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

значений высоты подъема кромок Іг, в котором возможна сварка стыковых швов без образования деформаций потери устойчивости. Прогиб возникает при малой вы­ соте подъема кромок вследствие сжимающих напря­ жений, образующихся при сварке, как обычно, вне зоны сварочных пластических деформаций. При чрезмерно большой высоте подъема кромок Іі деформации потери устойчивости возникают за счет сжимающих напряже­ ний в зоне сварного шва.

Для определения оптимальной высоты подъема кро­ мок зададимся некоторыми исходными данными и введем определенные допущения. Обозначим: 2b — ши­ рина зоны пластических деформаций; 2 а — ширина зоны, приподнимаемой над поверхностью прижимного приспо­ собления; а.ѵ — остаточные продольные напряжения при сварке встык листов в плоском состоянии; R — радиус кривизны приспособления. Считаем, что величина про­ дольных пластических деформаций одинакова во всех участках зоны шириной 2 b и не зависит от конструк­ тивных особенностей, обусловленных цилиндрической формой поверхности.

Если в поперечном сечении профилограмма кромок свариваемых листов — наклонная прямая линия, то оптимальная высота подъема кромок определится из условия

ь

г к (а— х) Еах = охЬ.

Ч‘-£)

подъема кромок Іг, при которой после сварки отсутство­ вали напряжения ах, составила 1,4—1,7 мм. Расчетная величина h —Л,6 мм. В случае сварки низкоуглеродистой стали СтЗ высота подъема кромок при прочих равных параметрах в 3,5—4 раза меньше, чем при сварке титана. Технологическое осуществление сварки без про­ дольных деформаций таким методом не вызывает осо­ бых сложностей. Определенные трудности возникают в процессе сборки листов на выпуклой или вогнутой под­

194

кладке, но они во многом зависят от конструктивного выполнения приспособлений. Опыты, проведенные в МВТУ им. Баумана, показали, что удовлетворительные результаты могут быть получены при сварке пластин толщиной до 1 мм.

МЕТОДЫ ГЛУБОКОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

Методы местного глубокого охлаждения деталей для устранения остаточных деформаций и напряжений при изготовлении сварных конструкций исключают необхо­ димость проведения механических правочных операций, ие требуют использования сложного и тяжелого обо­ рудования для пластического деформирования мате­ риала. Можно выделить отдельные виды сварных соеди­ нений, в которых глубокое охлаждение дает ощутимые результаты.

1. Стержневые конструкции рам и ферм. Сварочн деформации выявляются в виде укорочений стержней вследствие усадки металла в зоне их соединения между собой и в местах приварки к поясам. Механическое воз­ действие на шов ие всегда приводит к желаемым ре­ зультатам, так как укорочения стержней оказываются значительными вследствие свободного сокращения зоны шва, а область, в которой можно производить пласти­ ческую осадку металла, сравнительно невелика.

Если перед сваркой среднюю часть стержня Охладить, то образовавшееся укорочение компенсирует изменение размера стержня, возникшее при сварке. Технологиче­ ски данную операцию производят следующим образом. На средней части стержня укрепляют охладительную камеру длиной 300—400 мм, в которую заливают жид­ кий азот или пропускают пары азота, испаряемого из сосуда Дюара. Охлаждение до сварки осуществляют в течение 4—5 мин для алюминиевых стержней и 10— * 15 мни для стальных. После этого производят сварку. После охлаждения сварных швов охладительную камеру снимают со стержня, начинается его удлинение вслед­ ствие повышения температуры. Основные параметры данного технологического приема — длина охладителя, длина стержня, температура охлаждающего вещества, продолжительность охлаждения и величина укорочения, которую необходимо компенсировать при применении данного процесса. Способ применяется для изготовле­

ния ферменных конструкций высокой точности из алю­ миниевых сплавов.

