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

оказывает скорость перемещения при проковке s. С ее

Рис. 31. Диаграммы «энергия единичного удара — скорость деформи­ рования— степень деформации» для сплава МА2-1 толщиной 3 мм

(а) и 1,5 мм (б):

I — s = 0,6 м/мин; 2 — s = 2 м/мин

увеличением относительная величина понижения удель­ ной энергии возрастает во всем исследованном интер­ вале степеней деформации и скоростей деформирования.

Для получения пластической деформации 2% при ско­ рости деформирования 6—7 м/с относительную величину требуемой удельной энергии с изменением скорости пе­ ремещения от 0 , 6 до 2 м/мин уменьшили на 32%, а при 22,Г м/с — на 53%- При максимальной достигнутой сте-

70

пени деформации 6 % снижение удельной энергии (ско­ рости удара те же) составило соответственно 50 и 75%.

Более существенное влияние на удельную энергию деформирования оказывает толщина проковываемой пластины. С уменьшением толщины образца до 1,5 мм величина удельной энергии (относительно результатов по проковке пластин толщиной 3 мм) возрастает почти во всем интервале соответствующих скоростей деформи­ рования и степеней деформации. Это особенно наглядно при малых степенях деформации и скоростях удара, ког­

удельной энергии при скорости удара 9 м/с составляет 14%, а при скорости деформирования 22,5 м/с наблю­ дается уменьшение удельной энергии на 28%.

Относительное снижение удельной энергии при про­ ковке пластин 1,5 мм со скоростью 0,6 м/мин с ростом скорости деформирования от 6 до 19 м/с проявляется еще в большей мере, чем при проковке пластин толщи­ ной 3 мм, и при деформации 2% составляет 42% вместо 2 0 %, при деформации 8%—52% вместо 38%.

С увеличением толщины материала влияние скорости на величину удельной энергии ослабевает.

Уменьшение удельной энергии при увеличении скоро­ сти проковки и толщины обрабатываемого материала объясняется нарастанием температурного эффекта, так как для получения одинаковой степени деформации за­ трачивается большая энергия единичного удара при бо­ лее высокой скорости деформирования (рис. 31).

Во всех рассмотренных диаграммах наряду с измене­ нием скорости удара незначительно изменяется и часто­ та нагружения. Значения в скобках на рис. 31, а пока­ зывают, число ударов для скорости проковки 0 , 6 м/мин при минимальной и максимальной скоростях деформи­ рования в зависимости от степени деформации.

Для выяснения влияния частоты нагружения на рис. 32 представлены результаты экспериментов по про­ ковке образцов из сплава МА2-1 толщиной 3 мм.

Рост частоты ударов при одинаковой скорости про­ ковки, энергия единичного удара и скорости деформиро­ вания обеспечивает возможность получения большей сте­ пени деформации. С повышением энергии единичного удара и скорости деформирования влияние частоты уда­ ров на возможность получения большей степени дефор­

71

мации усиливается. Например, изменение частоты от 1500 до 2100 ударов в минуту при энергии единичного удара 0 , 4 кгс • м, вызывало увеличение степени дефор­ мации на 25%, а при энергии единичного удара 0,8 кгсХ Хм прирост степени деформации в том же диапазоне частот нагружения составил 30%.

Достижение больших степеней деформации при оди­ наковой скорости проковки объясняется ростом удель­ ной энергии деформирования и увеличением темпера­ туры подогрева еще ненагруженного участка, вследствие сокращения времени между ударами. Наличие подогре­ ва еще недеформировашюго участка подтверждается и тем, что при проковке с постоянной удельной энергией с ростом частоты ударов увеличивается степень дефор­ мации.

Изменение твердости, произведенное на магниевых образцах, свидетельствует о снижении сопротивления деформированию при совместном воздействии повышен­ ной скорости и частоты удара.

Вданном случае относительное снижение твердости

сростом скорости удара при одинаковой степени дефор­ мации происходит вследствие частичного разупрочнения

деформированной зоны, в результате адиабатических условий протекания пластической деформации, обуслов­ ленных высокой скоростью и частотой удара. Увеличение энергии деформирования при тех же условиях вызывает рост температуры нагрева и ведет к еще более интенсив­ ному протеканию процесса резупрочнения.

ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И ЧАСТОТЫ УДАРОВ НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ

ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ

Исследования по влиянию скорости деформирования основного материала из сплавов МА2-1 и АМгб на рас­ пределение остаточных напряжений и пластических де­ формаций проводили при частоте 2700 ударов в минуту и скорости деформирования 8 и 26 м/с. Деформирование с разными удельными энергиями достигалось путем из­ менения скорости проковки.

