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

ПОВЫШЕНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ РАЗМЕРОВ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

В практике не существует специальных методов ста­ билизации сварных соединений за исключением методов, разработанных применительно к сварным соединениям низколегированных сталей, стабилизация которых обес­ печивается общим низкотемпературным отпуском либо путем обработки зоны шва ультразвуком. Причиной снижения степени деформирования после ультразвуко­ вой обработки сварных соединений из низколегирован­ ных сталей является, по всей вероятности, ускорение протекания превращения остаточного аустенита в мар­ тенсит в процессе обработки.

Что же касается других материалов (низкоуглероди­ стых, аустенитных сталей), то они считались геометри­ чески не изменяющимися, если, конечно, металл не под­ вергался действию дополнительных нагрузок. Однако проведенные в МВТУ им. Баумана исследования свиде­ тельствуют о том, что сварные соединения практически всех материалов деформируются в течение времени в той или иной степени, а величина и характер дефор­ мирования зависят от марки материала. Так, например, стали со стабильной структурой изменяют свои размеры под действием одних лишь остаточных напряжений, неравномерное распределение которых приводит к не­ равномерной релаксации и ползучести, а следовательно,

ик возникновению деформации формоизменения.

Всталях с нестабильной структурой наряду с релак­ сацией напряжений происходят фазовые превращения. Наиболее нестабильной становится структура мате­ риала тогда, когда в результате сварки образуется мета­ стабильное состояние. Так, в структуре сварного шва закаленной стали возникают две метастабнльные фазы: тетрагональный мартенсит и остаточный аустенит. Уменьшение степени тетрагональное™ и самопроизволь­ ное превращение остаточного аустенита приводит к из­ менению размеров деталей. Процессы, связанные со

структурными превращениями, при наличии поля оста­ точных напряжений резко ускоряются.

Основные требования к способам повышения ста­ бильности сварных соединений можно сформулировать следующим образом: 1) зоны сварных соединений должны обладать высокой релаксационной стойкостью

239

и структурной стабильностью; 2) уровень остаточных напряжений в сварных соединениях должен быть мини­ мальным [27].

Поэтому для решения вопроса, связанного со стаби­ лизацией сварных соединений, необходимо знать релак­ сационную стойкость и структурную стабильность раз­ личных зон сварного соединения; затем на основе ана­ лиза результатов — определить условия повышения этих характеристик и разработать технологические процессы стабилизирующей обработки для получения наиболее равновесного состояния материала. Сущность стабилизи­ рующей обработки заключается в обеспечении устойчи­ вости структуры и понижении величины остаточных напряжений или стабилизации их на определенном уровне.

Рассмотрим два способа стабилизации сварных со­ единений.

Ультразвуковая обработка. Стабилизирующее дейст­ вие ультразвуковой обработки объясняется протеканием микропластических деформаций, которые способствуют снижению остаточных напряжений.

■Влияние ультразвуковой обработки на стабилизацию сварных соединений исследовано на сталях, деформи­ рующихся с течением времени в результате релаксации остаточных сварочных напряжений (СтЗ, Э12, 1Х16Н25АМ6). В качестве образцов применяли пластины толщиной 1,5 мм размером 200x150 мм и кольцевые об­ разцы.

В пластинах, проплавленных по середине, определены поля остаточных напряжений. При обработке сварного шва усилие определялось одним лишь весом вибратора, равным примерно 5 кгс. Блок колебаний имел частоту 20 кГц и амплитуду 25—30 мкм. Скорость обработки составляла 9, 6, 4,5 м/ч. Сварной образец укладывали на плиту, сверху на него опирался экспоненциальный вол­ новод с блоком питания (рис. 114, я). Снижение оста­ точных напряжений происходило при всех режимах обработки. Кольцевые образцы без обработки и с об­ работкой ультразвуком хранились в условиях при Т= 100° С для изучения деформирования стечением времени.

