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

усилию направлении. Распад аустенита может быть та­ ким фактором, поэтому определение закономерностей образования сварочных деформаций в таких материа­ лах и возможностей управления их величиной в особен­ ности в мартенситных сталях, имеют значительный практический смысл.

Особенности образования остаточных деформаций и напряжений. Чтобы составить представление о дефор­ мациях при сварке материалов, необходимо знать их дилатометрические свойства, т. е. способность изменять свои линейные размеры при изменении температур. На основании дилатограммы материала можно прибли­ женно подсчитать уровень остаточных напряжений, ве­ личину усадочного усилия и правильно выбрать методы устранения деформаций.

Из анализа дилатометрических кривых мартенситных сталей следует, что внутри зоны пластических дефор­ маций может располагаться область, в которой при охлаждении происходит распад аустенита [23], что способствует снижению сварочных деформаций укороче­ ния.

Определение сварочных деформаций сводится к сле­ дующему. Исходя из запаса температурной упругой деформации, термического цикла сварки и механических свойств материала, устанавливают величину усадочного усилия и характер распределения напряжений к мо­ менту начала структурного превращения. Приближенно это можно сделать известными методами с применением гипотез одновременности укладки шва и плоских сече­ ний. При большихпогонных энергиях сварки можно изменить знак остаточных деформаций [23], так как увеличивается ширина области распада устеиита в зоне сварного шва при охлаждении. Однако с ростом погон­ ной энергии сварки деформации укорочения также растут. Снижение же деформаций укорочения и изме­ нение их знака происходят при очень больших величи­ нах погонной энергии, которые находятся за пределами диапазона применяемых в практике режимов сварки. Для материалов с большими структурными деформа­ циями имеется возможность полностью устранить оста­

200

укорочения. Снижение предела текучести и рост объема структурных превращений могут привести к деформа­ циям удлинения.

Структурное увеличение объема при охлаждении начинается при низкой температуре (180—200°С) и про­ текает до комнатных температур. Это означает, что температурная компенсация структурных деформаций, происходящая в низкоуглеродистых и других сталях с высокими температурами распада аустенита при охлаж­ дении, у сталей с низкими температурами распада от­ сутствует. Весь запас структурных превращений может быть использован иа то, чтобы уменьшить продольное укорочение [23].

Деформации, возникающие при сварке прямолиней­ ных швов. В сварных швах сталей мартенситного класса возникают напряжения сжатия. Шов оказывается удли­ ненным по отношению к свариваемым листам и это затрудняет применение известных методов исправления деформаций. Листовые элементы после сварки испыты­ вают деформацию потери устойчивости и требуют правки. Такой вид деформаций обычно устраняется прокаткой зоны остаточных деформаций укорочения (т. е. зоны напряжений растяжения), но не всегда при­ водит к желаемому результату.

Для определения общих закономерностей образова­ ния деформаций важно знать зависимость величины остаточных деформаций от погонной энергии сварки.

Для получения такой зависимости необходимо обес­ печить изоляцию свариваемых образцов от окружающей среды. Для этого применяют теплоизолирующие про­ кладки из асбеста, закрывающие с двух сторон всю поверхность образца, за исключением узкого участка зоны шва. Деформацию оценивают по прогибу образца. С увеличением погонной энергии сварки растет и оста­ точный прогиб, что соответствует общепринятым поло­ жениям теории сварочных деформаций и напряжений. При условии получения удовлетворительного качества сварного соединения полностью ликвидировать остаточ­ ный прогиб только за счет изменения погонной энергии не удается. Аналогичная картина наблюдается при сварке в зажимном приспособлении без теплоизолирую­ щих прокладок. Разница состоит лишь в том, что вели­ чина деформаций при сварке с одной и той же погонной энергией сварки в последнем случае несколько меньше.

Жесткие режимы при роликовой сварке приводят к удли­ нению образцов в области наложения шва. Величины продольных деформаций при аргоно-дуговой сварке мартенситных сталей показывают, что происходит про­ дольное сокращение зоны шва (усадка), а поэтому для устранения деформаций не исключено применение про­ катки.

Эпюры остаточных напряжений соединений, сварен­ ных аргоно-дуговой сваркой в зажимном приспособле­ нии с применением теплоизолирующих прокладок и без них (на медной прокладке со стальными клавишными прижимами сверху), показывают, что величина сжимаю­ щих напряжений вне зоны шва во втором случае меньше. Уменьшается и кривизна сварного образца. Это проис­ ходит не только вследствие сужения зоны пластических деформаций. Исследования, проведенные на стали Х18Н9Т, показали, что значение теплоотдачи у сталей невелико (например, снижения остаточных напряжений и деформаций при сварке стали Х18Н9Т почти не на­ блюдается). Сужение зоны пластических деформаций у мартенситной стали может привести к уравновешиванию эпюры остаточных напряжений в пределах центрального участка без передачи усилий на края пластины. Необ­ ходимо обеспечить интенсивный теплоотвод от околошов­ ной зоны, сужая тем самым зону пластических дефор­ маций и увеличивая крутизну изотерм при относительно низких температурах. Этим можно добиться силового равновесия остаточных напряжений в пределах зоны пластических деформаций.

