным, уменьшить количество дефектов сварки и, следовательно, снизить остаточные напряжения.
Контроль температуры межслойного соединения: При многослойной и многопроходной сварке роликовых цепей контроль температуры межслойного соединения является эффективной мерой для снижения остаточных напряжений. Соответствующая температура межслойного соединения позволяет сохранить хорошую пластичность металла сварного шва и зоны термического воздействия в процессе сварки, что способствует усадке сварного шва и снятию напряжений. Как правило, температура межслойного соединения должна определяться в соответствии со свойствами материалов, используемых в роликовой цепи, и требованиями процесса сварки, а температура в процессе сварки должна измеряться и контролироваться для обеспечения того, чтобы температура межслойного соединения находилась в соответствующем диапазоне.
(II) Примите соответствующие меры предварительного и последующего нагрева при сварке.
Предварительный нагрев: Перед сваркой роликовой цепи предварительный нагрев сварного соединения эффективно снижает остаточные напряжения, возникающие при сварке. Предварительный нагрев уменьшает разницу температур в сварном шве и делает распределение температуры в сварном соединении более равномерным во время сварки, тем самым снижая термические напряжения, вызванные температурным градиентом. Кроме того, предварительный нагрев также может повысить начальную температуру сварного соединения, уменьшить разницу температур между сварочным металлом и основным материалом, улучшить характеристики сварного соединения, уменьшить образование сварочных дефектов и, следовательно, снизить остаточные напряжения. Определение температуры предварительного нагрева должно основываться на составе, толщине, методе сварки и температуре окружающей среды материала роликовой цепи.
Последующий нагрев: Последующая термическая обработка после сварки, то есть обработка дегидрированием, также является одним из важных способов снижения остаточных напряжений при сварке роликовых цепей. Последующая термическая обработка обычно начинается с нагрева сварного шва до 250-350℃ сразу после завершения сварки и охлаждения до определенной температуры, а затем медленного охлаждения после выдержки в течение определенного периода времени. Основная функция последующего нагрева заключается в ускорении диффузии и выхода атомов водорода в сварном шве и зоне термического воздействия, снижении содержания водорода в сварном шве, тем самым уменьшая вероятность коррозионного растрескивания под напряжением, вызванного водородом, а также в снижении остаточных напряжений при сварке. Последующая термическая обработка особенно важна при сварке некоторых высокопрочных сталей и толстостенных роликовых цепей.
(III) Провести термическую обработку после сварки.
Высокотемпературная закалка всей цепи: цепь помещают в нагревательную печь, медленно нагревают до 600-700℃, выдерживают в течение определенного времени, а затем охлаждают до комнатной температуры в печи. Такая высокотемпературная закалка эффективно устраняет остаточные напряжения в цепи, обычно удается снять 80-90% остаточных напряжений. Температуру и время высокотемпературной закалки следует точно контролировать в зависимости от таких факторов, как материал, размер и требования к характеристикам цепи, чтобы обеспечить эффективность и качество термообработки. Однако высокотемпературная закалка всей цепи требует более крупного термообрабатывающего оборудования и относительно высока по стоимости, но для некоторых цепей с жесткими требованиями к остаточным напряжениям это идеальный метод их устранения.
Локальная высокотемпературная закалка: Когда роликовая цепь имеет большие размеры или сложную форму, и полная высокотемпературная закалка затруднена, можно использовать локальную высокотемпературную закалку. Локальная высокотемпературная закалка заключается в нагреве только сварного шва роликовой цепи и прилегающей к нему области для устранения остаточных напряжений в этой зоне. По сравнению с полной высокотемпературной закалкой, локальная высокотемпературная закалка требует меньше оборудования и имеет меньшие технологические затраты, но её эффект устранения остаточных напряжений не так значителен. При проведении локальной высокотемпературной закалки следует уделять внимание равномерности нагреваемой зоны и контролю температуры нагрева, чтобы избежать образования новых концентраций напряжений или других проблем с качеством, вызванных локальным перегревом или неравномерным распределением температуры.
(IV) Метод механического растяжения
Метод механического растяжения заключается в приложении растягивающей силы к роликовой цепи после сварки, что вызывает пластическую деформацию, компенсируя тем самым остаточную деформацию сжатия, возникающую в процессе сварки, и достигая цели снижения остаточных напряжений. На практике можно использовать специальное оборудование для растяжения, позволяющее установить соответствующую растягивающую силу и скорость растяжения в соответствии со спецификациями и требованиями к характеристикам роликовой цепи для равномерного растяжения. Этот метод хорошо подходит для некоторых изделий из роликовых цепей, требующих точного контроля размеров и устранения остаточных напряжений, но требует наличия соответствующего оборудования для растяжения и квалифицированных операторов, а также предъявляет определенные требования к производственным площадкам и условиям процесса.
