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

ков сопротивления. Исследования проводили иа маши­ не для усталостных испытаний ЦДМ-ЮПу.

Рис. 52. Диаграммы а—е при совместном действии растягиваю­ щих и вибрационных на­ грузок для алюминие­ вого сплава АМгб (а) и

для стали СтЗ (б):

1 — основной металл при ста­ тическом растяжении; 2— ос­ новной металл при нагруже­ нии до ±8 кге/мм2: 3 — шов при статическом нагружении; 4 — шов при нагружении ±2 кге/мм2; 5 — шов при на­

гружении до ±8 кге/мм2

данных (рис. 52), по оси ординат отложены суммарные максимальные напряжения в образцах, по оси абс­ цисс— деформации в условных единицах (число деле­ ний измерительного прибора). Сравнение кривых о—е для различных сочетаний статических и переменных на­ грузок свидетельствует о значительном снижении пре­ дела текучести материалов в зоне пластических дефор­ маций; так, при действии вибрационных напряжений ве­

на 20—40%. По-видимому, имеется некоторая аналогия с выводами по результатам работ, проведенных в Аме­ риканском институте аэронавтики и космонавтики по изучению влияния звуковых и ультразвуковых колеба-

120

шій на прочность конструкционных материалов ракет и снарядов [16].

интенсивности на деформационные характеристики алю­

Рис. 53. Диаграммы нагружения алюминия при воздействий колебании различной ин­

без воздействия колебаний, то можно видеть, что вибри­ рование оказывает такое же воздействие на прочностные характеристики материалов, как и нагревание. Умень­ шение статического предела текучести под действием звуковых колебаний объясняется активизацией дислока­ ций за счет поглощения энергии звуковых колеба­ ний [16].

Процесс снятия остаточных сварочных напряжений при вибрации может быть описан как необратимый пе­ реход атомов в нагруженной кристаллической решетке. При этом общее дифференциальное уравнение, описы­ вающее поведение упруго-пластической среды, в том числе и поведение материала при одновременном воз­ действии растягивающих и вибрационных напряжений, может быть представлено в виде уравнений:

ßЩ . I

Ім’стк. )

121

Решение уравнений (26) применительно к процессу

ная, описывающая коллективный характер необратимых процессов при пластической деформации.

Однако зависимость (27) справедлива для высоко­ температурных режимов нагружения.

При низкотемпературных режимах нагружения зави­

Анализ зависимостей (27) и (28), а также резуль­ таты экспериментальных исследований по определению влияния отдельных параметров процесса позволили предложить зависимость величины снижения остаточ­ ных сварочных напряжений от режимов нагружения в процессе воздействия:

122

где (Тост, в — остаточйые сварочные напряжения по­ сле воздействия растягивающими сгр и вибрационными crD„GP нагрузками;

тора, об/мин.

Сопоставление данных расчета по формуле (29) с результатами непосредственного измерения остаточных

В заключение приведем пример расчетного опреде­ ления основных параметров вибронатяжного способа правки боковых стен кузова цельнометаллического сварного пассажирского вагона (рис. 54). Расчет про­ веден и экспериментально проверен А. М. Мейстером.

123

124

Г л а в а V

УСТРАНЕНИЕ СВАРОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ, НАПРЯЖЕНИЙ И ПЕРЕМЕЩЕНИЙ МЕТОДАМИ ТЕРМООБРАБОТКИ И НАГРЕВА

ОТПУСК СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Амбицій отпуск сварной конструкции состоит в равномерном нагреве сварного изделия по всей поверх­ ности и толщине в течение некоторого промежутка вре­ мени, выдержке при выбранной температуре нагрева п достаточно медленном равномерном охлаждении с тем, чтобы в процессе охлаждения не возникало больших дополнительных градиентов температур в сечении отпу­ скаемой детали, приводящих к дополнительным пласти­

ным, и его можно использовать как для устранения де­ формаций и перемещений, так и для снижения оста­ точных напряжений и восстановления пластических свойств [5].

Деформации и перемещения устраняются с по­ мощью отпуска в таких конструкциях, для которых применение других методов обработки крайне затруд­ нено из-за плохого доступа к сварным швам, чувстви­ тельности материала к локальным механическим воз­ действиям, из-за трудностей технологического характе­ ра, связанных главным образом с невозможностью перемещения обрабатывающих инструментов вдоль оси сварных швов, а также при близко расположенных друг от друга элементах жесткостей и при пересекаю­ щихся сварных швах в оболочках сложной кЪнструкцнп. Иногда отпуск совмещают с операциями искусственного старения и стабилизации структуры. В этом случае

126

полного снятия напряжений и устранения деформаций и перемещений может и не быть.

