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

ПРОКАТКА ПРЕРЫВИСТЫХ ШВОВ

Прерывистый, в том числе точечный, шов можно рас­ сматривать как непрерывный, но с меньшей средней величиной остаточных напряжений по длине, чем в пря­ молинейном шве, сваренном «напроход».

Методика отработки режимов прокатки по сути своей не меняется. Прокатка также может осуществляться как по шву, так и по околошовной зоне в зависимости от технологических возможностей. Особенность прерыви­ стых швов — неравномерность остаточных деформаций по длине и ширине. Прокатка устраняет продольные де­ формации, изменяя величину и характер распределения остаточных напряжений.

Прерывистый шов может быть прокатан либо по всей длине, либо только в зонах сварки. В последнем случае усилие подбирается без учета прерывистости шва, но технологическое осуществление такой прерывистой про­ катки, когда на протяжении всего шва нужно много раз увеличивать и снижать усилие на роликах при прохож­ дении заваренных и незаваренных участков шва, пред­ ставляет большие трудности. Поэтому прокатку преры­ вистых швов производят по всей длине, включая зава­ ренные и незаваренные участки. Если известна величи­ на продольных остаточных напряжений ах в сплошном шве, сваренном на том же режиме, что и участки пре­ рывистого, то для прерывистого шва, характеризуемого шагом I и длиной заваренных участков I (рис. 11), сред­ няя величина остаточных напряжений по длине шва ах Ср определится как

(остальные обозначения даны на рис. 11).

В отличие от одноосного поля п р я м о л и н е и п о г о прерывистого шва прп точечной сварке имеются суще­ ственные особенности, связанные с круговым располо­ жением зон пластических деформаций вокруг каждой по­ следующей точки. Поэтому непосредственное практиче­ ское значение приобретают соотношения, определяющие поле остаточных напряжений по всему листу.

40

Для приближенного определения средней величины остаточных напряжений, вводимой в расчет при опреде­ лении режимов прокатки, можно считать, что диаметр зоны пластических сварочных деформаций 2г равен диа­ метру литого ядра сварной точки dn, а величина оста­ точных напряжений в зоне пластических деформаций в

Рис. ІіК Распределение продольных остаточных напряжений в прерыви­ стом шве Сти после сварки (1) и после про­

катки (2)

направлении продольной оси шва, по которому произво­ дится прокатка, равна некоторой величине А, принимае­ мой для большинства материалов равной значению про­ дольных остаточных напряжений в сплошном шве, вы­ полненном сваркой плавлением. Например, при расчетах удовлетворительные результаты для стали СтЗ получе­ ны при Л = 24 кгс/см2, для сплава ОТ4-1 при А —

35кгс/мм2.

Всоответствии со схемой соединения однорядного шва среднее значение остаточных продольных напряже­ ний а'х в зоне BCDE (рис. 12, а) можно представить как

функцию А и отношение — :

41

По всей длине шва среднее значение а.-сСр в полоске шириной 2r = d n определяют из следующего выражения:

Рис. 12. Схема однорядного шва (а) и зависимость средних напряжений в зоне прокатки (BCDE) от отношения шага к радиусу сварной точки (б)

Окончательное решение в виде графика, выражаю­

щего зависимость .CTjcp. от — , приведено на рис. 12,6.

Аг

Точками нанесены экспериментальные значения остаточ­ ных напряжений. Практическое использование приведен­ ных соотношений не ограничивается каким-либо мате­ риалом или геометрическими параметрами сварного

42

шва. Если функция А в пределах ±15—20% определена правильно, то режимы прокатки, установленные по по­ лученному значению о^ср, оказываются удовлетвори­ тельно подобранными и существенной корректировки не требуется.

Результаты опытных работ по прокатке прерывистых швов наиболее успешно используются при исправлении деформаций, возникающих при сварке ребер жесткости или гофрированного набора с обшивкой. Эффективность этого процесса в вагоно-, автомобиле-, самолетострое­ нии, где объем точечной сварки велик, не вызывает сомнений.

ПРОКАТКА И ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Влияние прокатки, производимой с целью устранения остаточных напряжений и деформаций, на прочность. Поверхностный наклеп металлических деталей оказы­ вает положительное влияние на прочность сварного сое­ динения при переменных нагрузках. Прокатка с малы­ ми степенями деформации есть не что иное, как средство создания наклепа в поверхностных слоях металла, в частности на поверхностях сварного шва или околошов­ ной зоны. Поэтому большинство исследователей отме­ чают положительное влияние прокатки именно на проч­ ность при переменных нагрузках.

