Як зменшити залишкове напруження роликового ланцюга після зварювання
У процесі виробництва роликових ланцюгів зварювання є ключовим процесом. Однак після зварювання в роликових ланцюгах часто залишаються залишкові напруження. Якщо не вжити ефективних заходів для їх зменшення, це матиме багато негативних наслідків для якості та продуктивності.роликовий ланцюг, таких як зниження його втомної міцності, що призводить до деформації та навіть руйнування, що впливає на нормальне використання та термін служби роликових ланцюгів у різному механічному обладнанні. Тому дуже важливо глибоко вивчити та опанувати методи зменшення залишкових напружень у зварюванні роликових ланцюгів.
1. Причини залишкової напруги
Під час зварювання зварювальна частина роликового ланцюга піддається нерівномірному нагріванню та охолодженню. Під час зварювання температура зварного шва та навколишньої зони швидко підвищується, і металевий матеріал розширюється; а під час охолодження стиснення металу в цих зонах обмежується навколишнім ненагрітим металом, що створює залишкові зварювальні напруги.
Умови обмеження під час зварювання також впливатимуть на розмір та розподіл залишкових напружень. Якщо роликовий ланцюг сильно обмежений під час зварювання, тобто ступінь фіксованої або обмеженої деформації великий, то під час процесу охолодження після зварювання залишкові напруження, спричинені неможливістю вільного усадження, також відповідно зростатимуть.
Не можна ігнорувати фактори, властиві самому металевому матеріалу. Різні матеріали мають різні теплофізичні та механічні властивості, що призводить до різного теплового розширення, стиснення та межі текучості матеріалів під час зварювання, впливаючи таким чином на утворення залишкових напружень. Наприклад, деякі високоміцні леговані сталі мають високу межу текучості та схильні до утворення великих залишкових напружень під час зварювання.
2. Методи зменшення залишкових напружень при зварюванні роликових ланцюгів
(I) Оптимізація процесу зварювання
Розумно організуйте послідовність зварювання: для зварювання роликових ланцюгів шви з великою усадкою слід зварювати спочатку, а шви з малою усадкою – пізніше. Це дозволяє шву вільніше стискатися під час зварювання, зменшуючи залишкові напруження, спричинені обмеженою усадкою шва. Наприклад, під час зварювання внутрішньої та зовнішньої ланцюгових пластин роликового ланцюга спочатку зварюється внутрішня ланцюгова пластина, а потім зовнішня ланцюгова пластина зварюється після її охолодження, щоб зварний шов внутрішньої ланцюгової пластини не був занадто обмежений зовнішньою ланцюговою пластиною під час усадки.
Використовуйте відповідні методи та параметри зварювання: Різні методи зварювання мають різні залишкові напруження на роликових ланцюгах. Наприклад, зварювання в середовищі захисного газу може певною мірою зменшити зону термічного впливу порівняно з деякими традиційними методами зварювання завдяки концентрованому тепловому випромінюванню дуги та високій тепловій ефективності, тим самим зменшуючи залишкові напруження. Водночас також важливо розумно вибирати такі параметри, як зварювальний струм, напруга та швидкість зварювання. Надмірний зварювальний струм призведе до надмірного проплавлення зварного шва та надмірного підведення тепла, що спричинить перегрів зварного з'єднання та збільшення залишкових напружень; тоді як відповідні параметри зварювання можуть зробити процес зварювання стабільнішим, зменшити дефекти зварювання та, таким чином, зменшити залишкові напруження.
Контроль температури міжшарового шару: Під час зварювання роликових ланцюгів у кілька шарів та кілька проходів контроль температури міжшарового шару є ефективним заходом для зменшення залишкових напружень. Відповідна температура міжшарового шару може підтримувати метал зварного шва та зони термічного впливу в хорошій пластичності під час процесу зварювання, що сприяє усадці зварного шва та зняттю напружень. Як правило, температуру міжшарового шару слід визначати відповідно до властивостей матеріалів, що використовуються в роликовому ланцюзі, та вимог процесу зварювання, а температуру під час процесу зварювання слід вимірювати та контролювати, щоб забезпечити відповідність температури міжшарового шару відповідному діапазону.
(II) Вжити відповідних заходів для попереднього та додаткового нагрівання зварювання
Попередній нагрів: Перед зварюванням роликового ланцюга попередній нагрів зварного шва може ефективно зменшити залишкові напруження зварювання. Попередній нагрів може зменшити різницю температур зварного з'єднання та зробити розподіл температури зварного шва більш рівномірним під час зварювання, тим самим зменшуючи термічне напруження, спричинене градієнтом температур. Крім того, попередній нагрів також може підвищити початкову температуру зварного шва, зменшити різницю температур між металом шва та основним матеріалом, покращити характеристики зварного з'єднання, зменшити утворення дефектів зварювання та, таким чином, зменшити залишкові напруження. Визначення температури попереднього нагрівання повинно ґрунтуватися на складі, товщині, методі зварювання та температурі навколишнього середовища матеріалу роликового ланцюга.
