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

чину остаточных напряжений в сварном соединении стали толщиной 5 мм.

Температура и режимы кратковременного нагрева определяются в основном изменением упругих свойств материалов и для большинства конструкционных сталь­ ных, титановых, алюминиевых, магниевых и других иа-‘ терпалов широко представлены в специальной лите­ ратуре.

МЕСТНЫЙ ОТПУСК

Местному, так же как и общему, отпуску посвящено значительное количество работ и поэтому, не останав­ ливаясь подробно на анализе различных вариантов его осуществления, сформулируем основные принципы п области применения.

Местный отпуск отличается от общего обычно сред­ ствами, с помощью которых осуществляется нагрев, а также тем, что нагреву подвергается обычно часть сварной конструкции — как правило, шов и околошов­ ная зона. Ввиду нагрева части сварной конструкции происходит лишь перераспределение остаточных напря­ жений и не достигается полного их снятия. В большин­ стве случаев нагреву подвергается более широкая зона, чем при сварке, а температуры отпуска, естественно, ниже температур, имеющих место при сварке. Регули­ руя характер температурного поля при местном отпу­ ске, можно получить различное распределение напряже­ ний в сварном соединении. В основном целью операции является снижение напряжений и более благоприятное их распределение наряду с изменением пластических свойств, характерных для общего высокого отпуска. Это достигается определенной длительностью выдержки, в течение которой протекают пластические деформации, вносящие изменение в схему напряженного состояния.

Подробно вопрос местного отпуска сварных конст­ рукций рассмотрен в книге В. А. Винокурова [5]. Поэто­ му не будем останавливаться на некоторых подробно разработанных деталях.

Обычно местный отпуск используют как средство повышения сопротивляемости конструкций хрупкому разрушению, в ряде же случаев — как средство полного устранения остаточных напряжений и уменьшения де­

136

формаций, в особенности самопроизвольно протекаю­ щих во времени. Как средство уменьшения деформаций при механической обработке местный отпуск приме­ няется редко.

Характер напряженного поля после местного отпу­ ска в зоне сварного шва в значительной степени зави­ сит от распределения температур. Часто при сварке да­ же тонкостенных конструкций остаточные напряжения и деформации могут отрицательно влиять на эксплуата­ ционные свойства. При локальной термообработке, на­ пример кольцевых швов, при которой температурное поле может считаться равномерным по толщине, эффек­ тивность термообработки может оказаться незначитель­ ной. В частности, в случае протекания при нагреве до­ полнительных к сварочным пластических деформаций укорочения, а при охлаждении — пластических дефор­ маций удлинения, возможно даже образование трещин. Возможно также наложение температурных напряже­ ний от отпуска и остаточных напряжений, при котором в зоне высоких температур создастся низкий суммар­ ный уровень напряжений. В этом случае эффективность снятия напряжений существенно снизится. Наиболее ра­ циональными режимами нагрева следует считать такие, при которых обеспечивается равномерный нагрев.

В связи с этим задачей местного отпуска является построение режимов локального нагрева, обеспечиваю­ щих низкий уровень температурных напряжений, т. е. создающих условия, наиболее близкие к равномерному нагреву. Для случая осесимметричного нагрева кольце­ вого шва длинной цилиндрической оболочкиуказанная задача сводится к определению температурных полей, которые при заданном уровне температуры и данной ширине зоны нагрева гарантируют сравнительно низкий уровень максимальных напряжений.

Если зона локального нагрева ограничена сечения­

137

Сужение зоны нагрева, естественно, будет менять величину температурных напряжений в оболочке и ха­ рактер их распределения. В то же время расширение этой зоны может оказаться бессмысленным, так как мало что изменит по сравнению с оптимальным вариан­ том распределения температур.

Пользуясь теорией температурных напряжений в оболочках, нетрудно сравнить уровень температурных напряжений, соответствующих температурному полю (38) и более жесткому температурному полю, которое можно представить в виде двухпараметрического семей­ ства температурных полей:

где

R

Для обоих случаев в сечении х = 0 температура до­ стигает значения Т0. Изменением параметров m и k мож­ но в широких пределах изменять локальность и градиентиость поля. Сравнение данных расчета по форму­ лам (38) и (39), проведенное для локального нагрева

k и пг, равных'75 и 8,5, представлено на рис. 62. Макси­ мальная температура нагрева для сплава ТС-5, приме­ нительно к которому получены эти расчетные данные, принята равной 800° С. Результаты подтверждают удов­ летворительные соотношения между двумя различными по температурному полю схемами нагрева и позволяют в первом приближении определить ширину индукторов или характеристики других нагревательных устройств, применяемых для местного отпуска. В промышленности используют разнообразные средства нагрева для пере­ распределения напряжений при местном отпуске. На­ пример, при местном отпуске сварных швов ре­ зервуаров толщиной более 30 мм применяют мощные многопламенные ацетиленовые горелки, обеспечиваю­ щие двусторонний нагрев зоны сварного шва. Значи­ тельный практический интерес представляет собой соче­ тание местного нагрева с местной пластической дефор­ мацией с помощью прокатки либо проковки. Такие ра­

138

боты находятся в стадии разработки, их применение может оказаться весьма эффективным, так как при определенном сочетании термического и механического

Рис. 62. Температурные поля (а) для двух режимов и соответствующие им напряжения (б):

воздействий можно получить наряду с устранением де­ формаций и напряжений и улучшение свойств.

