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

тере деформирования их сварных соединений с тече­

нием времени.

При отсутствии структурных превращений изменение размеров сварных соединений происходит из-за наличия

Рис. ПО. Изменение

жений при неизменности деформации должно быть одно­ родным или распределено по линейному закону.

В реальных условиях наиболее характерное распре­ деление остаточных напряжений отлично от линейного

230

закона и тем более от равномерного распределения напряжений. Это свидетельствует о том, что если пред­ ставить соотношение между изменением напряжений и деформаций в виде степенной зависимости вида е=А ап, то показатель п всегда будет больше единицы и чем больше его величина, тем значительнее деформации с течением времени при прочих равных условиях. Таким образом, в зоне сварных швов происходит более интен­ сивное снижение напряжений, чем в остальной части, а это приводит к нарушению равновесия и к внешним деформациям.

В отличие от деформирования металлов со стабиль­ ной структурой, происходящего вследствие релаксации остаточных напряжений, и от деформирования металлов в результате превращения остаточного аустенита в мар­ тенсит в среднеуглеродистых сталях типа 35 деформации с течением времени являются следствием двух одновре­ менно протекающих процессов: а) снижением остаточ­ ных напряжений вследствие релаксации аналогично материалам со стабильной структурой; б) переходом мартенсита закалки в мартенсит отпуска, сопровождаю­ щимися уменьшением объема.

Механизм деформирования сварных соединений с мартенситной структурой может быть раскрыт при изу­ чении процессов, происходящих в сварных швах. При сварке в результате структурных превращений, происхо­ дящих при низких температурах, укорочение металла сменяется резким удлинением, а образовавшиеся напря­ жения растяжения постепенно снижаются и переходят в напряжения сжатия. В процессе хранения при темпе­ ратуре 150°С деформации в сварных соединениях из стали 35 протекают в направлении, соответствующем увеличению усадочного усилия вследствие более интен­ сивного падения напряжений в зоне закалки.

Влияние различных уровней остаточных напряжений на реологические характеристики сварных соединений может быть установлено посредством изменения эпюры напряжений дополнительной пластической деформацией. С этой целью в образцах, прокатанных по двум схемам (рис. 111, а) на машине МВТУ-МПР-1, создавали раз­ личные напряжения от •—40 до +40 кгс/мм2 (рис. 111,6), экспериментально определенные по принятой методике.

231

(рис. I l l , б) свидетельствуют о том, что деформации зависят от характера и уровня напряжений и происхо­

одновременно интенсифицируются деформации, направ­ ленные в одну сторону, вызванные релаксацией остаточ­ ных напряжений и отпуском мартенсита. Создание же

ные релаксацией напряжений, направлены противо­ положно деформациям, связанным с распадом мартен­ сита, а характер общей деформации определяется сте­ пенью пластической деформации.

Чтобы оценить возможные деформации сварного со­ единения с течением времени, необходимо располагать серией кривых релаксации для различных участков сварного шва. Они могут быть получены на образцах, обработанных по термическому циклу, соответствующему сварочному. Как показывают результаты испытаний, релаксационные кривые характеризуются интенсивным изменением напряжения под влиянием пластической деформации в начальный период испытания, а затем скорость снижения напряжений падает.

Анализ кривых релаксации различных зон свиде­ тельствует также о том, что зона закалки как при тем­

атомно-кристаллического строения на границах является максимальным, а сопротивление скольжению минималь­ ным, кроме того, в процессе испытания на релаксацию в образцах происходят структурные превращения, свя­ занные с распадом мартенсита закалки.

Однако релаксационные испытания при закручивании образца не являются показателем структурной стабиль­ ности. Структурные деформации определяются по линей­ ным измерениям, например на вертикальном оптиметре с точностью 0,5 мкм. В процессе хранения при темпера­ туре 100° С деформации в основном происходят в образ­ цах с мартенситной структурой и приводят в течение длительного времени к уменьшению размеров. Анало-

232

тичное явление в закаленных образцах происходит после ■отпуска. Это позволяет сделать вывод о преобладании в данном случае влияния процесса снижения степени тетрагональное™ мартенсита над процессами превраще­ ния остаточного аустенита в мартенсит.

На основании исследовании релаксационных харак­ теристик и структурных свойств различных зон сварного ■соединения следует, что характер кривых деформирова­ ния сварных образцов из среднеуглеродистых сталей (типа стали 35) определяется происходящими в одном направлении процессами релаксации и структурных пре­ вращений в зоне закалки.

