2.4.4. Зменшення інтенсивності напруженого стану

Утворення залишкових напружень при зварюванні. Регулю­вання залишкового напруженого стану існуючими заходами майже не впливає на характер розподілу напружень, але дозволяє, в основному, зменшити їх інтенсивність.

Інтенсивність напруженого стану в точках зварного з'єднання зале­жить від термодеформаційних процесів у металі зварного з'єднання. Основною причиною утворення залишкових напружень при зварюванні є залишкова пластична деформація скорочення. У спрощеному вигляді механізм формування цих деформацій такий (рис. 2.34). Розглянемо стикове з'єднання з низьковуглецевої сталі. Умовно виділимо ділянку металу шириною , де метал під час зварювання спочатку нагрівався, а потім охолоджувався. Приймемо, що решта металу не нагрівалась. В такому разі деформація металу зварного з'єднання шириною 2Ь_П буде проходити в умовах жорсткого защемлення (модель зварного з'єднання безкінечної ширини). Розглянемо розвиток деформацій в перерізі А—А окремо на етапі нагріву і на етапі охолодження.

Рис. 2.34. Механізм утворення залишкової пластичної деформації

На етапі нагріву внаслідок нереалізованої(наявністьзащемлення)температурної деформації поздовження в металі спочатку будуть розвиватися пружні деформації скорочення а зі зростанням температури і одночасним зниженням значення - пластичні деформації скорочення, величина яких

На етапі охолодження розвиток деформації піде у зворотному напря­му: спочатку (починаючи з температури 600°С), пружні , а потім плас тичні деформації розтягнення є°_л, які будуть дорівнювати є°_л = є"_л - є°_р. В нашому випадку (наявність защемлення) є°_р = є_т. Для зварного з'єднання кінцевої ширини 2В (защемлення відсутнє) є°_р = |є_т| + |є_р|, де є_р - деформація скорочення металу поза зоною 2Ь_П.

Отже, різниця призводить до утворення залишкової плас-

тичної деформації скорочення (рис. 2.35), величина якої в загальному випадку визначається формулою:

де х - відстань від осі шва (при х = 0 —> = тог, при

Рис. 2.35. Епюра залишкової пластичної деформації

При відсутності защемлення зона 2Ь_П скоротиться на величину (положення перетину В—В). Щоб задовольнити вимоги теорії плоских перетинів, необхідно прикласти до зварного з'єднання на ширині 2Ь_П пружні деформації розтягнення , тобто на цій ширині будуть

діяти залишкові напруження розтягнення які врівноважуються

реакцією защемлення. Якщо зняти умовне защемлення, буде мати місце перерозподіл напружень (рис. 2.34) пропорційно площинам до встанов­лення рівноваги:

Таким чином, залишковий напружений стан залежить як від значення ,так і від значення 2b , тобто від площі епюри залишкової пластичної деформації є„_л х 2b_n (на одиницю товщини), або її об'єму ( ) х 5.

Регулювання залишкового напруженого стану можливо здійснювати шляхом:

• звуження ширини зони пластичної деформації 2Ь_П (застосування заходів із впливу на температурний стан зварного з'єднання);

- впливу на розвиток (величину) пластичних деформацій (використан­ня додатково силової або температурної дії до, під час або після зварювання).

Вплив на ширину зони пластичної деформації. Звуження ширини зони пластичних деформацій за рахунок впливу на температурний стан зварного з'єднання досягається головним чином використанням концентрованих джерел нагріву або тепловідводів.

Концентровані джерела нагрівання характеризуються підвищеною здатністю до проплавлення, що призводить до зміни параметрів режиму зварювання, а саме, до зниження зварювального струму або до підви­щення швидкості зварювання. Іншими словами, застосування концентро­ваних джерел нагрівання дозволяє одержати якісне зварне з'єднання на більш низьких значеннях теплової енергії qlv. Це означає, що розплав­ляється менший об'єм металу, а за умови збереження глибини проплав­лення зменшується ширина зварного шва.

Розглянемо, як зменшення qlv (ширина шва) впливає на площу епюри залишкових поздовжніх пластичних деформацій скорочення, а також на величину залишкових напружень. Зменшення значення qlv призводить до зсуву лінії 1 у положення 2 (рис. 2.36), що призводить при нагріванні до зменшення ширини зони пластичних деформацій.