Після нагрівання: Післязварювальна термічна обробка, тобто дегідрування, також є одним із важливих засобів зменшення залишкових напружень при зварюванні роликових ланцюгів. Післязварювальна обробка зазвичай нагріває зварний матеріал приблизно до 250-350℃ одразу після завершення зварювання та охолоджує його до певної температури, а потім повільно охолоджує після певного періоду витримки в теплі. Основна функція післязварювального нагрівання полягає в прискоренні дифузії та виходу атомів водню в зварному шві та зоні термічного впливу, зменшенні вмісту водню в зварному матеріалі, тим самим зменшуючи можливість корозійного розтріскування під напругою, спричиненого воднем, а також допомагає зняти залишкові напруження при зварюванні. Післязварювальна обробка особливо важлива для зварювання деяких високоміцних сталей та товстостінних роликових ланцюгів.
(III) Виконайте термічну обробку після зварювання
Загальний високотемпературний відпуск: помістіть весь роликовий ланцюг у нагрівальну піч, повільно нагрійте його приблизно до 600-700℃, тримайте його теплим протягом певного періоду часу, а потім охолодіть до кімнатної температури в печі. Цей загальний високотемпературний відпуск може ефективно усунути залишкові напруження в роликовому ланцюзі, зазвичай можна усунути 80%-90% залишкових напружень. Температура та час високотемпературного відпуску повинні точно контролюватися відповідно до таких факторів, як матеріал, розмір та вимоги до продуктивності роликового ланцюга, щоб забезпечити ефект та якість термічної обробки. Однак загальний високотемпературний відпуск вимагає більшого обладнання для термічної обробки, а вартість обробки є відносно високою, але для деяких виробів роликових ланцюгів із суворими вимогами до залишкових напружень це ідеальний метод усунення залишкових напружень.
Локальний високотемпературний відпуск: Коли роликовий ланцюг має великий розмір або складну форму, і загальний високотемпературний відпуск є складним, можна використовувати локальний високотемпературний відпуск. Локальний високотемпературний відпуск полягає у нагріванні лише зварного шва роликового ланцюга та локальної ділянки поблизу нього, щоб усунути залишкові напруження в цій зоні. Порівняно із загальним високотемпературним відпуском, локальний високотемпературний відпуск має відносно менші вимоги до обладнання та витрати на обробку, але його ефект усунення залишкових напружень не такий ретельний, як загальний високотемпературний відпуск. Під час проведення локального високотемпературного відпуску слід звертати увагу на рівномірність зони нагрівання та контроль температури нагрівання, щоб уникнути нової концентрації напружень або інших проблем з якістю, спричинених локальним перегрівом або нерівномірною температурою.
(IV) Метод механічного розтягування
Метод механічного розтягування полягає у застосуванні розтягуючого зусилля до роликового ланцюга після зварювання, що викликає пластичну деформацію, тим самим компенсуючи залишкову деформацію стиску, що виникає під час процесу зварювання, та досягаючи мети зменшення залишкових напружень. У реальних умовах експлуатації спеціальне розтягувальне обладнання може використовуватися для встановлення відповідного розтягувального зусилля та швидкості розтягування відповідно до технічних характеристик та вимог до експлуатаційних характеристик роликового ланцюга для рівномірного розтягування. Цей метод має хороший ефект на деяких виробах роликових ланцюгів, які потребують точного контролю розміру та усунення залишкових напружень, але він повинен бути оснащений відповідним розтягувальним обладнанням та професійними операторами, а також має певні вимоги до виробничих майданчиків та умов процесу.
(V) Метод розтягування за різницею температур
Основний принцип методу розтягування за різницею температур полягає у використанні різниці температур, що виникає внаслідок локального нагрівання, для викликання деформації розтягу в зоні зварювання, тим самим зменшуючи залишкові напруження. Конкретна операція полягає у використанні оксиацетиленового пальника для нагрівання кожної сторони зварного шва роликового ланцюга та одночасного використання водопровідної труби з рядом отворів для розпилення води для охолодження на певній відстані позаду пальника. Таким чином, з обох боків зварювання утворюється зона високої температури, тоді як температура зони зварювання низька. Метал з обох боків розширюється під дією тепла та розтягує зону зварювання з нижчою температурою, тим самим досягаючи мети усунення деяких залишкових напружень зварювання. Обладнання для розтягування за різницею температур є відносно простим та легким в експлуатації. Його можна гнучко застосовувати на будівельному майданчику або виробничому майданчику, але його ефект усунення залишкових напружень значно залежить від таких параметрів, як температура нагрівання, швидкість охолодження та відстань розпилення води. Його необхідно точно контролювати та регулювати відповідно до фактичних умов.
