§ 2. Уменьшение остаточных напряжений

Уменьшение остаточных напряжений производится предвари­тельным и сопутствующим подогревом, высоким отпуском, меха­ническими методами.

Подогрев, помимо снижения остаточных напряжений, за­метно влияет и а структуру металла в зоне сварки. Уменьшая скорость охлаждения, удается регулировать структурные превра­щения. Не следует переоценивать возможности низкотемператур­ного (до 200—250° С) подогрева для снижения напряжений, так как уменьшение их составляет ориентировочно не более 30—40%. Подогрев понижает предел текучести металла в мо­мент сварки, что и влияет на формирование и величину остаточ­ных напряжений.

Наиболее эффективным методом уменьшения остаточных напряжений является общий высокий отпус к. Высокий отпуск является практически единственным методом, когда одно­временно с уменьшением напряжений первого рода происходит восстановление пластичности металла н снижение напряжений более высоких родов по «сему объему металла сварной конст­рукции независимо от ее сложности и конфигурации. В случае необходимости можно снизить напряжения до 85—90% от исходных значений (рис. 7-1). Высокий отпуск сварных кон­струкций по объему своего применения в машиностроении зна­чительно превосходит все остальные методы уменьшения оста­точных напряжений.

Высокий отпуск состоит из 4-х стадий (рис. 7-2): нагрева, выравнивания температур по длине и сечению детали, выдержки и охлаждения. Продолжительность нагрева и выравнивания тем­ператур зависит от размеров сечения деталей. Продолжитель­ность выдержки при температуре отпуска зависит как от струк­турных изменений в металле при восстановлении пластичности, утраченной в результате закалки, деформационного старения и наклепа металла, так и от необходимой степени снижения оста­точных напряжений.

Экспериментальные данные показывают, что при температу­ре отпуска 65Q—680°С пластичность низкоуглеродистых сталей

172

полностью восстанавливается через 2—3 ч. Снижение остаточ­ных напряжений после достижения температуры отпуска и вы­держки 2—3 ч продолжается, по весьма медленно. Поэтому в большинстве случаев выдержку при отпуске следует назначать в зависимости от необходимой степени снижения напряжений. Для суждения о величине снижения остаточных напряжении удобно использовать кривые простой релаксации, снятые от раз­личных начальных уровней (рис. 7-3,а). Это объясняется тем, что процесс изменения собственных напряжений при отпуске весьма близок к процессу простой релаксации, когда напряже-

Рис. 7-1. Остаточные напряжения в швах электрошлаковых сварных соеди­нении:

s—lOO мм, Ст. 3 до и после высокого отпуска; а; — координата вдоль оси шва; '.г-,. °}у 9_г& —средние остаточные напряжения вдоль шва, поперек шва и в на­правлении ТОЛЩИНЫ

ния снижаются, а деформации элементарных объемов тела со­храняются строго постоянными. Б процессе отпуска полного постоянства деформаций нет, однако их изменение незначитель­но. Получение кривых простой релаксации при переменной тем­пературе осуществляется на трубчатых тонкостенных образцах, угол закручивания которых поддерживается постоянным. Пере­ход от октаэдрических касательных напряжений т_окт » получае­мых при испытании трубчатых образцов, к нормальным напря­жениям (г можно производить по формуле

о = 2,12-_окт. (7.1)

Снижение одноосных и двухосных остаточных напряжений происходит приблизительно так же, как и на кривых простой

173

релаксации (рис. 7-3.а). Изменение трехосных остаточных на-пряженик находится путем решения специальных задач [5] с уче­том процесса простой релаксации и перераспределения напря­жений в теле. Результаты расчетов показывают (рис. 7-3,6), что снижение трехосных растягивающих напряжений, например, в электрошлаковом соединении большой толщины следует той же закономерности, что

и одноосных, но величина их оказывается в 2—2,5 раза выше одноосных.

Многолетняя завод­ская практика выработа­ла нормативы для про­должительности выдерж­ки при отпуске, исходя из толщины металла наибо­лее массивных элементов конструкции, например I ч на 25—50 мм толщи-

тг~ ВыроЪ-Выдержка Охлаж-реб нибание деиие

Рис. 7-2. Характерный термиче­ский цикл при проведении высо­кого отпуска: Т — температура; t — время

О) 115

/о)

15 5,0 2,5

« ' ГС

20

Ш i		60В°С !
		Л \
V^i	Tv^
ШН^уЯ	N._„_—: -^гокт
Ш Т		7^
-.--------|-		^^

t,«

ton

15

20

	T-y
		'\
«fl*^N	L^o	i
		i
рое	t\	у i
\		L	~

t,4

Wit

!5

го

Рис. 7-3, Кривые простой релаксант; стали 30, снятые при термическом цикле отпуска (а), и снижение остаточных на­пряжений в сварных швах (6); / — одноосных; 2 — трехосных

ны. Такой подход не учитывает температуры отпуска, свойств металла и распределения остаточных напряжений и приводит к завышенной продолжительности периода выдержки. Более правильным является назначение продолжительности выдержки по релаксационным кривым в зависимости от необходимого сни­жения остаточных напряжений. Уровень допустимых остаточных напряжений после отпуска зависит от требований, предъявляе­мых к сварной конструкции.