Рис. 2.36. Зміна ширини зони пластичних деформацій скорочення при зварюванні концентрованими джерелами нагрівання

Отже, при зварюванні більш вузьким швом відбувається зменшення площі епюри залишкових пластичних деформацій скорочення в основ­ному в результаті зменшення її ширини. На практиці широко застосовують наступні способи зварювання кон­центрованим джерелом нагрівання: електронно-променевий, плазмовий, імпульсно-дуговий, голим електродом, по шару флюсу й інш.

Як приклад зниження залишкових зварювальних напружень розгля­немо два способи зварювання.

Імпульсно-дугове зварювання неплавким електродом широко застосовують для зниження напружень" при зварюванні малих і середніх товщин чорних і кольорових металів. При імпульсно-дуговому зварюванні між електродом і виробом, що зварюється, постійно підтримується малоамперна дуга. Регулюючи струм, швидкість зварювання, а також тривалість імпульсу і паузи, можна в широких межах змінити теплову потужність дуги, а виходить, і розміри шва. Імпульсно-дугове зварювання має широкий діапазон регулювання теплового впливу джерела тепла на метал. Це пов'язано з більш ефективним використанням тепла за період імпульсу на розплавлювання металу, що зварюється.

Так, при зварюванні неплавким електродом в стик пластин зі сплаву Амг-6 розмірами 750x500x6 мм ширина шва склала 18 мм, а при імпульсно-дуговому зварюванні плавким електродом 10 мм. При цьому розподіл максимальних температур у поперечному перерізі також змінився (рис. 2.37)

60У,мм 0 20 40Y,mm а) б) в)

Рис. 2.37. Розподіл максимальних температур (а), залишкової пластичної деформації (6) та напружень (в) при аргонодуговому (1) й імпульсно-дуговому зварюванні (2) сплаву Амг-6

Як видно з наведених даних, застосування імпульсно-дугового зварювання викликало зсув лінії Т(у) до осі ординат, що привело до зміни умов протікання пластичних деформацій скорочення. При цьому площа зони пластичних деформацій менша, ніж при зварюванні неплавким електродом і в основному за рахунок зменшення її ширини (рис. 2.37, б). Відповідно цим площам у зварному з'єднанні сформува­лися залишкові поздовжні напруження (рис. 2.37, в).

В даний час для зварювання титанових сплавів застосовують спосіб зварювання по шару безкисневого фторидно-хлоридного флюсу.

Дослідження, проведені в ІЕЗ ім. Е. О. Патона, показали, що при зварюванні по флюсу утворяться галогеніди лужних і луго-земельних металів, що контрагують дугу, змінюють характер проплавлення. При цьому відбувається більш рівномірне і глибоке проплавлення, що дозволяє зварювати при менших значеннях погонної енергії q/v. Порівняльне дослідження напружень при аргонодуговому зварюванні неплавким електродом по шару флюсу АНТ-25А і без флюсу стикових з'єднань розмірами 300 х 250 х 3 мм із титанового сплаву ВТ-1-0 пока­зало ефективність застосування зварювання по флюсу для зниження інтенсивності напружень.

а) б) в)

Рис. 2.38. Розподіл максимальних температур (а), залишкової пластичної деформації скорочення (б) та напружень (в) при зварюванні сплаву ВТ-1-0 без флюсу (1) і по флюсу АНТ-25А (2)

На рис. 2.38, а наведений розподіл максимальних температур. При зниженні погонної енергії лінія Т(у) змістилася до осі ординат і ширина шва зменшилася від 12 до 4 мм. Це привело до зміни площі зони залишкових пластичних деформацій скорочення (рис. 2.38, б) та зменшення інтенсивності напружень (рис. 2.38, в). Таким чином, зварювання концентрованими джерелами тепла можна застосовувати для зниження інтенсивності напружень у зварних з'єднаннях.

