Глава 7. Сварочные деформации и напряжения, страница 14

Поскольку толщинаэтих прослоек мала по сравнению с размерами зерен, пластичность материала снижается на порядок и более. Если при прохождении металла впроцессе остывания через такой температурный интервал он испытываетхотя бы небольшое растяжение, то возможно образование дефекта в соответствии с формулой (7.64).7.16.3. Влияние на качество сварных конструкцийНаиболее наглядным является влияние сварочных деформаций.

Они приводят к искажению формы и размеров конструкции и могут ухудшать не только ее внешний вид, но также эксплуатационные показатели, в том числе жесткость, устойчивость и прочность. Эти искажения можно обнаружить и устранить до начала эксплуатации конструкции.Присутствие остаточных напряжений до начала эксплуатации внешне, какправило, не проявляется. Но при этом в конструкции, даже ненагруженной,имеется запас потенциальной упругой энергии, которая может поддерживатьпротекание различных нежелательных процессов.

Как известно, компонентыостаточных напряжений могут достигать предела текучести, а при всестороннем растяжении превосходить его. Важно иметь в виду, что речь идет не о пределе текучести основного металла, а о пределе текучести конкретной зонысварного соединения. В процессе сварки в зоне шва иногда образуются закаленные твердые прослойки, предел текучести которых может в несколько разпревышать предел текучести основного металла.

Таким образом, остаточныенапряжения могут оказаться существенно выше напряжений от рабочейнагрузки.2391) Остаточные напряжения могут стать причиной пластических деформаций. Это происходит, например, при сложении эксплуатационной нагрузки состаточными напряжениями, если их сумма превышает предел текучести. Приэтом равновесие остаточных напряжений нарушается и происходит изменениеформы и размеров конструкции, что может повлиять на ее работоспособность.При последующих нагружениях до того же уровня нагрузки эти изменения неповторяются, однако при перегрузке они могут произойти вновь.

То же самоепроисходит при релаксации остаточных напряжений в процессе длительнойэксплуатации. В этом случае размеры конструкции постепенно изменяютсядаже при отсутствии эксплуатационных нагрузок.2) Запасенная дополнительная энергия может способствовать появлениюи росту трещин. Рост усталостных трещин ускоряется при прохождении зонырастягивающих остаточных напряжений, направленных по нормали к плоскости трещины и замедляется в зоне сжимающих. Поэтому в некоторых случаяхсобственные напряжения могут играть положительную роль, и они используются в некоторых технологиях торможения усталостного разрушения. Следуетиметь в виду, что собственные напряжения уравновешены по сечению, и невозможно создать сжатие в одной части сечения без появления растяжения вдругой части.

Поэтому рост трещины, после того как она пройдет зону сжатия,снова резко ускорится.Коррозионное разрушение сопровождается образованием продуктов коррозии, которые скапливаются на поверхности и затрудняют доступ к ней новых порций коррозионной среды, в результате чего процесс коррозии замедляется. Растягивающие напряжения раскрывают образовавшийся дефект и обеспечивают продолжение коррозии, а сжимающие тормозят коррозию. Для каждой пары металл-среда существует пороговый уровень напряжений, ниже которого коррозия не развивается. Остаточные напряжения или их сумма с эксплуатационными напряжениями могут превысить этот пороговый уровень ивызвать появление коррозионных дефектов.Большую опасность представляют растягивающие напряжения (особенно240всесторонние) при хрупком разрушении, в частности, при низкой температуре,а также при динамических и ударных нагрузках.

Опасный размер дефекта длятакой зоны может оказаться существенно меньше, чем для остальной конструкции. Даже если зона растягивающих напряжений невелика, трещина отдефекта, выросшая в этой зоне, может продолжить свой рост под действиемболее низких эксплуатационных напряжений.3) Сжимающие остаточные напряжения могут повлиять на устойчивостьгибких конструкций. Остаточные напряжения могут быть близки к критическим.

В этом случае потеря устойчивости происходит при невысоких эксплуатационных нагрузках.7.17. Методы уменьшения сварочных напряжений, деформаций иперемещенийМеры по обеспечению формы и размеров сварной конструкции могутбыть приняты при ее проектировании, разработке технологии сварки, присварке и последующей термической и механической обработке. Если эти мерыразрабатываются на основе понимания процессов образования сварочных деформаций и напряжений и расчетной оценки их характера и уровня в конкретной конструкции, то это позволяет добиться требуемой точности с минимальными затратами.1) При проектировании конструкции общие рекомендации включают выбор способов сварки с минимальным тепловложением, переход на многослойную сварку, уменьшение длины и катета швов, их расположение на жесткихэлементах и симметричное расположение, обеспечивающее компенсацию действия отдельных швов.2) При разработке технологии рекомендуется такая последовательностьсборочно-сварочных операций, при которой на каждом этапе обеспечиваетсямаксимальная жесткость конструкции (лучше всего полная сборка, а затемсварка).