Деформации сварной конструкции с течением вре­ мени могут быть определены двумя методами: а) па ос­ нове кривых деформирования сварных образцов; б) на основе кривых релаксации и ползучести для различных зон сварного шва.

При определении деформаций во времени по резуль­ татам, полученным на образцах, необходимо учитывать, что деформирование во времени вызывается процессами, происходящими в активной зоне. Под активной зоной в сварных соединениях из низкоуглеродистых и аустенит­ ных сталей подразумевается зона действия напряжений растяжения.

Величина деформации сварного соединения на основе деформационных кривых кольцевых образцов, имеющих вполне определенную форму и размеры (рис. 107), про­ порциональна изменению усадочного усилия с течением времени. Зная значения усадочного усилия вполне опре­ деленного образца, можно перейти к оценке стабиль­ ности сварных соединений для любых образцов и кон­ струкций. Для этого изменение величины зазора коль­ цевого образца выражается через силовые факторы, приводящие к этому изменению:

(92)

где М = е А Р у с — изгибающий момент от изменения уса­ дочного усилия;

ЛД= 1^ (1—cos ф)— изгибающий момент от единич­ ной силы.

234

Заменяя М и Му через изменения усадочного усилия, получим

где I — длина шва, е —эксцентриситет, R — радиус кольца.

Чтобы оценить деформационную способность сварных соединений в интервале температур 20—100° С, в усло­ виях эксплуатации или хранения, необходимо знать величину активной зоны, приводящей к деформированию всего сварного соединения. Активная зона сварного соединения для каждого частного случая определяется распределением температуры при сварке и характером деформирования сварного соединения с течением времени.

Определим деформации с течением времени сварных соединений из сталей, активная зона в сварных соеди­ нениях которых совпадает по своей ширине с зоной структурных превращений (12Х5МА, ЗОХГСА, 20ХГСИА, 25ХГС, 23Х2НВФА). Известно, что деформирование во времени сварных соединений из низколегированных ста­ лей происходит вследствие распада остаточного аусте­ нита внутри зоны, подвергшейся нагреву при сварке выше температуры 810—820° С — точки стабилизации аустенитной структуры при иагреве. Для определения размеров активной зоны воспользуемся уравнением пре­ дельного состояния процесса распространения тепла при нагреве пластины быстродвижущимся линейным источ­ ником:

Расстояние у (см) отсчитывают от наружной кромки пластины. Переплав кольцевой пластины (рис. 112, а) производили по наружному ее контуру при силе тока

235

120 А, напряжении 24 В, скорости сварки 0,317 см/с. Эффективный к. п. д. при сварке угольным электродом может быть принят г)= 0,4. Эффективная тепловая мощ­ ность при заданных параметрах составляет

<7 = 0,4£// = 0,4-120-24 = 1152 Дж/с.

(б).

Зная величину S,у_А, определяемую непосредственно из кривых деформирования образцов, вычисляется APy(!. Для удобства введения АРус в расчет запишем ее в виде

236

где F — площадь зоны, нагретой выше температуры

810° С;

Ле— деформация пластического укорочения или удлинения активной зоны, приводящей в ко­ нечном итоге к деформациям с течением вре­ мени.

Величина As удобна для введения ее в расчет дефор­ мации конструкции. Результаты непосредственных изме­

сти зоны структурных превращений в низколегирован­ ных сталях. Используя известные соотношения, находим долю теплоты, отводимой в полку qn и стенку qc тавра

Площадь зоны структурных превращений равна сумме площадей зоны полки и стенки, нагревшихся при сварке выше температуры 810° С:

F = бсУі + ßn(2& + öc).

По формуле (96) с учетом данных (рис. 112,6) на­ ходим и соответствующее значение прогиба или угла

237

поворота для определенного времени, прошедшего с мо­ мента сварки:

Деформации в сварных соединениях из низкоугле­ родистых и аустенитных сталей оцениваются по.такой же методике с той лишь разницей, что площадь зоны пластического укорочения (активная зона) определяется границей максимальных температур при сварке, равных 200—250° С. В среднеуглеродистых сталях с закалочной структурой шва величина площади пластического удли­ нения определяется зоной плавления и в значительной, степени зависит от скорости охлаждения в интервале температур наименьшей устойчивости аустенита.

Значения Де, полученные по результатам испытания сварных образцов для низкоуглеродистых аустенитных и среднелегпроваипых сталей ( и 0х л 120—165 град/с), приведены в табл. 6.

238

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