Зварювання з тепловідводом - примусовий відвід із зони зварювання теплоти, що вводиться у виріб джерелом нагрівання (рис. 2.39, а). Теплота, що вводиться, поширюється у виріб і в тепловідвід. Тепловідвід у цьому випадку являє собою від'ємне джерело теплоти стосовно позитивного дже­рела нагрівання. Взаємодія цих двох джерел призводить до зниження тепло-вложення і зміни теплового стану металу елементів, що зварюються. Тепло­вий стан залежить від потужності тепловідводу і місця його розташування відносно джерела зварювального нагрівання. Зниження тепловложення рівнозначне зсуву кривої максимальних температур до осі ординат, як і при зварюванні концентрованими джерелами нагрівання. Основна відмін­ність полягає в тому, що при зварюванні з тепловідводом крива максималь­них температур характеризується більшими градієнтами температур (при умові рівності ширини шва), ніж при зварюванні концентрованим джерелом.

Рис. 2.39. Принципова схема зварювання з тепловідводом

Отже, механізм зниження напружень при зварюванні з тепловідводом такий же, що і при зварюванні концентрованими джерелами нагрівання.

Оскільки для зварювання з тепловідвідом характерні великі градієнти температур, значно знижується площа епюри залишкових пластичних деформацій скорочення, в основному за рахунок більш різкої зміни її ширини. При цьому, чим ближче розташований тепловідвід до зварного шва і вище його властивості, що відводять тепло, тим крутіше змінюється крива максимальних температур. Ефективність тепловідводу залежить від теплофізичних, властивостей його матеріалу і площі контакту тепло­відводу з поверхнею, з якої здійснюється відбір тепла.

При виробництві зварних конструкцій застосовують різні способи тепловідводу.

Як приклад розглянемо пристрій для тепловідводу на рис. 2.39, б. Він складається з мідної підкладки 1 і двох мідних притискачів 3, розташовуваних якнайближче до етика листових елементів 2, що зварюються. Проте притискачі не повинні перешкоджати переміщенню зварювальної голівки. У підкладці і притискачах на всю їхню довжину виконані теплоізо-люючі стінки 4 з асбоцемента і канали 5 для циркуляції охолоджуючого агента - тосола (тосол - рідина, температура замерзання якої дорівнює -40...-60°С) Регулюючи температуру тосола в каналах, можна керувати температурним станом металу виробу, що зварюється.

Вплив на величину залишкової пластичної деформації. При виробництві зварних конструкцій широко застосовують складально-зва­рювальні пристосування, що забезпечують базування, взаємне розташу­вання деталей, їхню фіксацію, зменшення зварювальних напружень.

Інтенсивність залишкових напружень зменшується внаслідок збіль­шення величини пластичних деформацій подовження, що розвиваються при охолодженні деталей у жорсткому пристосуванні і, отже, зменшу­ється величина залишкових пластичних деформацій скорочення.

При зварюванні без пристосування пластин кінцевої ширини (25) значення залишкової пластичної деформації скорочення можна визна­чити за виразом:

Відповідно до приведеної залежності при зварюванні пластин кінцевої ширини значення завжди перевищує значення є_т (рис. 2.40, а).

Рис. 2.40. Залишкові пластичні деформації'скорочення

і залишкові пружні деформації (напруження) при зварюванні

без затискного пристосування (а) і в пристосуванні (б)

При зварюванні в абсолютно жорсткому пристосуванні пластин кінце­вої ширини з урахуванням жорсткості пристосування розрахункову шири­ну у виразі для можна вважати рівної нескінченності. Тоді = Є_т (рис. 2.40, б).

На епюрах залишкових пластичних деформацій скорочення побуду­ємо епюри залишкових пружних деформацій (напружень). При цьому мається на увазі, що зварне з'єднання після охолодження звільнене з пристосування.

Тоді абсолютні значення пружних деформацій визначимо з умов:

Тоді

Враховуючи, що у випадку зварювання в пристосуванні менша, ніж при зварюванні у вільному стані, неважко помітити, що застосування пристосувань знижує залишкові напруження в пластичній зоні 2Ь_П і в іншій частині перерізу.

Оцінимо ефективність застосування затискних пристосувань по відношенню до значень є, у вільному стані і з застосуванням затискних пристосувань, припустивши, що площа поперечного перерізу зони пластичних деформацій залишається незмінною:

За виразом побудуємо графік (рис. 2.41), що показує ефективність застосування затискних пристосувань.

1,4

1,2

0 0,2 0,4 Ь„ІВ

Рис. 2.41. Ефективність застосування затискних пристосувань для зниження інтенсивності напружень

Як видно, для області реальних зварних з'єднань (Ь_ПІВ = 0,1...0,3) навіть у випадку абсолютно жорсткого пристосування напруження у зварному шву знижуються на 7...30%. У реальному виробництві напру­ження можна знизити на 10...15%.

