книги / Сварка в машиностроении. Т. 3

14.Постнов В. А., Хархурим И. Я. Метод конечных элементов в расчетах судовых конструкций. Л., Судостроение, 1974.

15.Прохоров H. Н., Прохоров H. Н. Расчет деформаций в процессе сварки при нало­

жении валика на кромку пластины — Автоматическая сварка, 1964. № 5.

16.Талыпов Г. Б. Сварочные деформации и напряжения. Л., Машиностроение, 1973. 280 с.

17.Финк К., Рорбах X. Измерение напряжений и деформаций. М., Машгиз, 1961.

Г л а в а 13

МЕТОДЫ УМЕНЬШЕНИЯ СВАРОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ, НАПРЯЖЕНИЙ И ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

В подавляющем большинстве случаев возникающие при сварке деформации, напряжения и перемещения отрицательно влияют на технологический процесс производства сварных конструкций, а также на их качество и работоспособность. Методы уменьшения влияния сварочных деформаций, напряжений и перемеще­ ний условно делят на две группы в зависимости от того, предназначены ли они для уменьшения сварочных напряжений или для уменьшения искажений форм и размеров сварных конструкций.

ВЛИЯНИЕ СВАРОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ, НАПРЯЖЕНИЙ И ПЕРЕМЕЩЕНИЙ НА ПРОЦЕСС ИЗГОТОВЛЕНИЯ И КАЧЕСТВО КОНСТРУКЦИЙ

Влияние пластических деформаций и остаточных напряжений обычно рас­ сматривают совместно.

1. В процессе обработки резанием при съеме металла, имеющего остаточные напряжения, происходит перераспределение сил внутри детали. Возникает де­ формация ранее обработанных поверхностей и искажение достигнутой точности. Если деталь закреплена таким образом, что в процессе резания искажения не возникают, то они обнаруживаются впоследствии после освобождения детали от закреплений.

2. Если рабочие напряжения, складываясь с остаточными, создают такие напряженные состояния, при которых происходят пластические деформации в металле, то жесткость детали при первом нагружении оказывается меньше расчетной. После снятия нагрузки обнаруживаются искажения размеров и точ­ ности, которые были до нагружения детали. При последующих нагружениях циклического характера величина искажений может возрастать. Например, для случая, представленного на рис. 1, участок 2, в котором действуют остаточные напряжения растяжения, близкие к ат, выключается из работы вследствие про­ текания пластических деформаций (рис. 1, в). Остаточный прогиб

0 )

где / — прогиб под нагрузкой балки без остаточных напряжений; Jx — полный момент инерции сечения балки относительно оси х—х (рис. 1, в); / ' — момент

инерции части сечения балки относительно оси х '—х' (заштриховано на рис. 1, е). 3. Остаточные напряжения сжатия отрицательно влияют на местную устой­ чивость тонкостенных элементов сварных конструкций. Нередко потеря устой­ чивости тонколистовых элементов возникает только от остаточных напряжений. 4. Пластические деформации металла при сварке, его старение, в особенно­ сти в зоне концентраторов, остаточные напряжения растяжения могут значи­

тельно понизить сопротивляемость сварной конструкции хрупким разрушениям. Это один из наиболее существенных случаев отрицательного влияния сварки на хладноломкость сварных конструкций. Происходит снижение деформационной

способности сварных соединений, смещение критических температур хрупкости

вобласть более высоких температур.

5.Остаточные напряжения растяжения снижают прочность сварных соеди­ нений и конструкций при переменных нагрузках. Отрицательное влияние наибо­ лее заметно, когда величина и концентрация рабочих напряжений невелики [2, 6] (см. также гл. 4).

6.Остаточные трехосные напряжения растяжения с примерно равными компонентами образуют такую схему напряжений, при которой, несмотря на большую величину отдельных компонентов, они не способны вызывать пласти­ ческую деформацию металла из-за низкой величины эквивалентного напряжения. Такие напряженные состояния способны вызвать хрупкие разрушения, в осо­ бенности при невысоком качестве металла и дефектах в нем. Жесткая схема на­ пряжений возникает тогда, когда сокращению металла при остывании препят­ ствуют во всех трех направлениях более холодные участки металла.