2. Фланцевые соединения в пластинах и оболочках Наиболее эффективным является предварительное охлаждение фланца и поддержание охлажденного состояния до полного завершения процесса сварки. Охлаждение осуществляется заливкой охлаждающего компонента в кольцевое полое внутреннее пространство фланца, герметизируемое с наружной и внутренней стороны плотным прижатием фланца верхней крышкой, в которой имеются отверстия для заливки и испарения охладителя. По окончании сварки охлаждение фланца прекращается, и за счет его расширения происходит компенсация сварочных напряжений и устранение де­ формаций.

3. Замыкающие кольцевые, круговые, продольные швы малогабаритных тонких оболочек. Часто для сня­ тия внутренних напряжений применяется отпуск свар­ ных конструкций. Иногда, когда сварка является заклю­ чительной операцией, нагрев изделия выше температуры 120—150° С нежелателен из-за нарушения последующих эксплуатационных характеристик. В этом случае целе­ сообразно применение операции местного охлаждения зоны сварного шва. Как показывают измерения, местное охлаждение только зоны шва жидким азотом (при использовании местной охлаждающей камеры) не при­ водит к заметному снижению остаточных напряжений. Поэтому перед охлаждением производят общий нагрев узла до температуры 120—150° С вместе с приспособле­ ниями для охлаждения в течение 40—60 мин. После вы­ емки из печи в замкнутую систему накладных охлади­ телей пропускают жидкий азот. Резкий перепад темпе­ ратур способствует более интенсивному протеканию пла­ стических деформаций удлинения в зоне сварного шва

-и устранению остаточных напряжений.

4.Сварка стыковых швов в пластинах и оболочках.

Вэтом случае охлаждению подвергается околошовная зона, что в значительной степени снижает размеры областей нагрева до одних и тех же максимальных тем­ ператур и уменьшает величину продольной и поперечной усадки шва. Для снижения деформаций при сварке листов может быть использовано приспособление, прин­ цип которого показан на рис. 93. Следует, однако, иметь

ввиду, что полного устранения деформаций при сварке

196

прямолинейных швов такими приемами добиться невоз­ можно. Например, при охлаждении околошовной зоны жидким азотом величина прогиба плоских листов из сплава АМгб снижается на 40%, а величина попереч-

Рис. 93. Приспособление для сварки пря­ молинейных швов с охлаждением околошовноіі зоны:

/ — основание; 2 — прижимные планки; 3 — свари­ ваемые пластины; '/ — полости для заполнения

охладителем

Практическое осуществление методов охлаждения с целью компенсации деформаций, возникающих от по­ перечного укорочения, в значительной степени зависит от времени, в течение которого производится охлаждение до сварки. Чем больше длительность охлаждения, тем значительнее поперечное укорочение ввариваемого эле­ мента. Существенное значение оказывает и длина охлаж­ даемого участка детали (рис. 94). Если известна вели­ чина поперечного укорочения при сварке без охлажде­ ния, то, сопоставляя ее с величиной укорочения при охлаждении, нетрудно определить те параметры охлаж­ дения, которые дадут полную компенсацию поперечной деформации. Ввиду того, что при сварке стержней охлаждаемый участок, как правило, находится вдали от места сварки и не подвергается непосредственному теп­ ловому воздействию сварочного процесса, деформации укорочения от сварки и охлаждения независимы друг от друга, и оптимальное соотношение между режимами сварки можно устанавливать на основе простого равен­ ства поперечного укорочения от сварки и укорочения стержня от охлаждения.

При вварке фланцев, в особенности малых диаметров (100—150 мм), в плоские листы и оболочки метод

197

охлаждения оказывается неэффективным, так как теп­

укорочения Д/ стержня из алюминие­

фланца, также значительно нагревающейся. А так как область пластических деформаций распространяется да­ леко за пределы сварного шва в оболочку или лист, то ожидаемого эффекта при расширении центральной части фланца можно не получить, так как сохранившийся запас укорочения оказывается явно недостаточным для компенсации продольной и поперечной составляющих сварочных деформаций.