(V) Метод растяжения при разности температур
Основной принцип метода растяжения с использованием разницы температур заключается в использовании разницы температур, создаваемой локальным нагревом, для вызывания деформации растяжения в зоне сварного шва, тем самым снижая остаточные напряжения. Конкретная операция состоит в том, чтобы использовать кислородно-ацетиленовую горелку для нагрева каждой стороны сварного шва роликовой цепи, одновременно используя водопроводную трубу с рядом отверстий для распыления воды для охлаждения на определенном расстоянии за горелкой. Таким образом, на обеих сторонах сварного шва образуется зона высокой температуры, в то время как температура в зоне сварного шва низкая. Металл с обеих сторон расширяется из-за нагрева и растягивает зону сварного шва при более низкой температуре, тем самым достигая цели устранения части остаточных напряжений в сварном шве. Оборудование для метода растяжения с использованием разницы температур относительно простое и легкое в эксплуатации. Оно может гибко применяться на строительной или производственной площадке, но его эффективность в устранении остаточных напряжений в значительной степени зависит от таких параметров, как температура нагрева, скорость охлаждения и расстояние распыления воды. Необходимо точно контролировать и регулировать эти параметры в соответствии с реальными условиями.
(VI) Обработка вибрационным старением
Вибрационная обработка старением использует воздействие механической энергии вибрации для создания резонанса роликовой цепи, что приводит к гомогенизации и снижению остаточных напряжений внутри заготовки. Роликовая цепь помещается на специальное оборудование для вибрационной обработки старением, а частота и амплитуда возбудителя регулируются таким образом, чтобы роликовая цепь резонировала в течение определенного периода времени. В процессе резонанса металлические зерна внутри роликовой цепи скользят и перестраиваются, улучшается микроструктура, и остаточные напряжения постепенно уменьшаются. Вибрационная обработка старением обладает преимуществами простоты оборудования, короткого времени обработки, низкой стоимости, высокой эффективности и т. д., и не влияет на качество поверхности роликовой цепи. Поэтому она широко используется в производстве роликовых цепей. В целом, вибрационная обработка старением позволяет устранить около 30–50% остаточных напряжений при сварке роликовой цепи. Для некоторых изделий из роликовых цепей, для которых не требуется особенно высоких остаточных напряжений, вибрационная обработка старением является экономичным и эффективным методом устранения остаточных напряжений.
(VII) Метод забивания молотком
Метод ударного воздействия — это простой и широко используемый способ снижения остаточных напряжений при сварке. После сварки роликовой цепи, когда температура сварного шва достигает 100–150℃ или превышает 400℃, небольшим молотком равномерно постукивают по сварному шву и прилегающим к нему участкам, вызывая локальную пластическую деформацию металла и тем самым снижая остаточные напряжения. Следует отметить, что во время процесса ударного воздействия следует избегать температур в диапазоне 200–300℃, поскольку в это время металл находится в хрупком состоянии, и удары могут легко привести к растрескиванию сварного шва. Кроме того, сила и частота ударов должны быть умеренными и должны регулироваться в зависимости от таких факторов, как толщина роликовой цепи и размер сварного шва, чтобы обеспечить эффективность и качество ударов. Метод ударного воздействия обычно подходит для некоторых небольших, простых сварных соединений роликовых цепей. Для больших или сложных сварных соединений роликовых цепей эффективность метода ударного воздействия может быть ограничена, и его необходимо использовать в сочетании с другими методами.
3. Как выбрать подходящий метод снижения остаточных напряжений
В реальном производстве, в зависимости от различных условий и требований к роликовой цепи, необходимо всесторонне учитывать преимущества и недостатки, область применения, стоимость и другие факторы различных методов снижения остаточных напряжений, чтобы выбрать подходящий метод обработки. Например, для некоторых высокоточных, высокопрочных, толстостенных роликовых цепей наилучшим выбором может быть общая высокотемпературная закалка; в то время как для некоторых крупных партий и роликовых цепей простой формы вибрационная обработка или ковка могут эффективно снизить производственные затраты и повысить эффективность производства. В то же время, при выборе метода снижения остаточных напряжений необходимо также в полной мере учитывать условия эксплуатации и рабочие условия роликовой цепи, чтобы гарантировать, что выбранный метод соответствует требованиям к производительности и стандартам качества роликовой цепи в реальных условиях эксплуатации.
4. Роль снижения остаточного напряжения в улучшении качества и производительности роликовых цепей.
Снижение остаточных сварочных напряжений может значительно повысить усталостную прочность роликовых цепей. Когда остаточные растягивающие напряжения в роликовой цепи уменьшаются или устраняются, фактический уровень напряжений, которые она испытывает во время работы, соответственно снижается, что уменьшает риск разрушения, вызванного образованием и распространением усталостных трещин, и продлевает срок службы роликовой цепи.
Это помогает улучшить стабильность размеров и точность формы роликовой цепи. Чрезмерное остаточное напряжение может привести к деформации роликовой цепи во время эксплуатации, влияя на точность ее сопряжения со звездочками и другими компонентами, и, следовательно, на нормальную работу механического оборудования. Снижение остаточного напряжения позволяет роликовой цепи сохранять хорошую стабильность размеров и точность формы во время эксплуатации, а также повышает надежность и точность передачи.
Это позволяет снизить склонность роликовых цепей к коррозионному растрескиванию под напряжением в агрессивных средах. Остаточное растягивающее напряжение повышает чувствительность роликовых цепей к коррозионному растрескиванию под напряжением в агрессивных средах, а снижение остаточного напряжения может эффективно уменьшить этот риск, повысить коррозионную стойкость роликовых цепей в жестких условиях и расширить область их применения.
Дата публикации: 30 июня 2025 г.