книги из ГПНТБ / Сагалевич, В. М. Методы устранения сварочных деформаций и напряжений

тельная разница (рис. 57), то при температуре 600°С они отличаются меньше. Как правило, основное сниже-

Рис. 57. Снижение напряжений в образцах в про­ цессе нагрева и выдержки при температурах от­ пуска низколегированной стали

ние напряжений происходит в процессе нагрева и вы равнивания температуры. В процессе релаксации сни жение напряжений опре­ деляется величиной ис­ ходных напряжений перед релаксацией и значением начальной упругой дефор­ мации ео и зависит от температуры, при которой протекает релаксацион­ ный процесс (рис. 58).

Между деформациями в различных зонах свар­ ного соединения и време­ нем выдержки при ис­ пользовании логарифми­ ческой системы коорди-

Рис. 58. Кривые релаксации при различных ■температурах, уровнях начальных напряже­ ний и исходных упругих де­ формаций

5* 131

мат существует линейная зависимость (рис. 59, а). Ана­ логична зависимость и между деформациями и напря­ жениями (рис. 59, б) для конкретно выбранного момента времени релаксации. Эти зависимости позволили ряду авторов установить общие приближенные закономерно­ сти протекания деформаций при различных уровнях на-

а)

Рис. 59. Изменение деформации в образцах при различных уровнях напряжении во времени (а) и зависимость между напряжениями и деформациями (б) в логарифмических координатах для низко­ легированной стали следующего состава:

0.15% С; 0,26% Si: 0.93% Мп: 0.02% Р; 0,012% S; 0,3% Си: 0.02% Ni; 0,9% Cr; 0.49% M o; 0,03% V ; crT =82,1 к г с / м № ; 6 = 21%

пряжений в различных зонах соединения. Для этого необходимо знать некоторые константы материала по­ добно тому, как это делается в теории ползучести. Кон­ станты могут быть определены по зависимостям типа приведенных на рис. 59. Упругая деформация опреде­ ляется из соотношения

Коэффициенты А, /и, п, определенные по графикам рис. 59, приведены ниже:

132

Скорость изменения упругой деформации

Полная деформация при температуре Т, напряже­ ниях а, модуле нормальной упругости Ет равна сумме упругой бI и пластической ер составляющих:

-Ст Причем скорость пластической деформации

Учитывая соотношение (33) и принимая во внима­

ние, что е; = е0 -----— , нетрудно определить скорость изме-

Ег

неТПтя упругой деформации при исходных деформациях ео и текущих напряжениях о:

Скорость деформации существенно меняется в зави­ симости от изменения уровня напряжений в процессе релаксации рис. 60). На основании приведенных соот­ ношений определяют время t, в течение которого проис­ ходит снижение напряжения с исходного уровня <т'= = ЕГео до величины а:

методике дает удовлетворительную сходимость с экспе­ риментальными результатами. Этот метод, хотя и про­ стой, но весьма приближенный.

Многочисленные исследования релаксации напря­ жений позволили установить:

1. Снижение остаточных напряжений во времени зависит от схемы напряженного состояния. Как прави­ ло, после стабилизации напряжений дальнейшая вы­ держка сварных конструкций при высокой температуре теряет смысл, так как к этому времени пластические

133

свойства металла оказываются восстановленными, а снижение напряжений почти ие происходит.

2. Толщина металла н размеры сечений не влия на необходимую продолжительность выдержки при от­ пуске. Основное внимание должно быть уделено сохра­ нению таких скоростей охлаждения, которые не вызы-

б.кгс/ммг

Рис. 60. Результаты экспериментальных и тео­ ретических данных, показывающих соотношение между уровнем действующих напряжений и ско­ ростью деформации

вали бы в массивных сечениях больших градиентов тем­ ператур, приводящих к дополнительным пластическим деформациям.

3. Для оценки снижения величины напряжений стадии нагрева могут быть использованы ие только кривые простой релаксации,- но и деформационные ха­ рактеристики материалов, полученные при различных температурах испытаний. При этом нет существенной разницы в определении конечных величии остаточных напряжений.

В конструкциях, в особенности из легированных сталей, при применении присадочного металла иного химического состава, чем у основного металла, в про­ цессе охлаждения после отпуска могут вновь возник­ нуть остаточные напряжения, вызванные разностью коэффициентов линейного расширения шва и основио-

134

го металла. Разность температурных деформаций ос­ новного металла и металла шва даже в перлитных сталях может достигнуть таких значений, которые вы­ зовут напряжения 100—150 кгс/см2. В этом случае не­ обходимо регулировать термические циклы охлаждения металла в различных зонах с помощью специальных

бост .кгф т і

Рис. 61» Влияние кратковременного нагрева на уровень остаточных напряжений в сварных сое­ динениях стали ОХ23С2ІО

технологических приемов с тем, чтобы в отдельных уча­ стках шва вызвать дополнительные пластические дефор­

напряжений применяют кратковременный нагрев до температур, при которых упругие свойства резко умень­ шаются. При этом происходит снятие напряжений как от сварки, так и от фиксации конструкции в приспособ­ лении. Обычно общая продолжительность отпуска тон­

135

чину остаточных напряжений в сварном соединении стали толщиной 5 мм.

Температура и режимы кратковременного нагрева определяются в основном изменением упругих свойств материалов и для большинства конструкционных сталь­ ных, титановых, алюминиевых, магниевых и других иа-‘ терпалов широко представлены в специальной лите­ ратуре.

МЕСТНЫЙ ОТПУСК

Местному, так же как и общему, отпуску посвящено значительное количество работ и поэтому, не останав­ ливаясь подробно на анализе различных вариантов его осуществления, сформулируем основные принципы п области применения.