Обработка зоны сварного соединения ультразвуком значительно снизила деформирование с течением вре­ мени (рис. 114,6). Причиной снижения деформирования

240

после ультразвуковой обработки является то, что при наложении ультразвуковых колебаний, так же, как при вибрации, снижаются предел текучести металла и оста­ точные напряжения. Кроме того, в зоне обработки ультразвуком повышается температура металла.

Рис. 114. Схема обработ­ ки сварных пластин ультразвуком (а) и кривые деформирования сталей при температуре

100°С (б):

шов

Понижение предела текучести металла приводит к возможности существенного уменьшения внешнего уси­ лия, вызывающего пластическую деформацию в зоне обработки. При обработке ультразвуком возможно не только снижение остаточных напряжений растяжения, но и перевод их в сжимающие. Следовательно, при соот­ ветственном подборе режима и зоны обработки ультра­ звуковым методом можно практически свести остаточ­ ные сварочные напряжения к нулю и тем самым повы­ сить размерную стабильность во времени.

Местный низкотемпературный отпуск. Одной из наиболее радикальных мер снятия напряжений счи­

241

тается термообработка. При снятии сварочных напря­ жений и стабилизации структуры термообработка также находит достаточно широкое применение. Однако, когда по условиям эксплуатации конструкции недопустим об­ щий нагрев, применение общей термообработки исклю­ чается.

Существующие методы стабилизации геометрических размеров металлов (холод, нагрев до 200° С, статические механические воздействия на шов, ультразвук) эффек­ тивны при повышении стабильности размеров конструк­ ции из низколегированных, аустенитных и пнзкоуглеродпстых сталей, деформирующихся вследствие превра­ щения остаточного аустенита в мартенсит и релаксации остаточных сварочных напряжений. Однако при длитель­ ной эксплуатации большинства конструкций, изготовлен­ ных из конструкционных сталей (типа 35), имеет место монотонное изменение размеров во времени.

Измерения остаточных напряжений в сварных со­ единениях, проведенные непосредственно после сварки конструкционных сталей, склонных к закалке, свиде­ тельствуют о том, что в зоне шва образуются сжимаю­ щие напряжения, вызванные разуплотнением структуры при переходе аустенита в мартенсит в процессе охлаж­ дения шва.

Для снижения напряжений сжатия применимы про­ цессы, которые вызывали бы возникновение пластиче­ ских деформации укорочения в зоне остаточных напря­ жений. В связи с образованием в зоне сварного шве после сварки нестабильной структуры мартенсита необ; ходимо также, чтобы процесс возникновения пластиче­ ских деформаций укорочения сопровождался стабили­ зацией свойств материала в обрабатываемой зоне. Это достигается следующим образом: зону сварного шва подвергают местному равномерному по всей длине на­ греву источником тепла, вводящим тепловую энергию через поверхность сварного шва. Этот метод, по сути дела, является комбинированным термопластическим

242

деформации укорочения и стабилизовать структуру, в непосредственной близости от места введения тепло­ вой энергии параллельно сварному шву по всей длине обрабатываемой зоны устанавливают охладители. Кон­ тактные охладители, в которых циркулирует вода, позво­ ляют регулировать в требуемом направлении распреде­ ление температур в процессе стабилизации (рис. 115).

ттшштШт*

собой кварцевую трубку, внутри которой находится спи­ раль. Нагревательное устройство обеспечивает нагрев зоны шва до температуры 250° С, контролируемой термо­ парами, приваренными по всей длине шва через 25 мм.

Начальные продольные напряжения в поперечном сечении пластины приведены на эпюре (рис. 116,о); напряжения сжатия соответствуют зоне В'Ѵ (рис. 116,6), в которой в процессе охлаждения произошли структур­ ные превращения. При местном нагреве зоны с напря­ жениями сжатия до температуры Т° С, волокна должны удлиниться на величину аГ, где а — коэффициент линей­ ного расширения. Однако свободному удлинению пре­ пятствуют ненагретые участки, которые интенсивно охлаждаются и приводят к возникновению в нагретой4 зоне напряжений сжатия о\ (рис. 116,6).

