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

Наиболее эффективным способом резкого снижения остаточных напряжений в процессе сварочного цикла является приложение ковочного усилия сжатия электро-

üecm ,*гс/ммг

Рис. 105. Распределение остаточных напряжении у сварной точки в зависимости от величины ковочного усилия сжатия электродов Рцоп, приложенного в момент окончания импульса тока, на стали Х15Н5Д2Т (а) н стали Х18Н9Т (б) (толщины

1+ 1 мм ):

дов. Применением ковочного усилия можно ие только значительно снизить остаточные напряжения, по изме­ нить их знак (рис. 105). Наибольшее изменение вели­ чины остаточных напряжений при прочих равных усло­

220

Г л а в а VIII

СТАБИЛЬНОСТЬ РАЗМЕРОВ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ С ТЕЧЕНИЕМ ВРЕМЕНИ

ПРИЧИНЫ ИЗМЕНЕНИЯ РАЗМЕРОВ ВО ВРЕМЕНИ

Постоянство геометрических размеров многих кон­ струкций с течением времени является важнейшим фак­ тором обеспечения их длительной работоспособности, так как даже незначительные изменения размеров с течением времени могут привести к недопустимым нарушениям условий эксплуатации конструкции.

Сварные соединения с нестабильной структурой зоны шва (низколегированные стали) меняют свои геометри­ ческие размеры в результате изотермического превра­ щения остаточного аустенита в мартенсит. В то же время распространено мнение, что сварные соединения со ста­ бильной структурой (низкоуглеродистые и аустенитные стали) практически не изменяют своих размеров во вре­ мени. Опытом же эксплуатации установлено, что во многих конструкциях, в которых точность, герметичность и закрепление основных рабочих частей обеспечивается сваркой, наблюдаются недопустимые отклонения гео­ метрических и рабочих параметров намного ранее за­ планированного срока их эксплуатации.

Несмотря на важность этой проблемы, в настоящее время нет систематизированных исследований по обес­ печению постоянства геометрических размеров сварных соединений с течением времени. Разработанные эффек­ тивные методы по определению и устранению сварочных напряжений и деформаций не учитывают специфики многих конструкций специального назначения, приме­ нение их для стабилизации геометрических размеров сварных соединений связано с большими трудностями, а в ряде случаев и недопустимо.

222

Процессы, вызывающие изменение размеров с тече­ нием времени, еще в большей степени проявляются в сварных соединениях вследствие того, что в процессе сварки в результате неравномерного нагрева и охлаж­ дения образуются высокие внутренние напряжения и неоднородные структуры.

Методы устранения и предотвращения сварочных напряжений и деформаций позволяют там, где это необ­ ходимо, получать после сварки при соответствующей обработке требуемые геометрические формы и размеры, укладывающиеся в пределы установленных допусков.

Последующие изменения размеров сварных конст­ рукций после полного остывания с течением времени считаются пренебрежимо малыми и учитываются тех­ нологией изготовления только для некоторых материа­ лов, образующих нестабильную структуру в зонах свар­ ных швов, приводящую к объемным изменениям в ре­ зультате распада остаточного аустенита [27].

Сварные соединения структурно стабильных мате­ риалов, таких как низкоуглеродистые и аустенитные стали, считаются геометрически неизменяющимнея с течением времени. Однако известны случаи интенсив­ ного изменения размеров сварных конструкций с тече­ нием времени, например после механической обработки. Станины точных станков, изготовляемые с помощью сварки и имевшие непосредственно после механической обработки достаточно высокую точность размеров, после вылеживания в течение 3—4 недель перед окончатель­ ной сборкой выходили за пределы допусков и требовали дополнительной обработки. Вполне естественно, что одной из причин таких изменений являются остаточные напряжения, всегда имеющиеся после сварки в швах. Это тем более вероятно, что в конструкциях из простых иизкоуглеродистых сталей (типа СтЗ) также наблю­ дается самопроизвольное изменение размеров с тече­ нием времени. В этих сталях по существу отсутствует фактор структурной нестабильности и лишь остается предполагать, что сварочные напряжения со временем меняют свою величину, приводя к дополнительным деформациям.

Известны следующие причины, вызывающие дефор­

223

структурных составляющих в энергетически более устой­ чивые) ; 2) релаксация остаточных внутренних напряже­

ствие) .