Характер распределения остаточных напряжений в сплаве МА2 - 1 при скоростях дефомировання 8 и 26 м/с одинаков. В деформируемой зоне возникают остаточные

72

напряжения сжатия, которые с удалением от очага де­ формации переходят в растягивающие. Причем, увели­ чение удельной энергии при скорости деформирования 8 м/с вызывает монотонный рост величины напряжений сжатия во всем диапазоне изменения величины удельной энергии, а при скорости деформирования 26 м/с с увели­ чением удельной энергии от 0 до 40 кгс-м/см3 наблю­ дается некоторое уменьшение величины напряжений сжатия, которые при дальнейшем повышении энергии монотонно увеличиваются. Однако при всех значениях удельной энергии максимальная величина напряжений сжатия при скорости деформирования 26 м/с значитель­ но меньше, нежели при скорости 8 м/с.

В диапазоне изменения скорости деформирования от 8 до 26 м/с относительное снижение максимальных оста­ точных напряжений при различных значениях удельной энергии составляет:

На алюминиевом сплаве АМгб результаты экспери­ ментов, проведенных при той же частоте и скоростях деформирования, что и на магниевом сплаве МА2-1, сви­ детельствуют о том, что изменение скорости от 8 до 26 м/с существенно искажает характер распределения остаточных напряжений во всем исследованном диапазо­ не удельных энергий. Это выражается в смещении мак­ симальных сжимающих напряжений в область, непо­ средственно не подверженную деформации, и возникно­ вении в центре деформированной зоны напряжений растяжения.

Максимальная величина напряжений растяжения в этой зоне обнаружена при значении удельной энергии

-7 - = 35 кгс-м/см3, и составляет 2,7 кгс/мм2. Повышение и

б

снижение удельной энергии относительно этой величины приводит к уменьшению величины напряжений растя­

Распределение остаточных напряжений при скорости деформирования 8 м/с подобно распределению напря­ жений в сплаве МА2-1.

73

Распределение продольных пластических деформа­ ции, замеренное на тех же образцах из сплава АМгб, что и распределение напряжений, показывает на нали­ чие более значительной деформации удлинения в неде­

подобен изменению напряжений сжатия при соответст­ вующих скоростях нагружения. С повышением скорости деформирования от 8 до 26 м/с наблюдается не только увеличение пластических деформаций удлинения во всем диапазоне изменения удельной энергии, но и существен­ ное расширение зоны воздействия пластической дефор­ мации.

О распределении деформаций по сечению можно су­ дить по результатам измерения твердости в деформиро­ ванной зоне. В зонах с большей деформацией твердость вследствие упрочнения выше, чем в зонах, подвергшихся меньшей деформации. Так, при проковке пластин наи­ большую твердость имеют зоны со стороны плоскости, непосредственно воспринимающей ударную нагрузку, и наименьшую — с противоположной стороны. С увеличе­ нием скорости нагружения и степени деформации рас­ пределение деформаций по сечению образцов становится более равномерным [24].

Можно предположить, что уменьшение сжимающих напряжений при повышенных скоростях деформирования в сплаве МА2-1, а также наличие напряжений растяже­ ния в деформированной зоне сплава АМгб являются следствием того, что в очаге деформации наряду с вы­ делением тепла (из-за температурного эффекта) и обра­ зованием деформации удлинения возникает значитель­ ная пластическая деформация укорочения. Поэтому снижаются напряжения сжатия в деформированной зоне.

С увеличением удельной энергии растет температур­ ный эффект пластической деформации, что приводит в сплаве АМгб к преобладанию деформаций укорочения в продольном направлении и появлению напряжений рас­ тяжения.

При дальнейшем увеличении удельной энергии отно­ сительная величина продольной деформации укорочения

74

начинает уменьшаться вследствие большой доли дефор­ мации удлинения, реализованной в продольном направ­ лении.

УСТРАНЕНИЕ СВАРОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ

Влияние ударного деформирования на распределение остаточных напряжений в плоских образцах из основно­ го материала указывает иа целесообразность примене­ ния повышенных скоростей деформирования 20—30 м/с.

Подбор оптимального режима высокоскоростной про­ ковки, как и при других механических способах устране­ ния сварочных деформаций, заключается в отыскании условий, которые бы обеспечивали наибольшее снятие собственных напряжений при полном устранении дефор­

сталлического строения (магний имеет гексагональную решетку, алюминий кубическую гранецентрированную решетку).

Проковка может производиться в один или несколько проходов. Для повышения пластических свойств сварных соединений и дополнительного снижения остаточных на­ пряжений после проковки можно применить термообра­ ботку.

Материалы, на которых проводили исследования по высокоскоростной проковке швов, подразделяются на термически упрочняемые и не упрочняемые сплавы. Ос­ новные результаты экспериментов по устранению сва­ рочных деформаций и напряжений в термически не упрочняемых сплавах МА2-1, ВМДЗ и АМгб представле­ ны на рис. 33.