Местный отпуск отличается от общего обычно сред­ ствами, с помощью которых осуществляется нагрев, а также тем, что нагреву подвергается обычно часть сварной конструкции — как правило, шов и околошов­ ная зона. Ввиду нагрева части сварной конструкции происходит лишь перераспределение остаточных напря­ жений и не достигается полного их снятия. В большин­ стве случаев нагреву подвергается более широкая зона, чем при сварке, а температуры отпуска, естественно, ниже температур, имеющих место при сварке. Регули­ руя характер температурного поля при местном отпу­ ске, можно получить различное распределение напряже­ ний в сварном соединении. В основном целью операции является снижение напряжений и более благоприятное их распределение наряду с изменением пластических свойств, характерных для общего высокого отпуска. Это достигается определенной длительностью выдержки, в течение которой протекают пластические деформации, вносящие изменение в схему напряженного состояния.

Подробно вопрос местного отпуска сварных конст­ рукций рассмотрен в книге В. А. Винокурова [5]. Поэто­ му не будем останавливаться на некоторых подробно разработанных деталях.

Обычно местный отпуск используют как средство повышения сопротивляемости конструкций хрупкому разрушению, в ряде же случаев — как средство полного устранения остаточных напряжений и уменьшения де­

136

формаций, в особенности самопроизвольно протекаю­ щих во времени. Как средство уменьшения деформаций при механической обработке местный отпуск приме­ няется редко.

Характер напряженного поля после местного отпу­ ска в зоне сварного шва в значительной степени зави­ сит от распределения температур. Часто при сварке да­ же тонкостенных конструкций остаточные напряжения и деформации могут отрицательно влиять на эксплуата­ ционные свойства. При локальной термообработке, на­ пример кольцевых швов, при которой температурное поле может считаться равномерным по толщине, эффек­ тивность термообработки может оказаться незначитель­ ной. В частности, в случае протекания при нагреве до­ полнительных к сварочным пластических деформаций укорочения, а при охлаждении — пластических дефор­ маций удлинения, возможно даже образование трещин. Возможно также наложение температурных напряже­ ний от отпуска и остаточных напряжений, при котором в зоне высоких температур создастся низкий суммар­ ный уровень напряжений. В этом случае эффективность снятия напряжений существенно снизится. Наиболее ра­ циональными режимами нагрева следует считать такие, при которых обеспечивается равномерный нагрев.

В связи с этим задачей местного отпуска является построение режимов локального нагрева, обеспечиваю­ щих низкий уровень температурных напряжений, т. е. создающих условия, наиболее близкие к равномерному нагреву. Для случая осесимметричного нагрева кольце­ вого шва длинной цилиндрической оболочкиуказанная задача сводится к определению температурных полей, которые при заданном уровне температуры и данной ширине зоны нагрева гарантируют сравнительно низкий уровень максимальных напряжений.

Если зона локального нагрева ограничена сечения­

137

Сужение зоны нагрева, естественно, будет менять величину температурных напряжений в оболочке и ха­ рактер их распределения. В то же время расширение этой зоны может оказаться бессмысленным, так как мало что изменит по сравнению с оптимальным вариан­ том распределения температур.

Пользуясь теорией температурных напряжений в оболочках, нетрудно сравнить уровень температурных напряжений, соответствующих температурному полю (38) и более жесткому температурному полю, которое можно представить в виде двухпараметрического семей­ ства температурных полей:

где

R

Для обоих случаев в сечении х = 0 температура до­ стигает значения Т0. Изменением параметров m и k мож­ но в широких пределах изменять локальность и градиентиость поля. Сравнение данных расчета по форму­ лам (38) и (39), проведенное для локального нагрева

k и пг, равных'75 и 8,5, представлено на рис. 62. Макси­ мальная температура нагрева для сплава ТС-5, приме­ нительно к которому получены эти расчетные данные, принята равной 800° С. Результаты подтверждают удов­ летворительные соотношения между двумя различными по температурному полю схемами нагрева и позволяют в первом приближении определить ширину индукторов или характеристики других нагревательных устройств, применяемых для местного отпуска. В промышленности используют разнообразные средства нагрева для пере­ распределения напряжений при местном отпуске. На­ пример, при местном отпуске сварных швов ре­ зервуаров толщиной более 30 мм применяют мощные многопламенные ацетиленовые горелки, обеспечиваю­ щие двусторонний нагрев зоны сварного шва. Значи­ тельный практический интерес представляет собой соче­ тание местного нагрева с местной пластической дефор­ мацией с помощью прокатки либо проковки. Такие ра­

138

боты находятся в стадии разработки, их применение может оказаться весьма эффективным, так как при определенном сочетании термического и механического

Рис. 62. Температурные поля (а) для двух режимов и соответствующие им напряжения (б):

воздействий можно получить наряду с устранением де­ формаций и напряжений и улучшение свойств.

Применение местного отпуска с использованием до­ вольно низкотемпературного нагрева эффективно для

Рис. 63. Схема процесса местного низкотемпературного от­ пуска сварных швов и эпюры остаточных напряжений в ци­ линдрической оболочке из стали 35 до (!) и после местного отпуска (2):

А — устройство для нагрева; Б — охладители; В — сварная пластина

ряда материалов, образующих после сварки напряже­ ния сжатия в сварных швах. К таким материалам отно­ сятся стали мартенситного класса, у которых в процес­ се охлаждения сварного шва в зоне нагрева выше точек аустенитного превращения образуется структура мар­

139