Высокий отпуск, как правило, предназначается для предот­вращения деформирования, вызванного перераспределением на­пряжений, а также для повышения сопротивляемости хрупким

174

разрушениям. Так как в большинстве машиностроительных кон­струкций напряжения от рабочих нагрузок не превышают 2/3 о\, то остаточные напряжения могут составлять примерно до 1/3 с_т, если ставится условие отсутствия пластических деформаций в де­тали при ее нагружении. Хрупкие разрушения, в частности при низких температурах, как это следует из пробы Робертсона, мо­гут происходить при напряжениях обычно выше 0,15—0,25а_т. Указанные напряжения практически достигаются после двух-четырехчасовой выдержки, когда наступает относительная ста­билизация напряжений и дальнейшее их снижение почти не про­исходит. Поэтому для большинства машиностроительных кон­струкций, если не предъявляются специальные требования, выдержка после выравнивания температур может составлять 3—4 ч независимо от толщины металла.

Если требуется более значительное снижение остаточных напряжений, то это в лучшей мере может быть достигнуто неко­торым повышением температуры отпуска (на 20—30°С), чем увеличением продолжительности выдержки. Эксперименты пока­зывают, что повышение температуры отпуска на 30—50° С дает больший эффект, чем дополнительная выдержка в течение 10—15 ч.

Местный отпуск отличается от общего обычно средства­ми, с помощью которых осуществляется нагрев, а также тем, что при местном отпуске нагревается до заданной температуры лишь часть сварной конструкции. При остывании неравномерно нагретой детали возникают вновь остаточные напряжения, вели­чина которых зависит от распределения температуры и жестко­сти детали. Основное назначение местного отпуска заключается в восстановлении пластических свойств металла и повышении сопротивляемости разрушениям.

Однако необходимо стремиться к тому, чтобы возникающие остаточные напряжения были минимальными и находились в зо­не, где нет концентраторов напряжений. Например, если при местном отпуске кольцевого стыка трубы нагревалась узкая зона (рис. 7-4, а, кривая /), то при остывании, как и при сварке, вновь будет возникать изгиб трубы с растяжением в корне шва. При нагреве более широкой зоны (кривая 2) остаточные напряжения при остывании будут возникать в основном в стороне от шва, в местах максимальных градиентов температур (заштрихован­ные зоны), а не в корне кольцевого шва.

Остаточные напряжения можно уменьшить также более плав­ным изменением температур по длине детали. Следует избегать назначения местной термообработки в замкнутом контуре (рис. 7-4,6) без компенсации температурного сокращения, воз­никающего при остывании. Целесообразно производить одновре­менно нагрев в другом симметричном сечении, как это схематич­но показано на рис. 7-4,6.

175

Поэлементный отпуск состоит в том, что отпускаются отдельные узлы конструкции, включающие зоны и элементы, где отпуск необходим, затем эти узлы свариваются между собой швами, конструктивное оформление которых не содержит резких концентраторов, а качество выполнения может быть проконтро­лировано. Чаще всего это — сварные соединения встык с полным проваром.

В ряде случаев конструкции, особенно из легированных ста­лей, свариваются присадочным металлом иного химического со­става, чем основной металл. Сочетание основного металла и ме­талла шва может оказаться неблагоприятным в отношении обра­зования остаточных напряжений при остывании после отпуска.

Рис. 7-4. Распределение температур Т при местном от­пуске сварных соединений

Это происходит вследствие различных коэффициентов линейного расширения шва и основного металла. Особенно значительными, достигающими величины и_т, будут остаточные напряжения, если шов из аустенитиого металла соединяет элементы, выполненные из перлитных сталей. Остаточные напряжения после отпуска и охлаждения возникают также в деталях, сваренных из разно­родных по химическому составу металлов. Наиболее значитель­ными оказываются эквивалентные напряжения около плоскости сплавления

где Де —разность температурной деформации у двух разнород­ных металлов, возникающая при остывании после от­пуска; Е— модуль упругости металла; |а — коэффициент Пуассона. Механические методы (проковка, прокатка, вибра­ция, приложение нагрузки к сварным соединениям) вызывают

176

сравнительно неравномерное уменьшение напряжений. Все они основаны на создании пластической деформации металла.

Проковка металла производится непосредственно после свар­ки по горячему металлу или после остывания. Благодаря осадке металла в направлении удара происходит его расширение в двух других направлениях. Растягивающие напряжения снижаются, а при значительной пластической деформации даже переходят в сжимающие. Снижение средних напряжений оказывается бла­гоприятным в отношении предупреждения образования трещин и деформаций элементов конструкции. Основное преимущество этого метода состоит в простоте применяемого оборудования, универсальности и операт ивности.

Прокатка обеспечивает более равномерную пластическую де­формацию металла, по сравнению с проковкой, и в основном предназначена для устранения перемещений.

Приложение нагрузки к сварным соединениям осуществляет­ся путем растяжения, изгиба элементов и т. п. Суммирование остаточных и приложенных напряжений вызывает пластические деформации удлинения и после снятия нагрузки снижение мак­симальных напряжений. Величина снижения напряжений зави­сит от величины прикладываемых напряжений.

Разновидностью метода приложения нагрузок является тер­момеханический метод. Участки основного металла, находящие­ся по обе стороны зоны сварочных пластических деформаций, нагреваются движущейся горелкой или индуктором до темпера­туры 150—250° С и непосредственно после нагрева охлаждаются водой. Создаются два движущихся пятна, которые, расширяясь, растягивают дополнительно зону сварного соединения в направ­лении вдоль шва и вызывают ее сжатие в поперечном направ­лении. Такая схема нагружения зоны пластических деформаций благоприятна в отношении протекания пластических деформа­ции. После указанной обработки снижаются максимальные рас­тягивающие напряжения.