Деформирование сварных конструкций, связанное со структурными превращениями, происходит вследствие того, что в результате воздействия термического цикла сварки на металл в отдельных зонах сварного соедине­ ния образуются неустойчивые структуры. После сварки в зонах с неустойчивой структурой происходят структур­ ные превращения, приводящие к образованию добавоч­ ных собственных напряжений, которые деформируют конструкцию. Наибольшее изменение объема происходит при распаде остаточного аустенита, зависящее в значи­ тельной степени от величины зоны, нагретой до высоких температур, и скорости охлаждения.

Изучению свойств и строению продуктов превраще­ ния аустенита в зависимости от скорости охлаждения и температуры, при которой происходит процесс его распада, посвящены работы, показывающие, что в зави­ симости от этих факторов можно получить в стали перлит, сорбит, троостнт, либо мартенсит.

Деформации с течением времени происходят также в сварных соединениях термически упрочняемых спла­ вах системы А1—Zn—Mg. В сплавах этой системы после воздействия термического цикла сварки в металле шва и околошовной зоне происходят структурные изменения (связанные с распадом пересыщенного твердого рас­ твора цинка и магния), которые сопровождаются объемными изменениями вследствие уменьшения пара­ метра кристаллической решетки и приводят к структур­ ным напряжениям и деформациям.

Термический цикл сварки представляет собой свое­ образную термическую обработку, в результате которой в отдельных зонах сварного соединения максимальные температуры, скорости их нарастания и охлаждения изменяются в зависимости от расстояния до оси шва, что приводит к появлению неодинаковых структур. Распад этих структур влечет за собой изменение объема, вызывающее деформирование сварных конструкций

стечением времени.

Всталях с низкими температурами структурных пре­ вращений возможно образование остаточных напряже­

224

ний растяжения, достигающих значений от, а также напряжений сжатия, достигающих сгт.

Известно, что под действием напряжения материал испытывает во времени пластическое течение. В свар­ ном соединении волокна металла находятся под дейст­ вием различных по величине напряжений и изменение

их во времени может привести к деформированию свар- ■иых соединений вследствие процессов релаксации и пол­ зучести. Ползучесть представляет собой частный случай пластической деформации, когда приложенное напряже­ ние во времени поддерживается постоянным.

В условиях эксплуатации или даже хранения проис­ ходят процессы релаксации остаточных напряжений и структурных превращений. Как известно, эти процессы протекают интенсивно при повышенных температурах, но в некоторых случаях они происходят и при нормаль­ ной температуре, приводя к появлению деформаций и перемещений.

Исследование нестабильности от механической обра­ ботки проводилось в МВТУ им. Баумана на кольцевых образцах (рис. 107), выточенных из цилиндрической заготовки диаметром 100 мм.

В процессе механической обработки в поверхностных слоях образуются остаточные напряжения. Хотя эти напряжения и малы по сравнению со сварочными, тем

225

не менее они могут быть причиной значительных случай­ ных отклонений размеров от их среднего значения, происходящих вследствие неравномерной релаксации напряжений.

Из анализа результатов испытания кольцевых образ­ цов автоколлимаиионным методом при температурах 20, 70, 100° С следует, что изменение угла между зер­ кальными поверхностями образцов в течение одного года для различных материалов, составляет 20—40 с. При этом большие изменения соответствуют большей темпе­ ратуре хранения.

Для того чтобы исключить фактор нестабильности, вносимый механической обработкой, при оценке влияния сварки на поведение соединений во времени целесооб­ разно проводить термическую стабилизацию размеров образцов после механической обработки для снятия об­ разовавшихся напряжений.

ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ С ТЕЧЕНИЕМ ВРЕМЕНИ

В зависимости от материала сварные соединения могут менять свои размеры либо в том же направлении, в котором происходят деформации от сварки, либо в противоположном направлении. Величину деформаций с течением времени для конкретного сварного соедине­ ния целесообразно выражать через изменение величины усадочного усилия ДЯус:

величина изменения усадочного усилия будет опреде­ ляться как функция изменения угла:

Сварное соединение на кольцевых образцах выпол­ няли путем переплава буртика на полке тавра аргоно­ дуговой сваркой. Непосредственно перед сваркой и после сварки замерялся угол между зеркальными поверхно­ стями, расположенными по обе стороны от прорези образца, автоколлимационным способом. Разность

226

между двумя замерами характеризовала степень дефор­ мации образцов, вызванной процессом сварки. В табл. 5 приведены результаты деформации от сварки кольцевых образцов из разных сталей.