В то же время наклеп поверхностного слоя при про­ катке, как свидетельствуют результаты испытаний, при­ водит к некоторому снижению угла изгиба. Но это сни­ жение не столь велико, чтобы вызвать серьезные опасе­ ния (обычно не более 15% для металлов толщиной до 8 мм и не более 20% — до 12 мм).

Предел прочности сварных соединений после прокат­ ки практически не меняется совсем, либо повышается, но незначительно.

Опытные работы, проведенные в МВТУ им. Баумана на сварных соединениях из сталей Х18Н12С4Т, Х15Н9Ю, Х15Н5Д2Т, сплавов ВТ1, ОТ4, АМгб, Д20 и других, по­ казали, что в среднем предел выносливости сварных соединений при вибрационных нагрузках повышается после прокатки на 10—15%, а при малоцикловых на­ грузках — не более чем на 10%.

43

Таким образом, прокатка с целью устранения дефор­ маций и напряжений, оказывая некоторое положитель­ ное влияние на основные прочностные характеристики сварных соединений, не является в то же время эффек­ тивным средством их упрочнения.

Упрочнение сварных соединений прокаткой роликами. Холодная деформация повышает предел текучести и предел прочности металла. В зависимости от материала это упрочнение получается или вследствие только нагар­ товки или в сочетании нагартовки с последующим старе­ нием. Эти два приема используются для повышения про­ чности сварных стыковых соединений прокаткой ролика­ ми. Наибольший интерес представляют сварные соеди­ нения, выполненные с присадочным металлом. За счет осадки усиления сварного шва можно получить требуе­ мую величину пластической деформации в зоне шва и вызвать необходимое упрочнение сварного соединения.

Перечислим основные условия обжатия зоны шва, которые определяют схему прокатки. Первым условием является состояние сварного соединения в процессе про­ катки (т. е. свободное или закрепленное в зажимное приспособление).

Вторым условием, определяющим схему прокатки, является определение участка шва или околошовиой зоны, который подвергается обжатию роликами.

К третьему условию прокатки относится вид корня шва, т. е. наличие или отсутствие обратного усиления шва, а также место расположения прокатывающего ро­ лика или накладки относительно корня шва.

На рис. 13 приведены схемы обжатия сварного сое­ динения, которые подверглись экспериментальной про­ верке в МВТУ им. Баумана.

Для случая прокатки сварного соединения в свобод­ ном состоянии возможно применение следующих двух схем: непосредственно между верхним и нижним ролика­ ми обжимается только шов (рис. 13,а); обжатию под­ вергается не только усиление шва, но и околошовная зона по разу с каждой стороны шва (рис. 13,6).

Схема б может быть воспроизведена в двух вари­ антах:

1) обжатию роликом подвергается шов и зона рядом

44

Прокатка в рамке может производиться в соответст­ вии со схемой г, когда обжатию подвергается верхнее и нижнее усиление шва двумя роликами одновременно. Принципиальных отличий в смысле выбора режимов прокатки при использовании этого варианта и прокатки в свободном состоянии нет.

Рис. 13. Схемы прокатки сварного соединения: в свободном состоя­ нии (а—в) и в закрепленном состоянии (г—ж)

Прокатка на подкладке может производиться по сле­ дующим схемам: со стороны верхнего усиления шва, обратная сторона прижата к подкладке (рис. 13, д); по обратному формированию шва, верхнее усиление при­ жато к подкладке (рис. 13, е); по верхнему усилению шва, обратное усиление снято заподлицо с металлом околошовной зоны. Корень шва и зона шва плотно при­ жаты к подкладке (рис. 13, ж).

Величина пластической деформации зависит от уси­ лия и площади контакта. Поэтому степень упрочнения сварного соединения, достигаемая при прокатке, опре­ деляется усилием прокатки, диаметром и шириной рабо­ чего пояска ролика.

Увеличение диаметра ролика при одном и том же усилии прокатки и ширине рабочего пояска приведет к уменьшению давления в контакте и потребует увеличе­ ния усилия иа ролике. С другой стороны, уменьшить

45

диаметр ролика трудно из-за конструктивных особенно­ стей машин для прокатки.