Устранение деформаций и перемещений при отпускевсегда сопровождается и снятием остаточных напряже­

буется после отпуска. С этой целью обычно используют зажимные приспособления, значительно более жесткие,, чем подвергаемые отпуску детали. К тому же приспо­ собления должны отличаться высокой точностью изго­ товления, отсутствием остаточных напряжений. Мате­ риал приспособлений должен иметь высокий предел те­ кучести и высокую релаксационную стойкость в пре­ делах тех температур, при которых производится от­ пуск конструкций, и небольшой коэффициент линейного расширения.

В большинстве случаев отпуск является универсаль­ ным средством обработки конструкций. Например, вы­ сокий отпуск стальных конструкций — это практически единственный вид обработки, при котором наряду с на­ пряжениями первого рода снимается наклеп и напряже­ ния второго и третьего рода. При обработке крупно­ габаритных конструкций высокий отпуск сварных кон­ струкций по объему применения превосходит вес остальные способы снижения остаточных напряжений.

Высокий отпуск изделий из конструкционных сталей при температурах 500—800°С предназначен в основном для устранения возможной деформации в процессе по­ следующей механической обработки, в процессе выле­ живания и эксплуатации конструкций, а также для по­ вышения сопротивляемости хрупким разрушениям, в особенности при низких температурах. Наличие оста­ точных напряжений может привести и к ускоренной коррозии металла, которая также часто является при­ чиной последующих хрупких разрушений.

Повышение сопротивляемости сварных конструкций хрупким разрушениям в результате проведения высоко­ го отпуска достигается благодаря восстановлению пла­ стических свойств металла в тех местах, где в значи­ тельной степени произошли пластические деформации, подкалка, старение и имеются условия для возникнове­ ния разрушений. Снижение остаточных напряжений приводит к уменьшению запаса накопленной потен-

127

циалыюй энергии, высокая величина которой также яв­ ляется одним из факторов, способствующих началу и развитию хрупкого разрушения.

На рис. 55 приведены результаты эксперименталь­ ных исследований ударной вязкости сварных соедине­ ний и основного металла легированной стали после

ан,кгом/см2

Рис. 55. Изменение ударной вязкости об­ разцов, вырезанных по­ перек шва стали, леги­ рованной марганцем, ни­ келем, хромом, молибде­

различных режимов термической обработки. Испытание на ударную вязкость, так же как испытание образцов с острым надрезом на растяжение, является одним из объективных показателей хрупкой прочности сварных соединений. Рациональный режим термообработки су­ щественно смещает порог хладноломкости в область низких температур, улучшая пластические показатели. Более низкие температуры отпуска, наоборот, могут существенно понизить пластичность вследствие возмож­ ного протекания процессов деформационного старения и охрупчивания металла вследствие происходящих при этом структурных изменений. В связи с этим темпера­ тура отпуска и продолжительность выдержки должны определяться с учетом реакции материала на нагрев, а также конфигурации и размеров изделий. Вопрос вос­ становления пластических свойств может быть решен однозначно лишь экспериментальным путем посредст­ вом проведения испытаний па ударную вязкость пли растяжение надрезанных образцов.

128

Оптимальные режимы отпуска конструкций с целью снятия напряжений могут определяться расчетным пу­ тем с использованием экспериментальных релаксацион­ ных характеристик основного материала и различных зон сварных соединений. Значительный вклад в реше­ ние этого вопроса внесен исследованиями В. А. Вино­ курова [5], разработавшего математический аппарат для оценки изменения напряжений в конструкциях в про­ цессе отпуска на основе теории простой релаксации. Поэтому, не останавливаясь на этой стороне вопроса, ограничимся общими соображениями, которые могут оказаться полезными для практического использования.

Термический цикл при отпуске включает в себя ста­ дии нагрева, выравнивания температур по сечению де­ тали, стадию выдержки при температуре отпуска и стадию охлаждения. Для снятия напряжений необходи­ мо выдержать такое соотношение между длительностя­ ми указанных стадий отпуска, при котором было бы обеспечено равномерное распределение температуры по сечению детали, необходимое время выдержки для про­ текания процессов релаксации со снижением напряже­ ний до требуемого уровня и медленное охлаждение, позволяющее сохранить распределение температуры по сечению охлаждаемых деталей достаточно равномер­ ным, чтобы вызвать дополнительные пластические де­ формации.

Пластическая деформация в напряженном металле происходит в результате протекания сдвиговых и диф­ фузионных процессов. Чтобы вызвать диффузионные процессы (например, в хромистых ферритных сталях) требуется длительный нагрев металла при термообра­ ботке. Сдвиговая пластическая деформация протекает практически мгновенно, причем чем выше температура нагрева, тем ниже критическое напряжение сдвига п тем полнее процесс снятия напряжений.

Практически желательно применение таких режимов отпуска, которые способствовали бы снятию остаточ­ ных напряжений при непродолжительной выдержке. Продолжительность периодов нагрева и выравнивания температуры зависит главным образом от сечения де­ талей и теплофизических свойств металла.

В большинстве случаев продолжительность периода выдержки, так же как периодов нагрева п охлаждения, назначали пропорционально сечению деталей, т. е. без