Investigation of reduction of residual welding stresses because of ultrasonic treatment of a welded joint at a frequency of 20, 37 and 44 kHz

Abstract

Изготовление сварных конструкций практически всегда сопровождается возникновением остаточных сварочных напряжений, которые в сочетании с другими неблагоприятными факторами (например, низкая температура, пониженные пластические свойства металла) могут привести к снижению несущей способности конструкции. Ультразвуковая обработка сварного соединения – относительно новый, при этом технологичный и в ряде случаев наиболее эффективный метод снижения остаточных напряжений и повышения усталостной прочности сварной конструкции. Целью статьи является исследование влияния ультразвуковой обработки, выполненной с использованием разных частот (20, 37, 44 кГц), на перераспределение остаточных напряжений в зоне сварного соединения, выполненного из стали 20, применяемой при изготовлении труб высокого давления и трубопроводной арматуры. Для проведения исследования были изготовлены три образца, соответствующие состоянию сварных соединений, выполняемых при сооружении магистрального трубопровода. Остаточные напряжения оценивались с использованием магнитоанизатропного метода с помощью прибора StressVision Lab до и после воздействия ультразвука на экспериментальное сварное соединение. Установлено, что после обработки ультразвуком на частоте 20 кГц снижение остаточных напряжений составило примерно 40 %, при обработке на частоте 37 кГц – примерно 31 %, при обработке на частоте 44 кГц – примерно 25 %. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности применения ультразвуковой обработки для снижения остаточных напряжений в сварных швах с целью повышения эксплуатационных характеристик оборудования и объектов. Manufacture of welded structures is almost always accompanied by the occurrence of residual welding stresses which, in combination with other adverse factors (for example, low temperature, reduced plasticity of metal) can lead to decreased bearing capacity of the structure. Ultrasonic treatment of a welded joint is a relatively new, but at the same time technologically advanced and in some cases the most effective, method for reducing residual stresses and, accordingly, for increasing fatigue strength of a welded structure. The purpose of the paper is to study an effect of ultrasonic treatment performed using various frequencies (20, 37, 44 kHz) on the redistribution of residual stresses in the area of welded joint made of steel 20 used to manufacture high-pressure pipes and pipe fittings. Three samples corresponding to the condition of welded joints performed during the construction of a main pipeline were produced for the study. Residual stresses were evaluated by the magneto-anisotropic method using StressVision Lab device, before and after exposure of the experimental welded joint to ultrasound. It was found that after ultrasonic treatment at a frequency of 20 kHz, the reduction in residual stresses was about 40 %, when treated at a frequency of 37 kHz – about 31 %, when treated at a frequency of 44 kHz – about 25 %. The results obtained indicate the prospects of using ultrasonic treatment to reduce residual stresses in welds to improve operational characteristics of equipment and facilities.