На величину залишкової пластичної деформації скорочення (інтен­сивність залишкових напружень) можна впливати, застосовуючи статичне навантаження зварного з'єднання після зварювання або в процесі зварювання. Статичне навантаження полягає вприкладенні до зварного з'єднання поздовжніх навантажень розтягнення для компенсації пластич­них деформацій скорочення, що утворюються внаслідок зварювання. Механізм зниження напружень простежимо на прикладі розтягнення сти­кового з'єднання (рис. 2.42, а) після зварювання. Після зварювання в зварному стиковому з'єднанні має місце епюра залишкових пружних нап­ружень (рис. 2.42, б). Прикладемо зовнішнє навантаження інтенсивністю

Оскільки в зоні 2Ь_П метал знаходиться в пластичному стані, усе наван­таження сприймуть тільки ділянки шириною а в зоні 2b„ буде пластична деформація подовження. Тоді напруження на ділянках 2В—2b_n від зовнішнього навантаження:

Ці напруження в зоні 2В - 2b_u додаються до напруження від зварю-

вання:

а в зоні 2b„ напруження залишаються без зміни і рівні (рис. 2.42, в).

а) б) в) г)

Рис. 2.42. Зниження напружень при статичному навантаженні

Після зняття зовнішнього навантаження в результаті пружного роз­вантаження напруження в зоні 2В - 2b_n цілком знімуться, а в зоні 2b_n будуть рівні І відповідно до гіпотези плоских перерізів перерозподіляться до рівноважного стану (рис. 2.42, г). Визначимо значення напруження з умов:

Тоді, з огляду на ці залежності, одержимо:

Отримані вирази для характеризують ефективність застосування статичного розтягнення після зварювання. Як видно, для того, щоб цілком усунути залишкові напруження, необхідно зварне з'єдна­ння навантажити таким чином, щоб виникли напруження розтягнення, що дорівнюватимуть межі текучості матеріалу.

Практично статичне навантаження після зварювання можна реалізу­вати тільки для обмеженого типу конструкцій, наприклад, балкового типу, резервуарів, трубопроводів.

Механізм зниження інтенсивності напружень при статичному наван­таженні в процесі зварювання принципово такий же, як і в попередньому випадку. Різниця полягає тільки в тому, що перерозподіл напружень (рис. 2.42, в) відбувається безпосередньо після зварювання. Цій спосіб широко застосовують при зварюванні в стик тонкостінних оболонок на підкладних кільцях, що розтискують кромки перед зварюванням, викли­каючи їх розтягування вздовж шва.

Рис. 2.43. Принципова схема прокатки

Різновидом розтягнення є прокатка зварних з'єднань (рис. 2.43). Сут­ність способу полягає в тому, що зона пластичних деформацій скорочення

піддається пластичному стисненню по товщині. У результаті стиснення відбувається рівномірне подовження металу в поздовжньому напрямку і компенсація зварювальних деформацій скорочення деформаціями подов­ження Стиснення металу по товщині може бути здійснене різними спо­собами Найбільш ефективним способом є прокатка сталевими роликами. Ефективність зниження залишкових напружень залежить головним чином від діаметра і ширини роликів, а також від сили прокатки. На рис 2 44 показані епюри напружень при різних співвідношеннях між шириною зони прокочування (Ь) і шириною зони пластичних деформацій

скорочення 2Ь„.

З рис 2 44 видно, що напруження найбільше знижуються, якщо шири­на зони прокатки приблизно дорівнює ширині зони пластичних деформа­цій скорочення.

Рис. 2.44. Вплив ширини зони прокатки на зниження залишкових напружень

Збільшення ширини прокатки може викликати зворотний ефект. Встановлено, що для кожного металу і його товщини існує визначений тиск на ролики, при якому залишкові напруження, рівні після зварювання межі текучості, знижуються до нуля. Зменшення товщини металу при цьому складає 0,5... 1 %. Тиск, необхідний для створення цього зменшен­ня товщини, залежить від межі текучості металу.

Експериментальні дані по впливу діаметра роликів на величину залишкових напружень показують, що зі збільшенням діаметра роликів зменшується величина пластичної деформації від зменшення товщини, що призводить до зниження ефективності прокатки.