Анализируя полученные результаты, следует отме­ тить, что деформации, возникающие при сварке, могут иметь различную величину в зависимости от сваривае­ мого материала. При этом деформации определяются как неравномерностью нагрева, так и теми объемными изменениями, которые происходят в материале вслед­ ствие структурных превращений, вызванных нагревом. При сварке сталей, не испытывающих структурных превращений в процессе нагрева и охлаждения, напри­ мер аустенитных 1Х16Н25АМ6 или сталей, структурные превращения у которых происходят при весьма высоких температурах (Э12, СтЗ), деформации полностью опре­ деляются неравномерностью нагрева.

В среднеуглеродистых и низколегированных сталях (35, 4X13) возникают деформации, вызванные струк­ турными превращениями, которые происходят в зоне,

в зависимости от химического состава и скорости охлаж­ дения может происходить при низких температурах и сопровождается резким увеличением объема.

В' случае, когда объемные изменения происходят при низких температурах, металл сопротивляется образова­ нию структурных деформаций. Результирующая дефор­ мация будет зависеть от соотношения температурных и структурных деформаций. Из табл. 5 видно, что вели­ чина деформации от сварки в образцах из сталей 4X13

227

и 35Ш во много раз меньше деформации образцов из сталей СтЗ, 1Х16Н25АМ6, Э12. Это связано с тем, что в сталях 4X13, 35Ш при охлаждении происходят струк­

нием времени свидетельствует о том, что в большей или меньшей степени сварные соединения различных мате­ риалов изменяют свои размеры во времени даже при комнатной температуре (рис. 108), причем величина и характер этих изменений зависят от марки материала и определяются в основном полем остаточных напряже­ ний и структурной стабильностью сварного соединения. Сварные соединения сталей со стабильной структурой (СтЗ, Э12, 1Х16Н25АМ6), не испытывающих структур­ ных превращений в интервале температур, при которых проводились исследования, изменяют размеры в направ­ лении как бы снижения усадочного усилия, т. е. при­ водят к уменьшению величины зазора в образце (рис. 107). Что же касается сварных соединений с не­ стабильной структурой в зоне сварного шва, то дефор­ мации их зависят от степени закалки и количества остаточного аустенита. Если в сварных соединениях

228

(25ХГС, ЗОХГСА, 12Х5МА) после сварки образуется значительное количество остаточного аустенита, то в про­ цессе вылеживания деформации происходят в направ­ лении уменьшения усадочного усилия от сварки (закры­ вание зазора образца) вследствие превращения оста­ точного аустенита в мартенсит. Количество остаточного аустенита зависит от скорости охлаждения. В случае, когда в процессе сварки в результате быстрого пере­ охлаждения аустенит практически полностью превра­ щается в мартенсит (стали 35, 4X13), то характер деформирования с течением времени определяется в ос­ новном процессом отпуска мартенсита закалки и изме­ нение размеров соответствует увеличению усадочного усилия от сварки.

Процесс деформирования, как это следует из при­ веденных кривых (рис. 108), интенсивно проходит в тече­ ние первоначального периода, который для большинства рассматриваемых марок сталей соответствует одному месяцу. В дальнейшем, в течение весьма длительного времени наблюдаются монотонные.изменения размеров. Деформации во времени сварных образцоз в значитель­ ной степени зависят от температуры хранения. Повыше­ ние температуры до 100° С приводит в большинстве слу­ чаев к увеличению деформации материалов по сравне­ нию с комнатной в 3—5 раз (рис. 109). Это объясняется тем, что с повышением температуры интенсифицируются процессы релаксации остаточных напряжений и струк­ турных превращений. Структурные превращения при нагреве в основном определяются распадом мартенсита закалки — распадом пересыщенного твердого раствора а.

Однако характер деформирования сварных образцов в течение одного года при температуре 100° С не изме­ няется. В сварных соединениях большинства материалов происходят значительные деформации во времени. При­ чем для сталей 4X13 и 35Ш эти изменения в процентах от сварочного усадочного усилия составляют 40—50% (рис. 110).

Снижение температуры до —50° С и хранение образ­ цов в этих условиях не приводит к заметным деформа­ циям. Исключение составляет сталь 4X13. Здесь дефор­ мации происходят в результате превращения остаточ­ ного аустенита в мартенсит, а величина их определяется количеством аустенита в сварном шве, т. е. не для всех материалов можно сделать однозначные выводы о харак­

229