Характерным для этих сплавов является то, что ве­ личина максимальных остаточных напряжений растя­ жения в околошовной зоне и величина прогиба образ­ цов с увеличением удельной энергии уменьшается, при­ ближаясь к минимальному значению. При дальнейшем увеличении удельной энергии наблюдается некоторый рост максимальных напряжений растяжения и появле­

75

ние обратного прогиба, вызванного чрезмерном дефор­ мацией шва по толщине. Изменение остаточных напря­ жений в шве также носит сложный характер. Сначала с ростом удельной энергии сжимающие напряжения ра­ стут, а затем — при некотором значении удельной энер­

гии— уменьшаются, оставаясь в значительном диапазо­ не энергий практически постоянными. Минимальная ве­ личина напряжений сжатия при полном устранении де­ формации в алюминиевом сплаве АМгб составляет 0,5 кгс/мм2, а в магниевых сплавах ВМД-3 и МА2-1 — соответственно 2 и 2,8 кгс/мм2. При этом значения на­ пряжений растяжения в околошовпой зоне не превы­ шают 2 кгс/мм2.

76

При прокатке же сварных образцов напряжения в шве изменяются однозначно. С ростом усилия прокатки напряжения сжатия увеличиваются и составляют, на­ пример, для сплава МА2-1 при полном устранении ко­ роблений 4,25 кгс/мм2. В то же время напряжения ра­ стяжения в околошовной зоне уменьшаются незначи­ тельно.

Следует также отметить, что при прокатке маг­ ниевых сплавов вследствие локализации пластической деформации в очаге деформации необходимо строго ре­ гламентировать величину усилия прокатки во избежа­ ние переката. Перекат нежелателен, так как деформа­ ция изделия при этом происходит в сторону, противо­ положную направлению сварочных деформаций.

При деформировании сварных соединений методом высокоскоростной проковки оптимальные режимы про­ ковки могут изменяться в широком диапазоне. Так, для магниевого сплава ВМД-3 (толщина 3 мм) оптималь­

жений в диапазоне оптимальных значений удельной энергии объясняется температурным эффектом.

Таким образом, применение высокоскоростной про­ ковки позволяет при полном устранении деформаций значительно снизить величину растягивающих напряже­ ний в термически неупрочняемых магниевых и алюми­ ниевых сплавах при незначительной величине сжимаю­ щих напряжений в деформируемой зоне.

Представляется целесообразным определить, какое влияние на снятие остаточных напряжений в этих спла­ вах окажет проведенная после высокоскоростной про­ ковки термообработка. Для сравнения на рис. 34 приве­ дены данные по распределению продольных остаточных напряжений в магниевом сплаве МА2-1 после сварки и последующей термообработки, а также после сварки высокоскоростной проковки (ВСП) и термообработки. Термообработка в обоих случаях выполнялась по режи­ му отжига 7’ = 250°С± 10°, 1 ч. Предшествующая отжи-

гу высокоскоростная проковка

77

сплавах Д20-1 и 01911 имеет свои особенности. Они за­ ключаются в наличии процессов старения и широкой зоны напряжений растяжения [28].

пряжений— прокатка шва и термообработка, выполнен­ ная по режиму искусственного старения, применительно к этим сплавам не являются эффективными. Прокатка шва вызывает резкое перераспределение напряжений, характеризующееся значительными напряжениями сжа­ тия в очаге деформации и практически не изменяющи­ мися сварочными напряжениями растяжения в около­ шовной зоне. Термообработка этих сплавов приводит лишь к снятию пиковых напряжений растяжения.

Результаты экспериментов (рис. 35) по применению высокоскоростной проковки для устранения деформаций в сварных соединениях из стареющих алюминиевых сплавов свидетельствуют о менее резком перераспре­ делении напряжений после высокоскоростного пластиче­ ского деформирования металла шва и о существенном влиянии па распределение остаточных напряжений со­

78

жения растяжения на 55%. В то же время деформиро­ вание шва, проведенное по тому же режиму

= 60 кгс-м/см3^, но после искусственного старения,

уменьшает величину остаточных напряжений всего на 2 0 %.

Рис. 35. Влияние удельной энергии деформирования при вы­ сокоскоростной проковке шва сплавов 01911 (а), Д20-1 (б) на величину остаточных напряжении сг0ст в шве (1), максималь­ ных напряжений растяжения в околошовной зоне (2) и оста­ точного прогиба / (3):

О — сварка+ВСП; О — сварка+старенне+ВСП

Значительное снижение напряжений растяжения на материале, не прошедшем предварительной термообра­ ботки, объясняется тем, что при высокоскоростной про­ ковке в результате теплового эффекта происходит про­ цесс интенсивного старения материала, который сов­ местно с пластической деформацией оказывает заметное воздействие на характер распределения остаточных на­ пряжений. При проковке предварительно состаренного материала влияние подогрева материала на процесс старения оказывается незначительным, о чем свидетель­ ствует относительно небольшое снижение остаточных напряжений.

79