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

3. Компенсация деформаций путем создания пред рительных деформаций, обратных по знаку сварочным, рациональной последовательностью сборки и сварки.

Существует много приемов, позволяющих уменьшить

•или устранить сварочные деформации и напряжения. В зависимости от того, решается ли вопрос получения абсолютно точной конструкции, входящей по размерам в пределы допусков непосредственно после окончания сварки, или технологический процесс строится с при­ менением послесварочиых методов обработки конструк­ ции, можно разделить способы борьбы с деформациями и напряжениями на две группы: 1) способы предупреж­ дения и регулирования деформаций; 2) способы устра­ нения деформаций и напряжений после сварки.

К первой группе относятся такие способы, которые предусматривают воздействие на тепловые характерн-

•стики сварочного процесса, геометрические размеры и форму конструкции в процессе сварки, физические ха­ рактеристики и структуру материала изделия и шва.

Регулирование теплового воздействия связано с подбором соответствующих режимов сварки с учетом уменьшения объема пластического укорочения. Однако критерии режима обычно определяются другими факто­ рами: производительностью процесса, рациональным ис­ пользованием деформационной способности шва и уров­ нем механических свойств металла. Сварка на понижен­ ных режимах, естественно, снижает производительность труда. Тепловой фактор можно регулировать путем общего подогрева деталей перед сваркой, а также ин­ тенсивного теплоотвода от зоны шва.

Одними из основных средств регулирования свароч­ ных деформаций являются: применение рациональной последовательности сборки и сварки конструкций; за­ крепление изделий в процессе сварки в приспособле­ ниях; создание предварительных деформаций конструк­ ции, обратных сварочным; механическое воздействие на конструкцию или зону шва при сварке.

Последовательность сборки и сварки назначают из условий либо расчленения конструкции на отдельные элементы, либо из условий обеспечения достаточной жесткости поперечного сечения свариваемой конструк­ ции. При условном расчленении конструкции на пред­ варительно сваренные отдельные элементы общие де­ формации получаются только от небольшого числа

20

замыкающих или монтажных швов. Деформации же, возникающие при сварке отдельных элементов, либо уст­ раняются перед общей сборкой, либо компенсируются предварительным припуском. Обеспечение достаточной жесткости поперечного сечения предусматривает начало сварки лишь после того, как собрано определенное чис­ ло элементов, образующих общее поперечное сечение высокой жесткости.

Создание деформаций, обратных сварочным, обеспе­ чивается в основном путем закрепления конструкций в приспособлениях, учитывающих те геометрические изме­ нения, которые могут произойти в результате сварки. Квалифицированное использование этого приема требует достаточно точного определения ожидаемых сварочных деформаций. Наиболее широкое распространение такие методы находят в судостроении, где правка после свар­ ки, особенно крупногабаритных конструкций, чрезвы­ чайно затруднена.

Механическое воздействие приводит к пластическому деформированию зоны шва и к уменьшению пластиче­ ских деформаций укорочения. Среди наиболее известных методов следует отметить растяжение деталей в про­ цессе сварки, прокатку и проковку остывающего метал­ ла в сварочном стапеле, вибрационную и ультразвуко­ вую обработку в процессе кристаллизации.

Регулирование деформаций путем воздействия на физические и структурные характеристики связано с из­ менением механических характеристик материала в зоне сварки и применением в конструкциях свариваемых и присадочных материалов с особыми дилатометрически­ ми характеристиками. Последние позволяют при опре­ деленных условиях осуществить сварку без деформаций.

Ко второй группе относятся способы послесварочного деформирования конструкций внешними силами в хо­ лодном или нагретом состоянии и способы, основанные на температурном деформировании за счет создания вы­ соких температурных градиентов без приложения допол­ нительных внешних сил.