Таким чином, ефективність прокатки залежить від правильного вибо­ру параметрів прокатки: діаметра ролика, його ширини, тиску в залеж­ності від товщини металу і його властивостей.

Розроблена методика вибору оптимального режиму прокатки для зменшення інтенсивності залишкових напружень. Відповідно до цієї ме­тодики силу прокатки визначаємо з умови прокатки всієї зони пластичних деформацій за залежністю:

де с - ширина робочого паска ролика; - відповідно початкове і

кінцеве напруження в металі до і після прокатки; - товщина металу в місці прокатки; d - діаметр роликів.

Якщо величина залишкових напружень у зоні шва дорівнює а

Якщо є параметри режиму прокатки для конкретної конструкції, але змі­нюються умови прокатки, характеристики матеріалу, то для визначення но­вих параметрів режиму прокатки можна використовувати наступні залежності: при переході з діаметра d_x на діаметр d₂ зусилля прокатки відносяться як

при зміні межі текучості і модуля пружності справедливі залежності:

де Р₂ - нова сила прокатки.

Визначені за цією методикою режими прокатки повинні бути переві­рені на зразках і, в разі потреби, зроблене необхідне коректування.

Рис. 2.45. Схеми прокатки по шву (а, б); прокатки шва і зони пластичних деформацій (в); прокатки зони пластичних деформацій (г)

Принципово існують три технологічні схеми прокатки для зниження залишкових напружень.

Перша схема передбачає прокатку тільки по шву. Вона здійснюється прокаткою між двома роликами (рис. 2.45, а) чи прокаткою на підкладці, коли тільки один ролик передає тиск безпосередньо на шов, другий же сприймає тиск через прокладку (рис. 2.45, б)

При прокатці тільки шва епюра залишкових напружень має вигляд, наведений на рис. 2.44, а, тобто напруження врівноважуються в межах вузької зони і не передають зусилля на іншу частину зварного з'єднання.

Друга схема включає прокатку шва 1 і прокатку зони пластичних деформацій 2, 3 - по черзі шов, а потім зони чи навпаки. Причому, якщо ширина зони значна, а ролик вузький, то прокатку здійснюють окремими проходами. Епюра залишкових напружень після прокатки за другою схемою показана на рис. 2.44, б. У цьому випадку напруження практично усуваються повністю.

Третя схема передбачає прокатку тільки зони пластичних дефор­мацій 1, 2 (крім шва). Цей технологічний процес застосовується в тих випадках, коли додаткова пластична деформація металу шва може знизити його пластичність. При цьому різко зменшується ширина зони напружень розтягнення.

Якщо прокатка не дала очікуваного результату, то потрібна повторна прокатка. Однак повторна прокатка по тому самому місцю при постійній силі викликає згасаючу пластичну деформацію. Це означає, що для одержання ефекту від повторної прокатки необхідно підвищити тиск на роликах.

Останнім часом для зниження інтенсивності залишкових зварюваль­них напружень широко застосовують вібраційну обробку зварних з'єд­нань. Сутність способу полягає в створенні після зварювання в зварній конструкції змінних напружень певної величини за допомогою механічних вібраторів.

Вібрування роблять на резонансних чи близьких до резонансних частотах певний час.

Накладення вібраційних напружень призводить до зміни напруженого стану, а саме: змінні напруження додаються до зварювальних. Якщо сполучення зварювальних напружень з вібраційними таке, що їхня сума перевищує , то має місце пластична деформація. У випадку, коли дода­ються напруження розтягнення, у зварному з'єднанні відбувається плас­тична деформація подовження. Оскільки в зварному з'єднанні напру­ження розтягнення діють у зоні пластичної деформації скорочення, підсумовування призводить до компенсації залишкових пластичних дефор­мацій скорочення і до зниження інтенсивності залишкових зварювальних напружень. Таким чином, основна умова зниження залишкових зварю­вальних напружень - сума зварювальних і вібраційних напружень у зоні пластичних деформацій скорочення повинна перевищувати значення межі текучості матеріалу.

