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

действием напряжений сжатия (рис. 4,з). При этом происходят значительные перемещения из исходной плоскости листовых и оболочковых элементов.

4. Деформации скручивания относительно продоль­ ной оси (рис. 4, е). Этот вид деформаций характерен в основном для балочных конструкций. Предполагаемой причиной их образования считаются различные сдвиго­ вые деформации кромок в зоне нагрева при сварке де­ талей между собой. Однако убедительного объяснения причин образования такого вида деформаций при сварке плавлением без воздействия внешних сил нет.

5. Деформации, объединяющие несколько видов из четырех вышеперечисленных. Иногда изменения, проис­ ходящие при сварке конструкций, бывают настолько сложными, что их трудно отнести к тому или иному кон­ кретному виду, но они всегда могут быть дифференциро­ ваны при более тщательном рассмотрении причин, их вызывающих [4].

Для определения остаточных деформаций широко используют расчетные методы. Задача определения де­ формаций (перемещений) от сварки представляет собой два самостоятельных раздела (исследованию которых посвящено большое количество работ): термомеханнческий и деформационный. Термомеханнческое решение сводится к определению величины усадочной силы, по­ перечной усадки по длине и толщине соединения и других элементов деформаций, возникающих в зоне сварного соединения. Эти элементы вводятся в расчет при определении деформаций конструкций и представ­ ляют собой деформационное решение. Исходные элемен­ ты деформации, определяемые из термомеханического решения, связывают с режимами сварки, видом соедине­ ния и другими факторами, которые оказывают влияние на развитие деформаций в процессе сварки. В деформа­ ционном решении широко использован аппарат сопро­ тивления материалов, теории упругости и пластичности, теории оболочек, а при определении деформаций конст­ рукций с течением времени — теории ползучести [4, 18, 20, 21, 32].

В большинстве случаев остаточные перемещения, воз­ никающие при сварке конструкций, могут быть вычисле­ ны путем приложения к конструкции фиктивных сил, по­ лученных либо посредством термомеханического реше­ ния, либо экспериментально — по величине замеров

18

остаточных напряжений. При этом при определении пе­ ремещений используется в основном принцип одновре­ менности укладки шва по длине, который означает, что пластические деформации от сварки одинаковы во всех поперечных сечениях шва. Однако само распределение пластических деформаций по поперечному сечению мо­ жет быть достаточно точно определено лишь при реше­ нии термомеханиеской задачи с учетом действительной картины явлений, происходящих при сварке. Иногда в особенности при наличии экспериментальных данных по определению деформаций и усилий, действующих в зоне сварных швов, сразу переходят к деформационному решению.

Расчетные и расчетно-экспериментальные методы оп­ ределения деформаций сварных конструкций представ­ ляют значительный практический интерес. Если имеется возможность достаточно точно определить величины и характер деформирования от сварки, то это позволяет квалифицированно выбрать такой вариант изготовленияконструкции, который приведет к наименьшим свароч­ ным деформациям. При этом могут быть использованы либо принципы рационального конструктивно-техноло­ гического проектирования, либо введены в технологи­ ческий процесс те или иные методы и средства предот­ вращения или устранения деформаций.

УСТРАНЕНИЕ СВАРОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИИ, НАПРЯЖЕНИЙ И ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

В основу принципиальных возможностей снижения' или устранения сварочных деформаций и напряжений могут быть положены три пути, учитывающие физиче­ скую сущность процессов, происходящих при сварке.

1. Снижение величины пластической деформации уко­ рочения либо ширины зоны ее распространения прш нагреве путем регулирования термического воздействия при сварке, уменьшения погонной энергии, введения предварительного подогрева, приложения усилий присварке.

2. Увеличение пластических деформаций удлинения либо в процессе охлаждения сварного шва, либо после сваркип утем прокатки, проковки, растяжения, вибрации и т. д.

19'

3. Компенсация деформаций путем создания пред рительных деформаций, обратных по знаку сварочным, рациональной последовательностью сборки и сварки.