Наиболее распространены способы прокатки и про­ ковки зоны шва в холодном состоянии или с подогре­ вом зоны шва многопламенной горелкой. Эти способы, так же как и пластический изгиб, предусматривают соз­ дание пластических деформаций, обратных сварочным. Хорошие результаты дает также применение растяже-

21

иия с вибрацией. В производстве широко используется местный нагрев, позволяющий создать пластические де­ формации укорочения в тех зонах конструкции, где они приводят к исправлению ее формы.

Перспективно, по пока еще мало изучено местное температурное деформирование, которое может сочетать местный нагрев одних зон с глубоким охлаждением других. Например, для создания пластических деформа­ ций удлинения в сварном шве листов из стали, доста­ точных для устранения остаточных напряжений, нужно многопламенной широкой горелкой нагреть широкую (150—200 мм) зону около шва, после чего произвести его локальное охлаждение, например жидким азотом, с применением контактного, либо какого-то другого ох­ ладителя.

Устранение деформаций и напряжений путем высо­ кого отпуска деталей в зажимных приспособлениях — распространенный и широко применяемый процесс, из­ вестный также под названием метода термофиксацпн.

КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

При проектировании конструкции и выборе техноло­ гических процессов ее изготовления, включая последо­ вательность выполнения сборочно-сварочных операций, основное внимание должно уделяться получению рацио­ нальных сочетаний отдельных свариваемых узлов и элементов, позволяющих механизировать и автоматизи­ ровать процессы сварки, снизить трудозатраты на из­ готовление, обеспечить безопасную эксплуатацию кон­ струкции и по возможности получить минимальные отклонения от проектных размеров и форм. Короче го­ воря, при проектировании конструкции необходимо от­ дельные ее сварные узлы разрабатывать с учетом при­ менения прогрессивных методов сварки, снижения концентрации напряжений в сварных соединениях, а также с учетом получения минимальных остаточных деформаций отдельных узлов и конструкции в целом.

При выборе технологического процесса изготовления конструкции необходимо предварительно рассмотреть различные варианты последовательности соединения элементов сварной конструкции между собой с целью нахождения таких вариантов, которые приведут к ми­ нимальным геометрическим отклонениям. На основании

22

Г л а в а II

ПРОКАТКА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ СНИЖЕНИЯ СВАРОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЙ ПРОКАТКОЙ

Принципы устранения деформаций и напряжений прокаткой чрезвычайно просты. Пластические деформа­ ции укорочения, возникающие при сварке в зоне шва и в околошовной зоне, приводят, как известно, к местно­ му остаточному укорочению в продольном направлении. Для снятия напряжений в сварном шве каждое про­ дольное волокно зоны пластических сварочных деформа­ ций необходимо удлинить ровно настолько, насколько оно укоротилось при сварке. А так как все укорочения волокон поперечного сечения шва имеют различную ве­ личину, то для полного устранения напряжений им должна быть сообщена и различная величина дефор­ маций удлинения. Вполне естественно, что осуществить такую неравномерную по поперечному сечению сварного соединения деформацию невозможно ни одним из су­ ществующих методов за исключением высокотемператур­ ного отпуска конструкции. К тому же потребность соз­ дания точно таких деформаций, которые произошли при сварке, но обратного знака, в большинстве случаев отсутствует.

Необходимая точность сварной конструкции будет обеспечена и тогда, когда остаточные напряжения ра­ циональным образом перераспределятся по поперечному сечению сварного соединения. Это перераспределение достигается осадкой при прокатке некоторой части зо­ ны пластических деформаций по толщине. В результате осадки происходит равномерное удлинение металла и компенсация сварочных деформаций укорочения дефор­ мациями удлинения. Прокатка может осуществляться

24

за один или несколько пропусков прокатываемой зоны между деформирующими роликами, причем многопро­ ходная прокатка предусматривает прежде всего увели­ чение ширины прокатываемой зоны, а не увеличение деформации в одной и той же зоне повторным деформи­ рованием.