Рис. 1. Схемы нагружения сварной балки с остаточными напряжениями:

а — балка; б — зоны с высокими остаточными напряжениями растяжения; в — сечение балки, воспринимающее нагрузку при изгибе (заштриховано)

7. Остаточные напряжения создают в сварной конструкции потенциальную энергию, которая частично или в значительной степени может быть истрачена на распространение начавшегося разрушения. Основное количество энергии сосредоточено в зонах с высокими растягивающими напряжениями. Это подтверж­ дает формула, выражающая количество энергии в единице объема при одноосном напряжении:

8.Остаточные напряжения растяжения и пластические деформации могут вызывать интенсификацию процессов коррозии и коррозионного растрескивания

[5](см. также гл. 7).

9.Деформации металла и напряжения в высокотемпературной зоне свар, иого соединения, которые возникают непосредственно в процессе сварки, способны вызвать кристаллизационные (горячие) трещины (см. гл. 14).

10.Остаточные напряжения растяжения являются одной из основных при­ чин образования холодных трещин при сварке (см. гл. 14).

Влияние перемещений, вызванных сваркой, также может оказаться неблаго­ приятным в некоторых случаях.

1. Остаточные перемещения, как правило, затрудняют сборку элементов сварных конструкций или делают ее даже невозможной. Это происходит потому, что форма и размеры стыкуемых участков конструкции не совпадают с проект­ ными, требуют правки, подгонки и специальных мер во время сварки, чтобы обеспечить ее качественное выполнение.

2. Временные перемещения могут отрицательно влиять на качественное ве­ дение процесса сварки, например в случае сварки тонкого металла, когда кромки теряют устойчивость, при электрошлаковой сварке, когда существенно изменя­ ется зазор, и во многих других случаях,

талла в перпендикулярном направлении, что снижает напряжения растяжение в зоне проковки или вызывает напряжения сжатия. В зависимости от темпера> туры проковки и количества тепловой энергии, выделяющейся в зоне ударов, последующее охлаждение и сокращение прокованного металла ведет к изменений собственных напряжений, которые могут оказаться после полного выравнивание температуры как сжимающими, так и растягивающими. Различают режимы с малыми скоростями деформирования — до 6—7 м/с, средними скоростями до 100 м/с и высокими скоростями — свыше 100 м/с [4]. При применении прОч ковки с целью изменения напряжений особое внимание следует обращать на возч можность ухудшения пластических свойств металла. Для ряда сплавов наилуЧч шими являются скорости в диапазоне 20—30 м/с [4].

Массивные детали подвергают поверхностному наклепу главным образов для создания напряжений сжатия с целью повышения сопротивления усталостч ным разрушениям [2]. Проковка имеет преимущество перед другими методам^ в отношении маневренности и универсальности оборудования.

(б) при обработке сварных соединений с целью уменьшения про­ дольных растягивающих напряжений ох (в)

Импульсивная обработка (взрывом) сварных соединений, предложенная и разработанная ИЗС им. Патона, позволяет создавать напряжения сжатия и я^ляется эффективным средством повышения усталостной прочности.

Прокатка зоны сварных соединений или обкатка поверхностей роликами уменьшают растягивающие напряжения, а при значительных давлениях могут создать напряжения сжатия до величины, близкой к пределу текучести металла. Более подробные сведения о прокатке приведены на стр. 390.

Приложение нагрузок к элементам сварных конструкций. Нагрузки в ПР°' цессе сварки с целью снижения остаточных напряжений используют крайне РеД' ко. После полного остывания растяжение или изгиб используют главным обр^3°М для уменьшения искажения их размеров и форм; при этом максимальные ост^т04* ные напряжения существенно уменьшаются вследствие протекания пластических деформаций при наложении на остаточные напряжения рабочих напряжении 0т нагрузки и достижения ими предела текучести металла.

Распространен прием уменьшения максимальных остаточных напряжении путем вибрации сварного изделия. Хотя напряжения при этом не могут быть уменьшены до весьма малых величин, достигаемого их уменьшения бывает Ао" статочно для предотвращения последующей деформации детали в процессе ее эксплуатации [4].

Создание неравномерных нагревов или охлаждений широко используют для перераспределения остаточных напряжений. Создавая нагрев вблизи зоны с на* пряжениями растяжения (рис. 2, а), вызывают расширение нагретого мет^'п,ла* Так как зона с напряжениями растяжения, расположенная между зонами нагрепа> остается при этом холодной и сопротивляется расширению соседних нагреТЬ1Х участков, то в ней возникают дополнительные напряжения растяжения, кот°Рые суммируясь с остаточными напряжениями растяжения, вызывают пластич£сКие

деформации металла. Если зону остаточных напряжений растяжения охлаждать (рис. 2, б), то она будет сокращаться и, встречая сопротивление со стороны со­ седних неохлажденных участков, испытывать дополнительные напряжения рас­ тяжения и как следствие пластические деформации.

