Файл: Сагалевич, В. М. Методы устранения сварочных деформаций и напряжений.pdf

ние обратного прогиба, вызванного чрезмерном дефор­ мацией шва по толщине. Изменение остаточных напря­ жений в шве также носит сложный характер. Сначала с ростом удельной энергии сжимающие напряжения ра­ стут, а затем — при некотором значении удельной энер­

гии— уменьшаются, оставаясь в значительном диапазо­ не энергий практически постоянными. Минимальная ве­ личина напряжений сжатия при полном устранении де­ формации в алюминиевом сплаве АМгб составляет 0,5 кгс/мм2, а в магниевых сплавах ВМД-3 и МА2-1 — соответственно 2 и 2,8 кгс/мм2. При этом значения на­ пряжений растяжения в околошовпой зоне не превы­ шают 2 кгс/мм2.

76

При прокатке же сварных образцов напряжения в шве изменяются однозначно. С ростом усилия прокатки напряжения сжатия увеличиваются и составляют, на­ пример, для сплава МА2-1 при полном устранении ко­ роблений 4,25 кгс/мм2. В то же время напряжения ра­ стяжения в околошовной зоне уменьшаются незначи­ тельно.

Следует также отметить, что при прокатке маг­ ниевых сплавов вследствие локализации пластической деформации в очаге деформации необходимо строго ре­ гламентировать величину усилия прокатки во избежа­ ние переката. Перекат нежелателен, так как деформа­ ция изделия при этом происходит в сторону, противо­ положную направлению сварочных деформаций.

При деформировании сварных соединений методом высокоскоростной проковки оптимальные режимы про­ ковки могут изменяться в широком диапазоне. Так, для магниевого сплава ВМД-3 (толщина 3 мм) оптималь­

жений в диапазоне оптимальных значений удельной энергии объясняется температурным эффектом.

Таким образом, применение высокоскоростной про­ ковки позволяет при полном устранении деформаций значительно снизить величину растягивающих напряже­ ний в термически неупрочняемых магниевых и алюми­ ниевых сплавах при незначительной величине сжимаю­ щих напряжений в деформируемой зоне.

Представляется целесообразным определить, какое влияние на снятие остаточных напряжений в этих спла­ вах окажет проведенная после высокоскоростной про­ ковки термообработка. Для сравнения на рис. 34 приве­ дены данные по распределению продольных остаточных напряжений в магниевом сплаве МА2-1 после сварки и последующей термообработки, а также после сварки высокоскоростной проковки (ВСП) и термообработки. Термообработка в обоих случаях выполнялась по режи­ му отжига 7’ = 250°С± 10°, 1 ч. Предшествующая отжи-

гу высокоскоростная проковка

77

сплавах Д20-1 и 01911 имеет свои особенности. Они за­ ключаются в наличии процессов старения и широкой зоны напряжений растяжения [28].

пряжений— прокатка шва и термообработка, выполнен­ ная по режиму искусственного старения, применительно к этим сплавам не являются эффективными. Прокатка шва вызывает резкое перераспределение напряжений, характеризующееся значительными напряжениями сжа­ тия в очаге деформации и практически не изменяющи­ мися сварочными напряжениями растяжения в около­ шовной зоне. Термообработка этих сплавов приводит лишь к снятию пиковых напряжений растяжения.

Результаты экспериментов (рис. 35) по применению высокоскоростной проковки для устранения деформаций в сварных соединениях из стареющих алюминиевых сплавов свидетельствуют о менее резком перераспре­ делении напряжений после высокоскоростного пластиче­ ского деформирования металла шва и о существенном влиянии па распределение остаточных напряжений со­

78

жения растяжения на 55%. В то же время деформиро­ вание шва, проведенное по тому же режиму

= 60 кгс-м/см3^, но после искусственного старения,

уменьшает величину остаточных напряжений всего на 2 0 %.

Рис. 35. Влияние удельной энергии деформирования при вы­ сокоскоростной проковке шва сплавов 01911 (а), Д20-1 (б) на величину остаточных напряжении сг0ст в шве (1), максималь­ ных напряжений растяжения в околошовной зоне (2) и оста­ точного прогиба / (3):

О — сварка+ВСП; О — сварка+старенне+ВСП

Значительное снижение напряжений растяжения на материале, не прошедшем предварительной термообра­ ботки, объясняется тем, что при высокоскоростной про­ ковке в результате теплового эффекта происходит про­ цесс интенсивного старения материала, который сов­ местно с пластической деформацией оказывает заметное воздействие на характер распределения остаточных на­ пряжений. При проковке предварительно состаренного материала влияние подогрева материала на процесс старения оказывается незначительным, о чем свидетель­ ствует относительно небольшое снижение остаточных напряжений.

79

Однако и при наличии старения в процессе проковки величина максимальных напряжений растяжения в око­ лошовной зоне термически упрочняемых сплавов значи­ тельно превосходит величину максимальных остаточных напряжений в термически неупрочняемом сплаве АМгб. Это происходит вследствие образования широкой зоны напряжений растяжения в результате интенсивного разупрочнения в процессе сварки.

Одним из путей уменьшения величины напряжений растяжения в стареющих алюминиевых сплавах яв­ ляется применение повторной проковки. Повторная про­ ковка, проведенная по одному и тому же месту при не­ изменном режиме, вызывает в исследуемых материалах существенное снижение величины напряжений растяже­ ния в околошовной зоне при незначительном увеличении напряжений сжатия в шве. С увеличением энергии де­ формирования при втором проходе эффект перераспре­ деления напряжений проявляется еще в большей сте­ пени. Так, повторная проковка сплава 01911 с удельной энергией деформирования, равной энергии первого про­

вызывает дополнительное

уменьшение напряжений растяжения в околошовной зоне на 25% и увеличение напряжений сжатия в шве — на 10%-. При повторной проковке с удельной энергией деформирования 35 кгс-м/см3 изменение остаточных на­ пряжений в околошовной зоне составляет свыше 40%, а в шве — около 15%. Такой же характер влияния по­ вторной проковки обнаружен и на сплаве Д20-1.