(VI) Обробка вібраційного старіння
Вібраційне старіння використовує ефект механічної енергії вібрації, щоб викликати резонанс роликового ланцюга, завдяки чому залишкові напруження всередині заготовки гомогенізуються та зменшуються. Роликовий ланцюг розміщується на спеціальному обладнанні для вібраційного старіння, а частота та амплітуда збудника регулюються таким чином, щоб роликовий ланцюг резонував протягом певного періоду часу. Під час процесу резонансу металеві зерна всередині роликового ланцюга ковзають та перебудовуються, мікроструктура покращується, а залишкові напруження поступово зменшуються. Вібраційне старіння має переваги простого обладнання, короткого часу обробки, низької вартості, високої ефективності тощо, і не впливає на якість поверхні роликового ланцюга. Тому воно широко використовується у виробництві роликових ланцюгів. Загалом, вібраційне старіння може усунути приблизно 30% - 50% залишкових напружень, що виникають при зварюванні роликових ланцюгів. Для деяких виробів з роликових ланцюгів, які не потребують особливо високих залишкових напружень, вібраційне старіння є економічним та ефективним методом усунення залишкових напружень.
(VII) Метод ковкання молотком
Метод ковкання – це простий і поширений метод зменшення залишкових напружень зварювання. Після зварювання роликового ланцюга, коли температура зварювання становить 100–150 ℃ або вище 400 ℃, використовуйте невеликий молоток для рівномірного постукування по зварному шву та прилеглих до нього ділянках, щоб викликати локальну пластичну деформацію металу та тим самим зменшити залишкові напруження. Слід зазначити, що під час процесу ковкання слід уникати температурного діапазону 200–300 ℃, оскільки в цей час метал перебуває в крихкій стадії, і ковкання може легко призвести до розтріскування зварного шва. Крім того, сила та частота ковкання повинні бути помірними та регулюватися залежно від таких факторів, як товщина роликового ланцюга та розмір зварного шва, щоб забезпечити ефект та якість ковкання. Метод ковкання зазвичай підходить для деяких невеликих, простих зварних конструкцій роликових ланцюгів. Для великих або складних зварних конструкцій роликових ланцюгів ефект методу ковкання може бути обмеженим і його необхідно використовувати в поєднанні з іншими методами.
3. Як вибрати відповідний метод зниження залишкової напруги
У реальному виробництві, залежно від різних ситуацій та вимог до роликового ланцюга, необхідно всебічно враховувати переваги та недоліки, сферу застосування, вартість та інші фактори різних методів зниження залишкових напружень, щоб вибрати відповідний метод обробки. Наприклад, для деяких високоточних, високоміцних, товстостінних роликових ланцюгів найкращим вибором може бути загальний високотемпературний відпуск; тоді як для деяких великих партій та простих форм роликових ланцюгів вібраційна обробка старінням або метод ковбання можуть ефективно знизити виробничі витрати та підвищити ефективність виробництва. Водночас, вибираючи метод зниження залишкових напружень, також необхідно повністю враховувати умови використання та робочі умови роликового ланцюга, щоб переконатися, що обраний метод може відповідати вимогам до продуктивності та стандартам якості роликового ланцюга в умовах реального використання.
4. Роль зменшення залишкових напружень у покращенні якості та експлуатаційних характеристик роликових ланцюгів
Зменшення залишкових напружень зварювання може значно покращити втомну міцність роликових ланцюгів. Коли залишкові розтягувальні напруження в роликовому ланцюзі зменшуються або усуваються, фактичний рівень напруження, яке він відчуває під час експлуатації, відповідно зменшується, тим самим зменшуючи ризик руйнування, спричиненого виникненням та розширенням втомних тріщин, та подовжуючи термін служби роликового ланцюга.
Це допомагає покращити стабільність розмірів та точність форми роликового ланцюга. Надмірне залишкове напруження може призвести до деформації роликового ланцюга під час використання, що впливає на точність його збігу із зірочками та іншими компонентами, і таким чином впливає на нормальну роботу механічного обладнання. Зменшуючи залишкове напруження, роликовий ланцюг може підтримувати хорошу стабільність розмірів та точність форми під час використання, а також підвищувати надійність та точність передачі.
Це може зменшити схильність до корозійного розтріскування роликових ланцюгів під напругою в агресивних середовищах. Залишкові розтягувальні напруження підвищать чутливість роликових ланцюгів до корозійного розтріскування під напругою в агресивних середовищах, а зменшення залишкових напружень може ефективно зменшити цей ризик, покращити корозійну стійкість роликових ланцюгів у суворих умовах та розширити діапазон їх застосування.
Час публікації: 30 червня 2025 р.