Хорошие результаты дает применение медных охлаждующих шин (рис. 95) [23]. Отвод тепла от околошов­ ной зоны уменьшает ширину зоны пластических дефор­ маций тогда, когда сама эта зона имеет значительную ширину, т. е. при сварке с большой погонной энергией. В этом случае легче добиться уравновешенности эпюры остаточных продольных напряжений в пределах узкого центрального участка шва и исключить образование деформаций потери устойчивости.

При сварке с малой погонной энергией относитель­ ное сужение зоны пластических деформаций за счет охладительных , медных шин недостаточно для того, чтобы предупредить возникновение потери устойчивости. Уменьшение же расстояния шин от шва нецелесообразно из-за технологических соображений. Поэтому необхо-

202

к возникновению прогиба. Об этом свидетельствуют ре­ зультаты непосредственных измерений остаточных про-

дольных укорочении в пластинах, сваренных аргонодуговой сваркой [23].

На основании приведенных на рис. 95 данных можно установить оптимальные параметры режима аргоно­ дуговой сварки прямолинейных швов сталей мартенсит­ ного класса из условия полного предотвращения дефор­ маций. Остаточные напряжения при сварке с медными шинами уравновешиваются в пределах центральной ча­ сти образца — в зонах шва и термического влияния.

Деформации мартенситных сталей при точечной сварке. Низкие температуры распада аустенита оказы­ вают особое влияние на характер деформаций стали при местном сосредоточенном нагреве.

8* 203

Определение величии остаточных напряжений точеч­ носварных соединений показывают, что несмотря на наличие структурного превращения в листе возникают остаточные радиальные напряжения растяжения, не до­ стигающие на границе нагрева предела текучести мате­ риала. Максимум напряжений растяжения соответствует границе зоны пластических деформаций и отстоит от центра литого ядра на величину, несколько больше радиуса зоны плавленыя. Радиус зоны пластических деформаций является осредпенпой величиной по толщине листа, что для определения осесимметричных деформа­ ций существенного значения не имеет.

Последовательность процесса, протекающего при охлаждении точки, следующая: в первой стадии, до начала структурного превращения, происходит накапли­ вание напряжений растяжения за счет деформаций уко­ рочения «в точке» в пределах зоны пластических дефор­ маций, во второй стадии — снижение напряжений рас­ тяжения в листе за счет увеличения объема в зоне структурных превращений.

Таким образом, структурные превращения возникают в предварительно напряженном при охлаждении точки листе. Остаточные напряжения в листе могут быть опре­ делены в два этапа: перед началом структурного пре­ вращения и после структурного превращения.

Основное влияние на характер деформаций точечных соединений сталей со структурными превращениями должно оказывать соотношение радиусов зон пластиче­ ских деформаций а и структурных превращений г, т. е. режим сварки и режим охлаждения. Ниже приведены приемы уменьшения величины напряжений растяжения на границе нагрева пластического пятна при условии, что внутри этого пятна имеется зона структурных пре­ вращений, радиус которой несколько меньше радиуса зоны пластических деформаций.

Обозначим радиус зоны пластических деформаций и структурных превращений соответственно а и г. Номо­ грамма (рис. 96) выражает зависимость величины на­ пряжений растяжения на границе радиуса а от соот­ ношения вышеуказанных радиусов. Кривые построены для разных величин структурной деформации ес.

Номограмма соответствует напряженному состоянию, возникающему непосредственно после структурного пре­ вращения. Последующее остывание точки сопровож-

204

дается некоторым снижением эффекта структурного превращения. Поэтому для материала, у которого струк­ турная деформация равна ес, действительная картина номограммы, соответствующая-остаточной деформации,

бг

Рис. 96. Остаточные напряжения а г на границе зоны пластических дефор­ мации:

будет характеризоваться величиной, несколько меньшей, чем ес:

е; = Бс— а (Гк — Т0),

где Тк — температура окончания структурного превра­

щения.

Анализ номограммы показывает, что даже при боль­ шом объеме структурного превращения (кривая 4) на­ пряжения растяжения могут оказаться значительными при относительно широкой по сравнению с г зоне

радиуса а ^например, при — <1 0 ,б|. Если отношение этих

радиусов превышает 0,8—0,9, то на границе пластиче­ ской области могут возникнуть даже остаточные на­ пряжения сжатия, а при сварке прямолинейного точеч­

205

ного шва — остаточные деформации удлинения, а не укорочения. Такой случаи в практике очень редкий. В большинстве случаев приходится бороться с деформа­ циями укорочения. Радиусы г и а определяют зоны нагрева до температур, при которых соответственно происходят структурные превращения и протекают плас­ тические деформации. Знание их величин или качествен-

г

ная оценка изменения отношения — в зависимости от

а

изменения параметров сварки позволяет наметить пути предупреждения сварочных деформаций.