Применение местного отпуска с использованием до­ вольно низкотемпературного нагрева эффективно для

Рис. 63. Схема процесса местного низкотемпературного от­ пуска сварных швов и эпюры остаточных напряжений в ци­ линдрической оболочке из стали 35 до (!) и после местного отпуска (2):

А — устройство для нагрева; Б — охладители; В — сварная пластина

ряда материалов, образующих после сварки напряже­ ния сжатия в сварных швах. К таким материалам отно­ сятся стали мартенситного класса, у которых в процес­ се охлаждения сварного шва в зоне нагрева выше точек аустенитного превращения образуется структура мар­

139

Г л а в а VI

УСТРАНЕНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ, ПЕРЕМЕЩЕНИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ В ТОНКОСТЕННЫХ ОБОЛОЧКАХ

КОЛЬЦЕВЫЕ И ЭКВАТОРИАЛЬНЫЕ ШВЫ

сущими и емкостными элементами многих изделий. Чаще всего применяют сферические либо цилиндриче­

няются между собой элементы оболочек — продольные прямолинейные (в цилиндрических оболочках), кольце­ вые, экваториальные, круговые криволинейные (в ци­ линдрических и сферических оболочках).

Большинство вопросов, связанных с введением авто­ матизированных и механизированных технологических процессов сварки оболочек, удовлетворительно ре­ шается специалистами на основании опыта, накоплен­ ного при изготовлении листовых элементов и конструк­ ций. Для тонких оболочек характерны повышенные тре­ бования как к форме поверхности оболочек после свар­ ки, так и к несущей способности соединений в конст­ рукциях. Установлено, например, что даже незначи­ тельные геометрические отклонения стыкуемых кромок вызывают заметное снижение прочности при статиче­ ских нагрузках.

Диапазон размеров оболочковых конструкций чрез­ вычайно велик. К категории тонких можно отнести та­ кие, у которых отношение радиуса кривизны поверхно-

141

сти к толщине, по" крайней мере, больше 100. В таких оболочках возможны значительные перемещения по­ верхности уже в процессе сварочного нагрева [20, 23]. Эти перемещения осложняют ведение сварки, ухуд­ шают качество и внешний вид шва, снижают несущую способность конструкции. Часто перемещения, обра­ зовавшиеся при сварке, бывает трудно, а порой и не­ возможно устранить методами послесварочной обработ-

Рис. 64. Характер остаточных перемещений тон­

ки. Иногда для одинаковых сварных швов в оболочках из различных материалов требуются совершенно раз­ личные методы устранения деформаций и перемещений. Например, при сварке на подкладном кольце эквато­ риальных швов сферических и кольцевых цилиндриче­ ских тонких оболочек может происходить как сокраще­ ние длины зоны сварного шва (оболочки из сталей и титановых сплавов), так и удлинение этой зоны (обо­ лочки из алюминиевых сплавов рис. 64).

Необходимое для исправления такой деформации уменьшение линейных размеров зоны шва в окружном направлении с помощью прокатки роликами получить практически трудно, а обычно применяемая ручная правка малоэффективна и может сопровождаться зна­ чительными местными деформациями.

Для разработки мероприятий по предотвращению остаточных перемещений в зоне кольцевого шва необхо­

142

димо ясное представление о процессе его возникнове­ ния. В связи с этим заслуживают внимания эксперимен­ ты по измерению временных перемещений поверхности оболочек из алюминиевых сплавов в зоне кольцевого шва непосредственно в процессе сварки.

Для непрерывной записи перемещений свариваемых кромок в качестве датчиков использовались индика­ торные головки тензометрического типа. Их ножки че­ рез отверстия, специально просверленные в подкладном кольце, опирались на внутреннюю поверхность свари­ ваемых обечаек по обе стороны от стыка [23]. Измере­ ния были проведены па обечайках диаметром 600— 4100 мм и толщиной 2,5—10 мм. Диаграммы перемеще­ ний кромок, записанные при выполнении аргоно-дуго­ вой сваркой шва без присадки, приведены на рис. 65

и 66.

Свободные, еще не сваренные кромки, начинают от­ ходить от подкладного кольца на некотором расстоя­ нии перед сварочной ванной. Это перемещение дости­ гает максимальной величины в зоне дуги, фиксируется образованием сварного соединения и в процессе охлаж­ дения почти не уменьшается.

Еще более неблагоприятный характер приобретают деформации кольцевого шва в случае, когда жесткость

гладкой обечайки. Как следует из профилограмм, от­ носительное смещение кромок сохраняется в процессе остывания и требует исправления, так как при нагруже­ нии концентрация напряжений и деформаций от изгиба может вызвать значительное понижение конструктивной прочности сосуда [19]. Решающее значение в формиро­ вании перемещений имеет нагревающая зона, ибо со­ единение сваркой кромок осуществляется уже в при­ поднятом положении.

В зависимости от жесткости и габаритных размеров оболочек перемещение кромок в процессе сварки может достигать величин, в 2 —3 раза превышающих толщину. При прочих равных условиях (погонной удельной энер­ гии, радиусе кривизны оболочки) с уменьшением тол­ щины оболочки растет величина остаточных радиаль­ ных перемещений (рис. 67, а). При этом значение w — радиального перемещения после сварки — для оболочек

143