Конкретные приемы термического воздействия могут быть весьма разно­ образны [4]. Концентрированный нагрев отдельных зон применяют главным об­ разом для их сокращения после нагрева и остывания. Этот прием используют в основном для термической правки изделия (см. стр. 391). В некоторых случаях его можно применять для перераспределения остаточных напряжений [2].

Отпуск сварных конструкций применяют для изменения структуры и свойств металла, а также для снижения остаточных напряжений. Основное достоинство

точках сварной конструкции независимо от сложности ее формы. При этом сни­ жение напряжений не сопровождается такими пластическими деформациями, ко­ торые уменьшают пластичность металла. Пластические деформации, приводя­ щие к снижению остаточных напряжений, протекают при достаточно высоких температурах, что благоприятно. При отпуске различают стадии нагрева, вы­ равнивания температур, выдержки и остывания (рис. 3). Наибольшее снижение напряжений, как установлено многочисленными экспериментальными исследова­ ниями £1], происходит на стадии нагрева и определяется температурой отпуска.

Характер снижения остаточных напряжений во времени показан на рис. 4. Он типичен для всех конструкционных материалов. Температуру отпуска назна­ чают, ориентируясь на необходимый уровень снижения остаточных напряжений и на те изменения механических свойств металла, которые возникают в резуль­ тате отпуска. Чем выше температура отпуска, тем полнее устраняются остаточ­ ные напряжения. Однако при этом может наблюдаться нежелательное снижение прочностных свойств металла. Тогда принимают компромиссное решение. Темпе­ ратуры отпуска, обеспечивающие существенное снижение остаточных напря­ жений, приведены ниже.

Виды отпуска, закономерности снижения напряжений в зависимости о> температуры, свойств металла, характера напряженного состояния и рекоменч дации по применению отпуска подробно рассмотрены в работе [1].

Прочие методы. Для регулирования уровня и характера распределения остач точных напряжений можно использовать и другие методы, которые, однако, и^ получили широкого промышленного применения, — это создание искусственны* охлаждений зоны сварки для уменьшения размера зоны пластических деформач ций, изменение распределенности теплового потока от источников тепла npij сварке, регулирование погонной энергии сварки, изменение порядка наложение швов, соответствующий выбор присадочного металла, создание определенны* механических свойств металла путем его предварительной термической обработки и др.

МЕТОДЫ УМЕНЬШЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ В ЭЛЕМЕНТАХ КОНСТРУКЦИЙ ОТ СВАРКИ

Для уменьшения искажения форм и размеров сварных конструкций разра­ ботано много способов и мероприятий. Они могут быть использованы: а) на ста­ дии разработки проекта сварной конструкции; б) на стадии, предшествующей сварке, и непосредственно во время сварки; в) после завершения сварки и полного остывания конструкции, т. е. их можно рассматривать как методы правки.

Мероприятия, используемые на стадии разработки проекта сварной конст­

3.Конструирование элементов балочного типа с таким поперечным сечением

ирасположением продольных сварных швов, чтобы моменты, создаваемые уса­ дочными силами относительно центра тяжести площади поперечного сечения, были взаимно уравновешены. В этом случае изгиб балок будет минимальным. Не следует располагать по одну сторону поперечные швы (рис. 5); их усадка может создать значительный изгиб балки.

4.В сложных конструкциях объемного типа предпочтение следует отдавать таким конструктивным решениям, которые позволяют вначале осуществить сбор­ ку конструкции на прихватках, а затем сварку. Большая жесткость первоначально собранного элемента, как правило, обеспечивает меньшие изгибы конструкции при сварке, чем последовательная сборка и сварка конструкции методом нара­ щивания.

5.В необходимых случаях следует использовать такие конструктивные ре­ шения, которые бы позволяли отдельным элементам конструкции беспрепят­ ственно сокращаться, не вызывая искажения формы конструкции в целом. На­

пример, при наличии нахлесточных соединений смещение отдельных элементов происходит свободно, изменяя лишь размер нахлестки.

6.В конструкциях с тонкостенными элементами желательно располагать швы на жестких каркасах, чтобы уменьшить коробление.

7.Если появление значительных искажений от сварки неизбежно, необхо­ димо предусмотреть возможность правки конструкции тем или иным способом. При этом должен быть обеспечен доступ к необходимым местам для правки. Приемы рационального конструирования разнообразны и не исчерпываются перечисленными выше способами.