Рис. 5. Эпюры напряжений при различных соотношениях между шириной прокатываемых зон Ь и шириной зоны пластических де­ формаций а

В зависимости от соотношений ширины роликов и ширины зоны остаточных пластических деформаций возможны несколько вариантов изменения эпюр оста­ точных напряжений в сварных швах. На рис. 5 видно, что при изменении ширины прокатываемой зоны для устранения деформаций требуется большее или мень­ шее снижение напряжений. Причем, если прокатке под­ вергается зона более широкая, чем зона сварочных пластических деформаций, устранение напряжений мо­ жет быть и неполным. Для этого требуются меньшие усилия, нежели при устранении деформаций прокаткой только по шву, но процесс осуществляется за три-четы-

устранения остаточных напряжений и деформаций и для упрочнения шва и заглаживания концентраторов напря­ жений в сварных швах. Устранение сварочных дефор­ маций и напряжений достигается при весьма малой степени деформации сварного шва и околошовной зоны по толщине, составляющей десятые доли процента. Во всяком случае для материалов, у которых остаточные

25

напряжения в зоне сварки имеют величины, близкие к пределу текучести ат, осадка (относительная деформа­

Заглаживание усиления и упрочнение металла шва осуществляется при значительно больших усилиях на деформирующих роликах и при степенях деформации в несколько процентов. Этот процесс находит применение при изготовлении оболочек из высокопрочных сталей, а также алюминиевых сплавов, разупрочняющихся при сварке. Его осуществление не требует соблюдения мно­ гих технологических тонкостей, характерных для про­ цесса прокатки сварных соединений с целью устранения остаточных деформаций и напряжений, таких — как сохранение постоянства на роликах при прокатке, опре­ деление ширины прокатываемой зоны, числа проходов

ит. д. [15, 23].

Взависимости от доступности различных зон стыко­ вого сварного соединения или ограничений пластического деформирования той или иной зоны можно наметить три основных варианта прокатки:

1. Ограничений нет, прокатке подвергается вся зона, находящаяся под напряжением растяжения, т. е. шов и основной металл по обе стороны от него. В этом случае усилие, приложенное к роликам, следует выби­ рать из условия полного снятия остаточных напряже­ ний в этой зоне.

2. Существует ограничение, не позволяющее произ­ вести прокатку всей зоны пластических деформаций (наклонные участки из-за изменения толщины листа; недоступность, вызванная наличием элементов жесткости и т. д.). Для устранения деформаций эти остаточные напряжения необходимо уравновесить в узкой зоне путем создания в месте прокатки напряжений сжатия для того, чтобы в остальной части конструкции напря­

опасность возможного понижения пластических свойств или коррозионной стойкости. Как и в предыдущем слу­ чае устранение деформаций достигается при равновесии остаточных напряжений в узкой зоне при условии их снятия в остальной части сечения. Для этого в основном металле по обе стороны от шва прокаткой создаются напряжения сжатия.

26

ПРОКАТКА ПРЯМОЛИНЕЙНЫХ И КОЛЬЦЕВЫХ ШВОВ

Подбор оптимального режима прокатки для устране­ ния сварочных деформаций заключается в отыскании условий прокатки, которые обеспечивали бы наиболее полное устранение пластических деформаций укороче­ ния и снятие продольных остаточных напряжений. Зна­ ние закономерностей, присущих процессу прокатки швов узкими роликами, значительно облегчает подбор режима прокатки. В ряде случаев при изменении тол­ щины материала, диаметра роликов и т. п. нет необхо­ димости заново определять режимы прокатки. Знание закономерностей исправления деформаций прокаткой позволяет перейти с одного режима прокатки на другой.

При назначении режима прокатки необходимо учи­ тывать те факторы, которые существенно влияют на ве­ личину пластической деформации. Это — усилие на ролики, диаметры и ширина рабочего пояска роликов; толщина металла в зоне прокатки; предел текучести и модуль упругости материала; напряжения в металле перед прокаткой; жесткость прокатываемого изделия или узла.