При сварке на мягких режимах во всех случаях величина деформаций укорочения больше, чем на жест­ ких. В отдельных случаях жесткие режимы могут при­ вести даже к удлинению соединяемых пластин в месте наложения точечного шва [23].

Очень эффективным является наружное охлаждение деталей. Естественно, что теплоотдача резко увеличи­

вает крутизну изотерм и отношение — . Поэтому даже

а

при сварке на мягком режиме возможно полное устра­ нение деформаций.

Измерения местных деформаций при сварке стали ВНС-2 на жестком режиме свидетельствуют о том, что

необходимость тщательной отработки режимов сварки сталей мартенситного класса.

Применение методов предотвращения деформаций в тонколистовых конструкциях из мартенситных сталей. Мартенситные стали широко используются для изготов­ ления листовых конструкций. Основные способы сварки

широко распространенные толщины свариваемых эле­ ментов 0,4— 6 мм.

При изготовлении панельных конструкций точечной сваркой неправильный выбор режимов ведет к деформа­ циям продольного изгиба, возникающим, как правило, вследствие укорочения материала в месте наложе­ ния шва.

Для выбора режимов по деформациям могут быть сварены контрольные листовые образцы, имеющие ма­ лую жесткость. Проверяется несколько различных

206

режимов сварки, обеспечивающих необходимое количе­ ство соединения по общепринятым техническим требо­ ваниям.. Наиболее оптимальным считается тот режим, при котором происходит наименьшее изменение базы измерений деформаций.

Выбор режимов с точки зрения образования мини­ мальных остаточных деформаций позволяет уменьшить продольный изгиб при сварке панельных конструкций из стали Х15Н5Д2Т. Например, была произведена сварка на машине МТПТ-400 панелей (стрингера с об­ шивкой) толщиной 0,4—0,6 мм, длиной 1,2 м. Из табл. 4 видно, что после сварки на некоторых режимах оста­ точные деформации практически отсутствуют.

Однако причины деформаций панельных конструк­ ций не исчерпываются только усадкой. Поэтому в каж­ дой листовой конструкции необходимо применить все возможные методы предупреждения деформаций

вкомплексе.

Впоследнее время имеется тенденция использовать

эффект расширения металла при температурах струк­ турного превращения для компенсации усадочного уси­ лия при сварке аустенитных и других сталей. Это на­ правление очень перспективно, но для его практического осуществления необходим широкий комплекс работ по созданию новых присадочных материалов, исследованию свойств сварных соединений и отработке технологии сварки с учетом полного устранения сварочных дефор­ маций. Используемые же в промышленности присадоч­

207

ные материалы из стали мартенситного класса часто несовершенные и по ряду показателен не могут быть использованы для сварки большей части конструкций.

Основное внимание следует уделять максимальному использованию возможностей самого сварочного про­ цесса, а затем послесварочпым методам обработки.

УСТРАНЕНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ В ТОЧЕЧНЫХ И РОЛИКОВЫХ ШВАХ

Термомеханические процессы, приводящие к образо­ ванию сварочных деформаций и напряжений при точеч­ ной и роликовой сварке, включают ряд сложных явле­ ний, не имеющих достаточно удовлетворительного мате­ матического описания [1, 11,23].

Анализ причин возникновения деформаций при точеч­ ной и роликовой сварке позволяет разделить их на две группы: 1 ) деформации, возникающие вследствие термо­ механического цикла сварки, или так называемые сва­ рочные деформации; 2 ) деформации, возникающие вследствие контакта оборудования со свариваемыми деталями и наличия внешних связей у последних,— технологические деформации.

Сварочные деформации связаны не только с термомеханическим циклом, но и с фазовыми превращениями в свариваемом материале. В связи с этим характер деформации может существенно отличаться при сварке материалов разных классов. В отличие от аустенитных

в мартенситных сталях на распределение остаточных напряжений оказывает влияние увеличение объема ме­ талла за счет распада аустенита при низкой темпера­ туре. Это приводит к удлинению зоны шва с образова­ нием остаточных напряжений сжатия (рис. 97, б) и по­ перечных деформаций удлинения (рис. 97, в).

Как показывают исследования, на величину дефор­ маций при контактной роликовой сварке существенное влияние оказывают параметры режима сварки: длитель­

208

роликами зоны растягивающих напряжений. Режимы прокатки, как показывает опыт, мало отличаются от рекомендованных для соединений, выполненных сваркой плавлением.

Х18Н9Т (а) и ХІ5Н5Д2Т (б)

ХІ5Н5Д2Т

При точечной сварке наряду с участками укорочения (в зоне точки па стали Х18Н9Т) имеются участки (между точками), длина которых после сварки стано­ вится больше. При сварке мартенситных сталей харак­ тер деформаций, как правило, прямо противоположный (рис. 99). Несмотря на то, что знаки деформаций в зоне точки и между точками в обоих случаях противоположны, общее изменение длины, в особенности деталей нежест-

209