При наложении температурных напряжений на поле остаточных напряжении в пластине (рис. 116, в) в зоне с напряжениями сжатия начинают протекать пластиче­ ские деформации укорочения вследствие того, что сум­

243

марное значение их значительно превосходит предел текучести металла в этой зоне. Пластические деформа­ ции, но только удлинения, протекают также в зоне, в которой после сварки были остаточные напряжения растяжения.

Рис. 116. Схема изменения сварочных напряжений при низкотем­ пературном местном отпуске:

Выдержка зоны шва при повышенной температуре одновременно стабилизирует структуру вследствие пре­ вращения мартенсита закалки в мартенсит отпуска.

В процессе охлаждения в нагретых волокнах проис­ ходят деформации укорочения и величина остаточных напряжений зависит от соотношения температурных на­ пряжений и поля напряжений, существовавшего в пла­ стине в процессе температурной выдержки (рис. 116,г).

Остаточные сварочные напряжения снижаются на 60—90% от исходного уровня.

244

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Башки О. А. О стабильности сварочных деформаций. «Вопро­ сы сварочного производства». Труды Челябинского политехническо­ го института, вып. 16. М.— Свердловск, Машгиз. 1959, с. 5—13.

2. Байкова И. П. Влияние внешней растягивающей нагрузки на сварочные деформации и напряжения.— «Сварочное производство», 1969, № 6, с. 3—5.

3.Бельчук Г. А., Мацкевич В. Д. Сварка в судостроении. Л., Судпромгпз, 1961, 432 с.

4.Винокуров В. А. Сварочные деформации и напряжения. «Ма­ шиностроение», 1968, 236 с.

5.Винокуров В. А. Отпуск сварных конструкций. «Машино­

строение», 1971.

6. Вольмир А. С. Гибкие пластинки и оболочки. М., Гостехнздат, 1956,- 419 с.

7. Вологдин В. П. Коробление судовых конструкций от свар­ ки. Л.— М., Речнздат, 1948, 160 с.

8.Григорьев А. А., Сидоренко А. П. Местные сварочные дефор­ мации тонколистовых конструкции и мероприятия по их уменьше­ нию. Л., Судпромгиз, 1957, 128 с.

9.Николаев Г. А., Рыкалин Н. Н. Деформации при сварке кон­

струкций. Изд-во АН СССР, 1943, 152 с.

10.Дятлов А. В. Внутренние напряжения в металлических кон­ струкциях. М.— Л., Госстройиздат, 1935, 112 с.

11.Золотарев Б. Б., Сагалевич В. М. Остаточные деформации

при точечной и роликовой сварке.— «Сварочное производство», 1964,

№11, с. 10—13.

12.Казимиров А. А., Недосека А. Я. Исследование сварочных

деформаций тонколистовых конструкций из алюминиевых сплавов.— Сб. «Новые проблемы сварочной техники». Киев, Изд-во «Техника», 1964, с. 9—27.

13.Кузьминов С. А. Методика расчета общих сварочных дефор­ маций корпусных конструкций. Труды ЦНИИТС, вып. 9, 1956, 72 с.

14.Куркин С. А., Винокуров В. А. Устранение коробления тон­

колистовых сварных конструкций прокаткой роликами.— Сб. «Свар­ ка цветных сплавов, редких металлов и пластмасс». М., Оборонгиз, 1961, с. 186—196.

15.Куркин С. А. Технология изготовления сварных конструк­ ций. М., Машгиз, 1962, 152 с.

16.Лангенеккер В. Влияние звуковых и ультразвуковых коле­

баний на прочность конструкционных материалов ракет и снаря­ дов.— «Ракетная техника н космонавтика», 1963, № 1, с. 100—104.

17.Мацкевич В. Д. Сборка и сварка корпусов судов. Л., «Су­ достроение». 1968, 402 с.

18.Мордзинцева А. В. Деформации сварных конструкций со

временем. Сб. трудов МВТУ, № 71. Машгиз, 1957, с. 54—63.

19. Николаев Г. А. Расчет сварных соединений и прочность сварных конструкций: М,, «Высшая школа», 1965, 451 с.

245