В этом случае наряду с предварительным укороче­ нием фланца необходимо уменьшить ширину зоны пла­ стических деформаций в пластине или оболочке, в кото­ рые вваривается фланец, для чего может быть исполь­ зован комбинированный прием, при котором наряду с охлаждением фланца производят охлаждение околошов­ ной зоны листа или оболочки по схеме, аналогичной приведенной на рис. 93. Практическое осуществление

198

метода устранений деформаций охлаждением зоны флан­ цевых соединений сопряжено с рядом трудностей сбо­ рочного характера. Как показывают эксперименты, тех­ нология получения сварных соединений посредством переплава охлажденного до низких температур металла никаких существенных изменений в процессе сварки не вносит, и обеспечение высокого качества шва и надле­ жащих механических свойств трудностей не представ­ ляет. Но для гарантии успешного осуществления ком­ пенсации сварочных деформаций и напряжений необхо­ димо строго выдержать предварительные припуски на укорочение деталей в процессе охлаждения перед свар­ кой. Это относится как к оболочковым, так и к стерж­ невым конструкциям.

В промышленности США массивные фланцы ввари­ вают в оболочки из алюминиевых сплавов непосредст­ венно после выдержки фланца в течение 15—20 мин в жидком охлаждающем компоненте. При этом на 60—70% уменьшается радиальная составляющая оста­ точных напряжений и почти полностью устраняются пе* ремещения поверхности оболочки. Если фланец имеет диаметр, превышающий 2 0 0 мм, то дополнительное охлаждение околошовной зоны оболочки вряд ли по­ требуется, так как увеличение его диаметра после сварки может оказаться вполне достаточным для компенсации упругой составляющей продольных и поперечных дефор­ маций в зоне шва. Следует иметь в виду, что эффек­ тивность метода компенсации сварочных деформаций охлаждением повышается с увеличением коэффициента линейного расширения и уменьшением запаса темпера^ турпой упругой деформации.

УСТРАНЕНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ

ВСОЕДИНЕНИЯХ МАРТЕНСИТНЫХ СТАЛЕЙ

Впромышленности довольно широко применяют вы­

сокопрочные стали мартенситного класса, обладающие к тому же достаточно высокими пластическими свой­ ствами. Деформации этих сталей при сварке оказы­ ваются часто намного меньше, чем у других мате­ риалов за счет происходящих при охлаждении струк­ турных превращений.

Сварка без деформаций невозможна, так как нет факторов, действующих в противоположном усадочному

199

усилию направлении. Распад аустенита может быть та­ ким фактором, поэтому определение закономерностей образования сварочных деформаций в таких материа­ лах и возможностей управления их величиной в особен­ ности в мартенситных сталях, имеют значительный практический смысл.

Особенности образования остаточных деформаций и напряжений. Чтобы составить представление о дефор­ мациях при сварке материалов, необходимо знать их дилатометрические свойства, т. е. способность изменять свои линейные размеры при изменении температур. На основании дилатограммы материала можно прибли­ женно подсчитать уровень остаточных напряжений, ве­ личину усадочного усилия и правильно выбрать методы устранения деформаций.

Из анализа дилатометрических кривых мартенситных сталей следует, что внутри зоны пластических дефор­ маций может располагаться область, в которой при охлаждении происходит распад аустенита [23], что способствует снижению сварочных деформаций укороче­ ния.

Определение сварочных деформаций сводится к сле­ дующему. Исходя из запаса температурной упругой деформации, термического цикла сварки и механических свойств материала, устанавливают величину усадочного усилия и характер распределения напряжений к мо­ менту начала структурного превращения. Приближенно это можно сделать известными методами с применением гипотез одновременности укладки шва и плоских сече­ ний. При большихпогонных энергиях сварки можно изменить знак остаточных деформаций [23], так как увеличивается ширина области распада устеиита в зоне сварного шва при охлаждении. Однако с ростом погон­ ной энергии сварки деформации укорочения также растут. Снижение же деформаций укорочения и изме­ нение их знака происходят при очень больших величи­ нах погонной энергии, которые находятся за пределами диапазона применяемых в практике режимов сварки. Для материалов с большими структурными деформа­ циями имеется возможность полностью устранить оста­

200