Применение повторной проковки приводит не только к существенному снятию пиковых растягивающих на­ пряжений на более широкой зоне, но и к снижению сва­ рочных деформаций, чего в алюминиевых сплавах не­ редко нельзя добиться одним проходом с большей удельной энергией, так как вызванная проковкой осадка материала под бойком настолько значительная, что ве­ дет к «зарыванию» бойка и, как следствие этого, к ухуд­ шению внешнего вида сварного соединения.

Другим приемом для устранения напряжений растя­ жения в стареющих алюминиевых сплавах является при­ менение термообработки после высокоскоростной про­ ковки. Она снижает величину максимальных напряже­ ний растяжения (сравнивается с состоянием материала после проковки) в сплаве 01911 на 60%, а Д20-1 на 55%.

80

2

7=100 Ш° С, 20 ч+175°С, 5 ч для сплава 01911), прове­ денных после сварки, дают снижение остаточных напря­ жений на 25% в сплаве 01911 и 30% в сплаве Д20-1. Такие же результаты получены после искусственного старения образцов из сплава 01911, прошедших пред­ варительную проковку с целью устранения сварочных деформаций.

Увеличение эффекта снятия напряжения термообра­ боткой после высокоскоростной проковки объясняется тем, что в быстродеформируемом металле содержится большое число менее устойчивых искажений, что и при­ водит при повышенной температуре к более полному протеканию релаксационных процессов.

Таким образом, применение высокоскоростной про­ ковки для правки сварных тонколистовых элементов из сплавов МА2-1, ВМД-3, АМгб, 01911 и Д20-1 позволяет в сочетании с повторной проковкой или термообработ­ кой значительно уменьшить величину остаточных сва­ рочных напряжений.

Форма соударяющихся поверхностей, как показы­ вают теоретические и экспериментальные исследования, существенно влияет на распределение остаточных на­ пряжений. Представляет интерес, какое влияние на рас­ пределение остаточных сварочных напряжений окажет изменение формы рабочей части бойка при высокоско­ ростной проковке швов. Для этой цели дополнительно- к основному бойку, с помощью которого проведены экс­ перименты, описанные выше, применяли также цилин­ дрические бойки с цилиндрической формой рабочей ча­ сти бойка, выполненной по радиусам R = 6 и 18 мм.

Эксперименты проводили на плоских сварных образ­ цах из магниевого сплава МА2-1 и стареющего алюми­ ниевого сплава 01911 (рис. 36). Образцы имели толщи­ ну соответственно 3 и 2 мм. Общим для этих сплавов является то, что при увеличении радиуса кривизны ра­ бочего торца бойка изменяется характер зависимости величины остаточных напряжений в деформированной зоне от удельной энергии проковки. При деформирова­ нии шва бойком с радиусом закругления в рабочей ча­

81

сти R = 18 мм наблюдается с ростом удельной энергии деформирования еще незначительное снижение напря­ жений сжатия. С уменьшением же радиуса закругления

Т*ис. 36. Влияние удельной энергии деформирования при вы­ сокоскоростной проковке сварного шва сплавов МА2-1 (а), 01911 (б) на величину остаточных напряжений сг0Ст в шве (1), максимальных напряжений растяжения в околошовной зоне (2) и остаточного прогиба f (3) при различной форме

рабочей поверхности бойка

удельных энергий. При этом максимальные напряжения растяжения в околошовной зоне при полном устранении сварочных деформаций остаются на 50—60% выше, чем при проковке шва бойком с плоским торцом рабочей поверхности.

Такое перераспределение напряжений при увеличе­ нии радиуса кривизны рабочей части бойка вызвано, по-

82

Это приводит к тому, что при осадке шва закруг­ ленными бойками происходит преимущественное тече­ ние материала в направлении проковки. Возникшая при этом деформация удлинения не компенсируется в про­ дольном направлении деформацией укорочения, кото­ рая появляется из-за наличия температурного эффекта и сопротивления деформированию окружающего мате­ риала. С увеличением радиуса закругления бойка умень­ шается продольная составляющая усилия деформиро­ вания, что ведет к уменьшению напряжений сжатия в шве. Таким образом, для получения меньших значений остаточных напряжений в шве и околошовной зоне при полном устранении короблений применение цилиндри­ ческих бойков с плоским торцом рабочей части предпо­ чтительно.

Полученные зависимости величины остаточных на­ пряжений от удельной энергии деформирования позво­ ляют для исследованных материалов и толщин опреде­ лить параметры режима высокоскоростной проковки, проводимой с целью устранения сварочных деформаций при минимальном значении остаточных напряжений. Режим проковки практически может быть определен двумя способами.

того воздуха р с таким расчетом, чтобы значение скоро­ сти деформирования од>20 м/с. Из графиков а =

определяем для данного материала минимальное значе­ ние удельной энергии деформирования. Подставляем значения W, N (см. графики W=f(p) и N=f(p) на

рис. 28), — , 6 , Н в выражение для — и находим из о 6

него скорость проковки s.

Ширину зоны пластической деформации Н можно принять равной ширине шва.

Способ 2 . Если скорость проковки не может меняться в широких пределах, то задаваясь ее величиной и зна­ чением удельной энергии деформирования по графику WN = f(p) (рис. 37), находим необходимую величину давления сжатого воздуха.

83