Механізм зниження залишкових напружень у зоні 2Ь_П розглянемо, використовуючи схему на рис. 2.46. Після зварювання в зварному з'єд­нанні будуть залишкові пластичні деформації скорочення, рівні є'. Відпо­відно цим деформаціям у зварному з'єднанні виникнуть пружні дефор­мації в зоні 2Ь_п(е₁) і в реактивній частині з'єднання, тобто:

є' = є, + є_р.

Значення є' може бути рівним є_т чи меншим, ніж (у залежності від властивостей матеріалу). На рис. 2.46. пружній деформації відповідає напруження . Приймемо, що матеріал характеризується діаграмою роз­тягнення пружно-пластичного тіла. Прикладемо перемінні напруження

Рис. 2.46. Схема зниження залишкових напружень при вібраційній обробці

При першому циклі навантаження відбудеться підсумовування пруж­них напружень . Якби матеріал був ідеально пружним, то сумар­ному значенню напружень відповідала б точка В. Якби матеріал був ідеально пружно-пластичним і відповідав моделі континуального сере­довища, то мала б місце пластична деформація подовження в зоні 2Ь_П, яка дорівнювала б довжині відрізка AM. Однак, оскільки в дійсності ме­тал складається з конгломерату зерен, розподіл напружень по перерізу буде взагалі нерівномірним, і це призведе до вибіркового протікання пластичної деформації в зоні 2Ь_П в окремих зернах. Тому середнє зна­чення пластичної деформації подовження:

Пластична деформація подовження за цей цикл навантаження Дє,' знизить величину залишкових пластичних деформацій скорочення є':

Отже, відповідно до виразу для залишкової пружної деформації є' знизиться значення є, і Є_р, що приведе до зменшення вихідного значення залишкових напружень від

При другому циклі навантаження перемінним напруженням величина пластичної деформації подовження буде зменшуватися, тому що

тоді - . Це означає, що в результаті другого циклу наванта-

ження зниження напружень відбувається на меншу величину, ніж при першому циклі, тобто:

Таким чином, кожен наступний цикл навантаження вібраційними нап­руженнями супроводжується падінням величини пластичної деформації подовження (рівнозначно зниженню зварювальних напружень). Цей про­цес буде відбуватися до моменту, коли сума . Подальша віброобробка не викликає будь-яких змін залишкового напруженого стану. Для подальшого зниження напружень необхідно змінити величину перемінного навантаження так, щоб знову

Ефективність вібраційної обробки залежить від матеріалу. Так, при знакоперемінному навантаженні межа текучості матеріалу може бути вищою (матеріали, що циклічно зміцнюються) чи нижчою (матеріали, що циклічно не зміцнюються) межі текучості при статичному навантаженні. Для матеріалів, що циклічно зміцнюються, межа текучості може знижуватись у 2 рази в порівнянні з межею текучості при статичному навантажені. Залишкові зварювальні напруження можуть зменшуватись при порівняно невеликих значеннях циклічних напружень.

Застосування вібраційної обробки для зменшення інтенсивності за­лишкових напружень має переваги в порівнянні з термообробкою, а саме:

1. Устаткування порівняно просте, універсальне. Вартість його значно нижча вартості устаткування для термообробки.

2. Тривалість обробки невелика, тому що процес протікає швидко (не більш 0,5 год.).

3. Поверхня деталей не вимагає наступної обробки (немає окалини, шлаку і тощо).

При вібраційній обробці відбувається навантаження металу цикліч­ними напруженнями. Якщо це навантаження відбувається в процесі вико­нання зварного шва, то на ділянці, де вже сформувалися зварювальні напруження, у результаті взаємодії їх з напруженнями від вібраційної обробки знижуються зварювальні напруження. Іншими словами, при зварюванні з вібраційною обробкою одночасно можуть протікати два процеси - утворення зварювальних напружень і їхнє усунення. Основна перевага цього способу полягає в тому, що дві технологічні операції сполучені за часом в одну. Однак на практиці цей спосіб ще не одержав широкого застосування у зв'язку з відсутністю теоретично обґрунтованих рекомендацій. Наведені в літературі відомості відносяться до лабора­торних досліджень, які показують ефективність вібраційної обробки, хоча механізм зниження напружень не розкритий.

В деяких випадках не можна використовувати вищеназвані способи впливу на інтенсивність залишкових напружень від зварювання, наприк­лад, для конструкцій, насичених зварними швами, доступ до яких утруд­нений; конструкцій, що характеризуються великою жорсткістю і метало-ємністю; конструкцій з розвинутими перерізами (значні товщини) тощо. Тоді застосовують термічну обробку для зниження залишкових напружень.