Существует много приемов, позволяющих уменьшить

•или устранить сварочные деформации и напряжения. В зависимости от того, решается ли вопрос получения абсолютно точной конструкции, входящей по размерам в пределы допусков непосредственно после окончания сварки, или технологический процесс строится с при­ менением послесварочиых методов обработки конструк­ ции, можно разделить способы борьбы с деформациями и напряжениями на две группы: 1) способы предупреж­ дения и регулирования деформаций; 2) способы устра­ нения деформаций и напряжений после сварки.

К первой группе относятся такие способы, которые предусматривают воздействие на тепловые характерн-

•стики сварочного процесса, геометрические размеры и форму конструкции в процессе сварки, физические ха­ рактеристики и структуру материала изделия и шва.

Регулирование теплового воздействия связано с подбором соответствующих режимов сварки с учетом уменьшения объема пластического укорочения. Однако критерии режима обычно определяются другими факто­ рами: производительностью процесса, рациональным ис­ пользованием деформационной способности шва и уров­ нем механических свойств металла. Сварка на понижен­ ных режимах, естественно, снижает производительность труда. Тепловой фактор можно регулировать путем общего подогрева деталей перед сваркой, а также ин­ тенсивного теплоотвода от зоны шва.

Одними из основных средств регулирования свароч­ ных деформаций являются: применение рациональной последовательности сборки и сварки конструкций; за­ крепление изделий в процессе сварки в приспособле­ ниях; создание предварительных деформаций конструк­ ции, обратных сварочным; механическое воздействие на конструкцию или зону шва при сварке.

Последовательность сборки и сварки назначают из условий либо расчленения конструкции на отдельные элементы, либо из условий обеспечения достаточной жесткости поперечного сечения свариваемой конструк­ ции. При условном расчленении конструкции на пред­ варительно сваренные отдельные элементы общие де­ формации получаются только от небольшого числа

20

замыкающих или монтажных швов. Деформации же, возникающие при сварке отдельных элементов, либо уст­ раняются перед общей сборкой, либо компенсируются предварительным припуском. Обеспечение достаточной жесткости поперечного сечения предусматривает начало сварки лишь после того, как собрано определенное чис­ ло элементов, образующих общее поперечное сечение высокой жесткости.

Создание деформаций, обратных сварочным, обеспе­ чивается в основном путем закрепления конструкций в приспособлениях, учитывающих те геометрические изме­ нения, которые могут произойти в результате сварки. Квалифицированное использование этого приема требует достаточно точного определения ожидаемых сварочных деформаций. Наиболее широкое распространение такие методы находят в судостроении, где правка после свар­ ки, особенно крупногабаритных конструкций, чрезвы­ чайно затруднена.

Механическое воздействие приводит к пластическому деформированию зоны шва и к уменьшению пластиче­ ских деформаций укорочения. Среди наиболее известных методов следует отметить растяжение деталей в про­ цессе сварки, прокатку и проковку остывающего метал­ ла в сварочном стапеле, вибрационную и ультразвуко­ вую обработку в процессе кристаллизации.

Регулирование деформаций путем воздействия на физические и структурные характеристики связано с из­ менением механических характеристик материала в зоне сварки и применением в конструкциях свариваемых и присадочных материалов с особыми дилатометрически­ ми характеристиками. Последние позволяют при опре­ деленных условиях осуществить сварку без деформаций.

Ко второй группе относятся способы послесварочного деформирования конструкций внешними силами в хо­ лодном или нагретом состоянии и способы, основанные на температурном деформировании за счет создания вы­ соких температурных градиентов без приложения допол­ нительных внешних сил.

Наиболее распространены способы прокатки и про­ ковки зоны шва в холодном состоянии или с подогре­ вом зоны шва многопламенной горелкой. Эти способы, так же как и пластический изгиб, предусматривают соз­ дание пластических деформаций, обратных сварочным. Хорошие результаты дает также применение растяже-

21

иия с вибрацией. В производстве широко используется местный нагрев, позволяющий создать пластические де­ формации укорочения в тех зонах конструкции, где они приводят к исправлению ее формы.

Перспективно, по пока еще мало изучено местное температурное деформирование, которое может сочетать местный нагрев одних зон с глубоким охлаждением других. Например, для создания пластических деформа­ ций удлинения в сварном шве листов из стали, доста­ точных для устранения остаточных напряжений, нужно многопламенной широкой горелкой нагреть широкую (150—200 мм) зону около шва, после чего произвести его локальное охлаждение, например жидким азотом, с применением контактного, либо какого-то другого ох­ ладителя.

