Методы уменьшения сварочных напряжений

В основе известных методов уменьшения сварочных напряже­ний и искажений форм сварных конструкций лежат три основных способа их регулирования:

1 Уменьшение объема металла, вовлекаемого в пластическую деформацию на стадии его нагрева, и уменьшение самой пластиче­ской деформации.

2 Создание в зонах пластических деформаций, возникших от нагрева, дополнительных деформаций противоположного знака. Это может быть выполнено как при остывании, так и после пол­ного охлаждения.

3 Компенсация возникающих деформаций и перемещений путем симметричного расположения швов, создания дополнительных зон пластических деформаций, предварительного перемещения, обеспе­чения свободной усадки и др.

Рассмотрим некоторые методы.

Подогрев при сварке изменяет поля температуры и сварочных деформаций, а также в ряде случаев и свойства металла, воздей­ствуя на термический цикл. При этом изменяются напряжения, создаваемые структурными превращениями. В отношении пласти­ческих деформаций подогрев, с одной стороны, уменьшает предел текучести, модуль упругости и перепад температур. Это способствует уменьшению максимальных остаточных напряжений. С другой стороны, он расширяет зону пластических деформаций, если тепловложение при сварке остается прежним. При подогреве до очень высоких температур, при которых значение предела текучести металла мало, остаточные напряжения также весьма малы.

Проковка применяется как в процессе сварки по остывающему металлу, так и после полного остывания. Проковкой осаживают металл по толщине, создавая пластические деформации удлинения в плоскости, перпендикулярной направлению удара. Этим дости­гают уменьшения растягивающих или даже появления сжимающих остаточных напряжений. Эффект от проковки зависит от темпера­туры, количества теплоты, которое выделяется при проковке, и значения пластической деформации. Если температура в зоне проковки выше, чем в остальном (непрокованном) металле, то в про­цессе последующего остывания и температурного сокращения металла сжимающие напряжения будут уменьшаться и могут перейти даже в растягивающие. При холодной проковке нагрев обычно невелик и можно создать высокие сжимающие напряжения. Про­ковка ведется механизированным инструментом с малыми (до 6-7 м/с), средними (до 100 м/с) и высокими (более 100 м/с) скоростями движения бойка. Проковка маневренна, в этом ее преимущество перед другими методами. Следует опасаться снижения пластич­ности металла вследствие ее исчерпания при проковке.

При импульсной обработке взрывом используют заряды лен­точного типа, которые укладывают на обрабатываемые поверхности. Взрыв, который проводят в специальной камере, создает напряже­ния в поверхностном слое. Применяется этот метод как средство повышения выносливости сварных соединений при переменных нагрузках. При такой обработке происходит перераспределение остаточных напряжений.

Прокатка зоны сварного соединения используется главным об­разом для уменьшения остаточных перемещений или для заглажи­вания швов. В местах прокатки растягивающие напряжения умень­шаются и могут стать сжимающими.

Приложение нагрузок. Во время сварки нагрузки прикладывают так, чтобы в зоне сварки создать растягивающие напряжения. Это уменьшает остаточные напряжения растяжения и усадочную силу. Если нагружение производится после сварки, необходимо, чтобы напряжения от нагрузки складывались с остаточными растягивающими напряжениями и вызывали пластические деформации. После снятия нагрузки напряжения снижаются. Для полного снятия напряжения нагрузки должны быть близки к пределу текучести металла, что обычно труднодостижимо.

Применяют как статическое, так и вибрационное нагружение. В последнем случае напряжения снижаются незначительно, но этого бывает достаточно, чтобы в дальнейшем сумма рабочих и остаточных напряжений не искажала размеров конструкций при эксплуатации.

Создание неравномерных нагревов и охлаждений. Если создать с двух сторон сварного соединения нагретые зоны, то металл, расширяясь, вызовет растяжение вдоль шва и сжатие поперек шва. Такая схема напряжений благоприятна для протекания пластических деформаций в направлении вдоль шва, что как раз необходимо для снятия остаточных растягивающих напряжений. Перемещая зоны нагрева, охлаждая металл позади источника теплоты, процесс можно сделать непрерывным.

Если создавать концентрированное охлаждение участка с растягивающими напряжениями, то он будет сокращаться и вызывать суммирование остаточных напряжений с растягивающими напряжениями от охлаждения. Это вызовет пластическую деформацию и последующее снижение остаточных напряжений после выравнивания температур.

Местный концентрированный нагрев отдельных зон применяют, чтобы вызвать усадку металла в месте нагрева и создать напряжения сжатия в соседних зонах. Как средство регулирования напряжений он находит ограниченное применение, но для правки конструкций такой прием используют широко.

Отпуск сварных конструкций применяют для изменения структуры и свойств металла и снижения остаточных напряжений. Применение отпуска для снижения остаточных напряжений целесообразно, если предъявляются повышенные требования к прочности сварной конструкции и точности ее размеров при последующей эксплуатации. Кроме того, иногда целесообразно восстановить пластические свойства в зонах, где концентрировались пластические деформации при сварке, а также повысить сопротивляемость хрупким разрушениям. В остальных случаях применение отпуска не рекомендуется из-за удорожания стоимости производства конструкций.

Различают общий отпуск, когда равномерно нагревают изделие целиком; местный - нагревают лишь часть конструк­ции в зоне сварного соединения; поэтапный - источник нагрева движется вдоль конструкции, например трубы или обо­лочки, и последовательно нагревает ее участки; поэлементный - термической обработке подвергают узлы сварной конструк­ции, а затем сваривают их между собой. Основное достоинство отпуска как метода сни­жения остаточных на­пряжений в том, что он не вызывает пластиче­ских деформаций, которые бы уменьшали пла­стичность металла.

Операция отпуска со­стоит из четырех стадий: нагрева, выравнивания температур, выдержки и остывания.