Кроме того, в случаях, когда после прокатки и по предварительно назначенному режиму не происходит достаточного исправления деформаций и требуется при­ менить повторную прокатку, необходимо знать насколь­ ко повторная прокатка по одному и тому же месту при неизменном усилии устраняет деформации.

Для устранения деформаций необходимо полностью спять напряжения или уравновесить эпюру напряжений в пределах зоны пластических сварочных деформаций. Для полного снятия напряжений прокатке подвергается вся зона пластических деформаций. При прокатке только части зоны в отдельных участках возрастают напря­ жения сжатия, но устранение перемещений может быть полным.

Усилие прокатки (в кгс) определяется приближенной формулой, описывающей процесс прокатки узкими ро­ ликами:

где с — ширина рабочего пояска роликов, см; а— диаметр роликов, см;

27

б— толщина металла в месте прокатки, см; <хи, ак — начальное и конечное напряжение в металле со­

ответственно до и после прокатки, кгс/см2. Величина о„ для большинства материалов равна

0,6—1,2 сгт. Если величина остаточных напряжений в зоне шва неизвестна, для расчета усилия прокатки она

Как показывают результаты экспериментов, прове­ денных по исправлению деформаций прокаткой на алю­

если прокатывается только шов. При этом считается, что деформация металла в прокатываемой зоне равно­ мерна по всей ширине. Однако сварные швы в подав­ ляющем большинстве случаев имеют усиление и тол­ щина матераила в зоне шва даже при сварке без при­ садок оказывается почти всегда больше, чем толщина основного листа. В таких условиях контактирование ро­ лика с поверхностью сварного шва осуществляется лишь по части его ширины и соответственно величина относи­ тельной деформации по толщине, необходимой для уст­ ранения короблений, окажется больше, нежели при равномерной осадке зоны, равной ширине рабочего пояска ролика. Усилие прокатки по усилению шва мо­ жет быть определено из формулы, полученной так же, как и две приведенные выше, расчетно-эксперименталь­ ным путем:

Р = 2,0 ] / • (4)

Если усилие прокатки Р\ какого-либо материала уже подобрано, то при переходе с диаметра роликов d\ на диаметр d2, при изменении предела текучести и модуля упругости с сгТ| и Еі на стТ2 и Е2 справедливы следующие соотношения [4]:

28

где Pi — новое усилие прокатки.

Режимы прокатки необходимо проверить на плоских, образцах с прямолинейными швами, производя в отдель­ ных случаях корректировку для конкретного узла. Ис­ правление деформаций прокаткой требует высокогокачества сборки под сварку, так как в процессе правкиустраняются только сварочные деформации, но не уст­ раняются неточности, вызванные сборкой.

При подборе режимов прокатки на образцах следует' иметь ввиду, что оптимальный режим прокатки соот­ ветствует полному исправлению образца: при прокатке-

затем околошовной зоны, или наоборот. В зависимости от особенностей конструкции, возможностей доступа к. сварным швам может быть использована одна из кон­

можно выделить две технологические схемы, которые обеспечиваются различными вариантами конструктив­ ного выполнения оборудования для прокатки. Первая схема — это прокатка шва между двумя роликами, вто­ рая —■прокатка на подкладке, когда только один из роликов передает непосредственное усилие на шов,, второй же воспринимает усилие через подкладку. Для устранения деформаций при прокатке по первой схеме требуются намного меньшие усилия, чем по второй.

Исследования показывают, что вне зависимости от материала, толщины прокатываемых листов, формы усиления шва полное устранение деформаций при про­ катке на подкладке достигается при усилии в 2,7—3 ра­ за большем, чем при прокатке между двумя роликами. В то же время оптимальное усилие, при котором дефор­ мации устраняются полностью, а остаточные напряже­ ния в прокатываемой зоне становятся близкими к нулю, возрастает не всегда пропорционально корню квадрат­ ному из толщины, как это следует из расчетной фор-

29*