При невозможности полной сборки следует обеспечить возможностьпромежуточной правки сваренных частей. Зажимные приспособления также241служат для увеличения жесткости, для жестких конструкций они неэффективны. Приспособления изменяют временные деформации и напряжения и слабовлияют на остаточные, поэтому выдержка сваренной конструкции в приспособлении до полного остывания малоэффективна.3) Форму и размеры заготовок целесообразно изменять с учетом ожидаемой усадки, так, чтобы они принимали проектную форму после завершениясварки.

Тот же эффект может дать создание в заготовках деформаций противоположного знака. Создание в зоне укладки шва продольных растягивающихнапряжений уменьшает усадочную силу. В процессе сварки можно регулировать напряжения и деформации с помощью сопутствующего нагрева и охлаждения зон вблизи сварочного источника, а также прокаткой шва роликом,движущимся вслед за дугой.4) Правка после сварки применяется в тех случаях, когда предотвратитьнежелательные деформации вышеперечисленными мерами не удалось. Правкасварочных деформаций происходит за счет создания в конструкции пластических деформаций противоположного знака.

При этом в процессе правки возможны дополнительные нежелательные деформации, а также разрушение конструкции.Одним из методов правки листовых конструкций является прокатка зонышва роликами. За счет сжатия по толщине происходит расширение металла вплоскости пластины, при этом можно устранить последствия продольной ипоперечной усадки (как деформации, так и напряжения). Эксперименты показывают, что 70% объема от сжатия идет на расширение пластины в направлении прокатки и 30% - в поперечном направлении. Для устранения напряжений,близких к пределу текучести требуется небольшая деформация сжатия (менее0,5%). Диаметр ролика d должен не менее чем в15 раз превосходить толщинулиста s во избежание наклепа и неравномерности деформации.

В зависимостиот усилия сжатия роликов, можно получить любое изменение остаточногонапряжения σнач, в том числе создать напряжение σкон противоположного знака.Требуемое усилие P можно рассчитать по формуле242P = b( т −  кон )6,7ds т ( нач − 1,5 кон + 0,5 т ).E (0,7 т + 0,3 нач )(7.66)Из формулы ясно, что требуемое усилие можно уменьшить, если выбратьролик небольшой ширины (от 5 до 15 мм) и прокатывать зону шва за несколько приемов. Прокатки требует активная зона, в которой при сваркевозникли растягивающие остаточные напряжения. Для эффективной правки необходимо определить расчетным или экспериментальным путем уровень этих напряжений и ширину активной зоны.

Если остаточные напряжения σнач ≈ σт, то для их полного снятия σкон ≈ 010,1ds т3P=b.E(7.67)Найденное усилие необходимо уточнять на основе пробной правки конкретных изделий.Кроме прокатки, аналогичный результат дает проковка, но при этомвозникает наклеп на поверхности листа. Проковка ультразвуковым ударным инструментом позволяет резко уменьшить усилие и расход энергии,так как во время действия ультразвуковых колебаний снижается пределтекучести материала.Термическая правка местным нагревом приводит к сокращению листав зоне правки. Эффект может быть оценен уменьшением площади илидлины листа от каждого нагрева.

Нагрев должен быть быстрым и концентрированным, в этом случае нагретый металл оказывается в замкнутомконтуре холодного металла и испытывает пластические деформации укорочения. Результат правки выясняется только после полного остывания.Отпуск ведет к снижению остаточных напряжений, но не обеспечивает правки, т. к. упругие деформации при отпуске переходят в пластические, а форма конструкции при этом не изменяется. Для правки отпускпроизводят вместе с зажимным приспособлением, в котором перед отпуском конструкции придают нужную форму.

Это форма сохраняется послеотпуска и освобождения из зажимного приспособления.243Степень снятия напряжений при отпуске зависит от температуры и, вменьшей степени, от времени выдержки. Основная часть процесса протекает уже на стадии нагрева. Температура, обеспечивающая снижениенапряжений до 10-20% от предела текучести составляет для конструкционных сталей и титановых сплавов около 600 °С, для аустенитных сталейоколо 1000 °С, для алюминиевых и магниевых сплавов около 300 °С.Охлаждение после отпуска должно быть достаточно медленным (особеннодля толстых деталей), чтобы не создать новые остаточные напряжения.Отпуск не применяют для биметалла (при различных коэффициентах линейного расширения), например для перлитной стали с аустенитнымшвом.Контрольные вопросы1. В чем состоит главная причина образования временных сварочныхнапряжений?2. В чем состоит главная причина образования остаточных сварочных напряжений?3.