Устранение деформаций и напряжений путем высо­ кого отпуска деталей в зажимных приспособлениях — распространенный и широко применяемый процесс, из­ вестный также под названием метода термофиксацпн.

КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

При проектировании конструкции и выборе техноло­ гических процессов ее изготовления, включая последо­ вательность выполнения сборочно-сварочных операций, основное внимание должно уделяться получению рацио­ нальных сочетаний отдельных свариваемых узлов и элементов, позволяющих механизировать и автоматизи­ ровать процессы сварки, снизить трудозатраты на из­ готовление, обеспечить безопасную эксплуатацию кон­ струкции и по возможности получить минимальные отклонения от проектных размеров и форм. Короче го­ воря, при проектировании конструкции необходимо от­ дельные ее сварные узлы разрабатывать с учетом при­ менения прогрессивных методов сварки, снижения концентрации напряжений в сварных соединениях, а также с учетом получения минимальных остаточных деформаций отдельных узлов и конструкции в целом.

При выборе технологического процесса изготовления конструкции необходимо предварительно рассмотреть различные варианты последовательности соединения элементов сварной конструкции между собой с целью нахождения таких вариантов, которые приведут к ми­ нимальным геометрическим отклонениям. На основании

22

Г л а в а II

ПРОКАТКА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ СНИЖЕНИЯ СВАРОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЙ ПРОКАТКОЙ

Принципы устранения деформаций и напряжений прокаткой чрезвычайно просты. Пластические деформа­ ции укорочения, возникающие при сварке в зоне шва и в околошовной зоне, приводят, как известно, к местно­ му остаточному укорочению в продольном направлении. Для снятия напряжений в сварном шве каждое про­ дольное волокно зоны пластических сварочных деформа­ ций необходимо удлинить ровно настолько, насколько оно укоротилось при сварке. А так как все укорочения волокон поперечного сечения шва имеют различную ве­ личину, то для полного устранения напряжений им должна быть сообщена и различная величина дефор­ маций удлинения. Вполне естественно, что осуществить такую неравномерную по поперечному сечению сварного соединения деформацию невозможно ни одним из су­ ществующих методов за исключением высокотемператур­ ного отпуска конструкции. К тому же потребность соз­ дания точно таких деформаций, которые произошли при сварке, но обратного знака, в большинстве случаев отсутствует.

Необходимая точность сварной конструкции будет обеспечена и тогда, когда остаточные напряжения ра­ циональным образом перераспределятся по поперечному сечению сварного соединения. Это перераспределение достигается осадкой при прокатке некоторой части зо­ ны пластических деформаций по толщине. В результате осадки происходит равномерное удлинение металла и компенсация сварочных деформаций укорочения дефор­ мациями удлинения. Прокатка может осуществляться

24

за один или несколько пропусков прокатываемой зоны между деформирующими роликами, причем многопро­ ходная прокатка предусматривает прежде всего увели­ чение ширины прокатываемой зоны, а не увеличение деформации в одной и той же зоне повторным деформи­ рованием.

Рис. 5. Эпюры напряжений при различных соотношениях между шириной прокатываемых зон Ь и шириной зоны пластических де­ формаций а

В зависимости от соотношений ширины роликов и ширины зоны остаточных пластических деформаций возможны несколько вариантов изменения эпюр оста­ точных напряжений в сварных швах. На рис. 5 видно, что при изменении ширины прокатываемой зоны для устранения деформаций требуется большее или мень­ шее снижение напряжений. Причем, если прокатке под­ вергается зона более широкая, чем зона сварочных пластических деформаций, устранение напряжений мо­ жет быть и неполным. Для этого требуются меньшие усилия, нежели при устранении деформаций прокаткой только по шву, но процесс осуществляется за три-четы-

устранения остаточных напряжений и деформаций и для упрочнения шва и заглаживания концентраторов напря­ жений в сварных швах. Устранение сварочных дефор­ маций и напряжений достигается при весьма малой степени деформации сварного шва и околошовной зоны по толщине, составляющей десятые доли процента. Во всяком случае для материалов, у которых остаточные

25