Термообробка для зниження залишкових напружень - найбільш поширений (а іноді і єдиний) спосіб зняття залишкових зварювальних напружень.

Найбільше поширення для зниження залишкових зварювальних нап­ружень одержала термічна обробка у вигляді відпуску. При відпуску тем­пература нагрівання конструкції не перевищує температуру для даної сталі, що складає для конструкційних сталей 500...800°С. При відпуску обробка конструкції складається з трьох стадій (рис. 2.47):

Рис. 2.47. Стадії термічної обробки (відпуск)

стадія І - нагрівання виробу, що забезпечує вирівнювання температур по перерізу виробу (і по його довжині); стадія II - витримка виробу при постійній температурі; стадія III - повільне охолодження виробу.

Розрізняють загальний і місцевий відпуск. У процесі загального від­пуску нагріванню піддається вся зварна конструкція.

Розглянемо процеси, що відбуваються на кожній стадії відпуску, з точки зору зниження напружень (процес відновлення механічних влас­тивостей не розглядається).

Стадія І. У процесі нагрівання у виробах виникає нерівномірний роз­поділ температур по перерізу: температура на поверхні деталі вища, ніж у глибині металу. У результаті можуть з'явитися температурні напру­ження і деформації. Щоб уникнути їх шкідливого впливу, необхідно здійс­нити нагрівання виробу з певною швидкістю, що залежить від маси, гео­метрії виробу, товщини і теплофізичних властивостей металу. Рекомен­дований діапазон швидкостей нагрівання до Т- 800°С складає 60...80 с. на 1 мм товщини металу. Зазначена швидкість нагрівання коригується в залежності від розміщення деталей у печі.

Процес нагрівання і вирівнювання температур відбувається в такий спосіб: деталь завантажують у піч при температурі печі 250...300°С (якщо не обговорені спеціальні умови). Потім у залежності від швидкості нагрівання підвищують температуру в печі до температури, що трохи перевищує температуру відпуску. При цьому температура на поверхні деталі росте швидше, ніж у глибині металу. При досягненні в якій-небудь точці поверхні температури відпуску починається період вирівнювання температур по поверхні. Після вирівнювання температур на поверхні відбувається вирівнювання температур по товщині металу. На цьому стадія нагрівання закінчується.

На стадії нагрівання внаслідок підвищення температури змінюються властивості металу, а саме: знижуються модуль пружності і межа теку чості. Крім того, нагрів може викликати зменшення чи збільшення повної деформації

Таким чином, при нагріванні принципово можливі три варіанти проце­су зниження напружень в залежності від значень повної деформації.

Варіант 1 (рис. 2.48, а). Повна деформація Є_пов у процесі нагрівання залишається постійною. Перед нагріванням повній деформації відповідали початкові напруження і температура Т₀. При нагріванні до температури , внаслідок зниження модуля пружності, зміниться діаграма а- є металу, в результаті цього повній деформації є°_пов будуть відповідати точка 1 і напруження . Тобто, в цьому випадку відбувається зменшення напружень в результаті зниження модуля пружності. При подальшому підвищенні температури відбувається падіння напружень у відповідності зі зниженням модуля пружності Е(Т) аж до температури, коли Отже, цей процес не супроводжується трансформацією пружної деформації у пластичну, і тому після охолодження ніякого зниження напружень не відбувається внаслідок відновлення величини модуля пружності.

Якщо то у цьому випадку напруження повинні розви-

ватися по лінії 02', але такий розвиток на ділянці 22' неможливий, тому що метал знаходиться в пластичному стані. На цій ділянці пружна дефор­мація переходить у пластичну , у результаті чого напруження падають до рівня при температурі Т₂. Тобто, після охолодження буде

мати місце зменшення напружень на величину трансформованої пружної деформації у пластичну

Варіант 2 (рис. 2.48, б). Повна деформація є°_пов у процесі нагрівання завжди менша значення межі текучості металу при даній температурі і. Як видно з діаграми у цьому випадку спад напружень

відбувається тільки за рахунок зниження модуля пружності (напруження розвиваються по лінії Н1). Після охолодження значення модуля пруж­ності відновлюється, що не призводить до зменшення напружень.