Мероприятия, используемые на стадии разработки технологии и при осуще­ ствлении сварки:

1.Рациональная последовательность выполнения сборочно-сварочных опе­ раций. Пути решения этой сложной задачи разнообразны и не могут быть здесь изложены конкретно. В частности, они состоят в том, чтобы выбрать такую после­ довательность присоединения элементов друг к другу, чтобы остаточные иска­ жения были минимальными. Расчленение конструкции на отдельные узлы, ко­ торые могут быть изготовлены с минимальными отклонениями, а затем соединены вместе, также является примером выбора рационального пути ее изготовления. Порядок наложения швов в собранной конструкции также можно рассматривать как средство регулирования величины остаточных перемещений.

2.Назначение экономичных режимов или способов сварки, обеспечивающих снижение тепловложения или такой характер протекающих деформаций, который отвечает предъявляемым требованиям. Например, если требования в отношении излома оси длинной трубы при заварке кольцевого шва очень жесткие, то целе­

сообразно применить многопроходную сварку вместо однопроходной, так как в этом случае можно избежать излома продольной оси трубы в зоне сварного соединения. Подбор присадочных материалов с целью регулирования величины усадочной силы эффективен в отношении материалов, испытывающих структур­ ные превращения при низких температурах.

3. Разработка необходимой оснастки для закрепления собираемых и свари­ ваемых элементов. Закрепление изделий в приспособлениях эффективно лишь в отношении временных перемещений и тех искажений, которые от них возникают при постановке прихваток или в процессе сварки без прихваток. Положительный результат достигается за счет жесткости приспособления. Частными примерами эффективного использования являются: а) прижатие кромок тонких листов или кромок при сварке кольцевых швов; б) скрепление деталей скобами или сухарями при электрошлаковой сварке для уменьшения перемещений. Остаточные про­ гибы балок при закреплении их в приспособлениях уменьшаются незначительно.

4.Пластическая деформация элементов, подлежащих сварке, с целью со­ здания перемещений, противоположных сварочным. Применяют предваритель­ ный изгиб полок балок для уменьшения грибовидности после сварки, раскатывают края цилиндрических или сферических оболочек для уменьшения корсетного сокращения от кольцевого шва, производят местную штамповку вблизи отверстий оболочек перед вваркой в них элементов круговыми швами.

5.Сборка заготовок и назначение их размеров с учетом последующей усадки.

Например, использование углового излома (рис. 6, а) или сборка с переменным зазором (рис. 6, б) для компенсации угловых перемещений, назначение завышен­ ной длины элементов с учетом последующей усадки, раскрой стенки балки с на­ чальной кривизной (рис. 6, в). Кэтимже мероприятиям относятся натяжение листов перед сваркой с целью их удлинения, если они могут потерять устойчивость

ного охлаждения свариваемых элементов, например путем полива водой, обдува газом или газоводяной смесью, подвода охлаждаемых зажимов в зону сварки. В некоторых случаях положительный эффект может быть достигнут путем общего подогрева изделия,

Если имеются данные по оптимальным режимам прокатки конкретных свар­ ных соединений из определенного металла, то при использовании роликов диа­ метром d2вместо роликов диаметром dj или изменении толщины металла от ÔÏ до 02 давления

Повторная прокатка при неизменном давлении вызывает пластическую деформа­ цию, составляющую не более 10— 15% деформации металла после первой про­ катки.

Рис. 8. Схемы прокатки роликами:

а — прокатка всей зоны пластических деформаций поочередно; б — в средней части зоны пластических деформаций создан перекат; в — шов не прокатан

2. В случае термической правки нагревом стремятся вызвать усадку таких участков конструкции, чтобы устранить нежелательные перемещения, возникшие после сварки. Например, при изгибе балок после сварки нагревают растянутую часть (рис. 9, a), a при правке листов, потерявших устойчивость, нагревают ме­ талл в зоне хлопуна (рис. 9, б). Приемы правки, температура нагрева металла,

Рис. 9. Схемы расположения зон нагрева при термической правке различных конструкций:

а — балочного типа; б — листовых

применяемые источники тепла, форма зон нагрева подробно рассмотрены

вработе [6].

3.Правка сложных элементов конструкций возможна путем их высокого отпуска или отжига в зажимных приспособлениях. В этом случае изделию при­ дают необходимую форму, закрепляя его в приспособлении. Затем во время пре­ бывания в печи в изделии протекают пластические деформации и почти полностью