Варіант 3 (рис. 2.48, в). Повна деформація у процесі нагрівання завжди перевищує значення межі текучості металу при даній темпера­турі. При нагріванні до температури напруження повинні розвиватися по лінії 011', на ділянці 11' це неможливо в зв'язку з тим, що, починаючи з точки 1, метал знаходиться у пластичному стані.

Тобто, пружна деформація переходить у пластичну, що супроводжу­ється падінням напружень до рівня при температурі. Відповідно величина напружень після охолодження зменшується.

Рис. 2.48. Механізм зниження напружень при відпуску

Отже, для зменшення напружень під час відпуску необхідно, щоб на стадії нагрівання падіння напружень відбувалось в результаті трансфор­мації пружної деформації в пластичну. А це можливо майже завжди при умові нагрівання конструкційних сталей до температури 500...800°С, коли практично є_т = 0. Причому цей перехід відбувається практично миттєво.

Оскільки в реальних зварних з'єднаннях присутні зони з різним рівнем залишкових напружень і величиною повної деформації, то при нагріванні напруження постійно перерозподіляються, у результаті чого до кінця на­грівання практично вирівнюється рівень напружень у всіх точках зварного з'єднання.

Якщо в будь-яких об'ємах металу ріст температури припинився (йде вирівнювання температур), то властивості металу не змінюються, і у цих об'ємах протікає процес простої релаксації напружень при постійній тем­пературі. Цей процес має характер дифузійної пластичності. Він у кіль­кісному відношенні менш ефективний, вимагає тривалого часу і почина­ється з рівня напружень, досягнутого внаслідок зміни властивостей ме­талу при нагріванні.

Оскільки період вирівнювання температур з погляду релаксації напружень незначний, необхідно вважати, що на першій стадії відпуску падіння напружень відбувається в результаті зміни механічних власти­востей металу при його нагріванні.

Стадія II - витримка. На цій стадії відпуску виріб витримують в печі при постійній температурі відпуску. У металі має місце процес релаксації напружень при постійній температурі. На цій стадії продовжується про­цес релаксації напружень, що почався на стадії нагрівання. Основний параметр режиму витримки - її тривалість, що залежить від необхідної повноти протікання релаксаційних процесів.

Рис. 2.49. Криві релаксації' напружень Рис. 2.50.схема зниження напружень

для низьковуглецевої сталі з різним при відпуску

рівнем початкових напружень

На рис. 2.49 наведена крива релаксації напружень для зразків з низьковуглецевої сталі. Як видно з рисунка, основне падіння напружень відбувається в перші дві години витримки. Подальша витримка практич­но не викликає зміни величини напружень. Якщо потрібно одержати після відпуску більш низькі значення напружень, то ефективніше підвищити температуру відпуску, ніж збільшувати час витримки.

Стадія III -охолодження. Охолодження виробу вимагає певної швид­кості, що забезпечує таку різницю температур по перерізу виробу, при якій не утворяться значні власні напруження. При високих температурах власні напруження можуть викликати місцеву пластичну деформацію через низьке значення межі текучості. Тоді після охолодження у виробі виникнуть додаткові залишкові напруження. Тому, щоб уникнути утворен­ня цих напружень, як правило, охолодження здійснюють разом з охолод женням печі до температури 250...300°С, потім виріб вивантажується з печі і охолоджується на повітрі. З іншого боку, у процесі охолодження відновлюються механічні властивості металу, що призводить до підви­щення напружень пропорційно зростанню модуля пружності зі знижен­ням температури.

Таким чином, процес зниження напружень при відпуску можна подати У вигляді схеми, наведеної на рис. 2.50. Як видно, напруження падає головним чином на стадії нагрівання, коли відбувається перехід пружної деформації в пластичну.

Поряд із загальним відпуском у практиці виробництва зварних кон­струкцій застосовується місцевий відпуск. Він відрізняється від загаль­ного тим, що нагріванню піддається частина виробу - шов і навколо-шовна зона. Оскільки нагрівається тільки частина конструкції, напру­ження повністю не знімаються, а лише перерозподіляються. На перероз­поділ напружень впливає характер температурного поля при місцевому нагріванні, регулюючи яке можна в значній мірі змінити розподіл залиш­кових зварювальних напружень.