Наиболее целесообразно для прокатки сварных сты­ ковых соединений металлов толщиной 1—8 мм исполь­ зовать ролики диаметром 80—160 мм с шириной рабо­ чего пояска, равной ширине шва или несколько превы­ шающей ее, а именно 8—18 мм. Рассмотрим некоторые результаты экспериментов.

Сварные образцы из нагартованного до 20% сплава АМгб выполнены автоматической аргоно-дуговой свар­ кой неплавящимся электродом с присадочной проволо­ кой. Образцы прокатывали на машине с поперечным расположением роликов, затем испытывали на разрыв, замерялись угол изгиба и твердость металла по сечению в зоне сварного соединения. Сварное соединение обла­ дает следующими механическими свойствами: предел прочности ав = 324-35 кгс/мм2, угол изгиба для 6= 3 мм,

а=1404-160° и для 6= 5 мм 0 = 604-70°.

Ширину зоны разупрочнения, получающуюся после сварки, определяли по распределению твердости в по­ перечных сечениях сварного образца. На рис. 14 пред­ ставлена схема измерения и график распределения твер­ дости для толщин 6= 2; 3 и 5 мм, из которых видно, что

22 мм (измерение сделано от оси шва). Твердость изме­ ряли на приборе Виккерса при нагрузке 5 кгс.

Протекание пластической деформации, вызываемой в зоне шва прокатным роликом, сопровождается повыше­ нием твердости металла. Поэтому распределение твердо­ сти в поперечном сечении прокатанного сварного сое­ динения также может характеризовать степень вос­ становления нагартовки исходного материала в зоне отпуска.

Исследования по упрочнению сварных соединений нагартованного металла АМгб 6= 2 мм позволяют опре­ делить эффективность упрочнения в свободном состоя­ нии сварных образцов. Прокатка осуществляется по двум схемам: а — прокатка шва и б —-прокатка шва и зоны. Прокатка по схеме с обжатием шва (6 = 2 мм) обеспечивает восстановление прочности в зоне шва почти до уровня основного нагартованного металла при-усилии на ролике 1250 кгс. Угол изгиба соединения после про­

46

катки такой же, как и у основного металла, и равен

35—40°.

Дальнейшее повышение усилия на ролик в очень ма­ лой степени способствует повышению прочности и вызы­ вает увеличенный разброс результатов испытания, что, по-видимому, объясняется возможным перекатом метал­ ла в зоне шва. Представляет интерес проследить упроч­ нение сварного соединения путем измерения твердости.

/ — прокатка по шву; 2 — прокатка по шву и околошовноіі зоне

Измерения показали (рис. 14) повышение твердости в зоне шва, ио при таких условиях прокатки восстановле­ ние нагартовки происходит еще далеко не полностью и для его завершения при прокатке только самого шва требуется приложение к ролику значительно большего усилия. Результаты, полученные при прокатке по схе­ ме б, свидетельствуют о том, что прочность сварного соединения начинает повышаться при меньших усилиях иа ролике, но с увеличением усилия возникает значи­ тельный разброс по величине предела прочности свар­ ного соединения. Это объясняется некоторой неопреде­ ленностью условий обжатия околошовной зоны на пло­ скости.

На основании экспериментов можно сделать следую­ щее заключение:

1. Прокатка зоны шва роликами является эффектив­ ным средством повышения прочности стыковых сварных соединений.

47

2.Эффект упрочнения может быть достигнут при прокатке только шва и при прокатке шва и околошов­ ной зоны. Лучшие результаты получены при прокатке околошовной зоны с каждой стороны после прокатки шва.

3.В производстве необходимо сосредоточить внима­

ние на однократной прокатке только по шву при усилии, обеспечивающем эффективность такого приема.

4.С увеличением усилия, приложенного к ролику, возрастают деформации, поэтому необходимо разрабо­ тать эффективные мероприятия по их предотвращению.

5.Для прокатки продольных швов оболочек толщи­ ной до 15 мм требуется машина с продольным располо­ жением роликов. Максимальное усилие, приложенное к ролику, должно быть 15—20 тс.

Основной причиной, вызывающей значительное воз­ растание деформаций с увеличением усилия, приложен­ ного к ролику, является местная потеря устойчивости листа с выходом зоны шва из плоскости. Этому способ­ ствуют значительные напряжения сжатия и малая жест­ кость листа. При увеличении жесткости на время про­ катки и предотвращения развития пластических дефор­ маций упругая деформация после освобождения из закреплений имеет характер, напоминающий по виду и величине деформацию от сварки. Эта деформация в данном случае вызывается удлинением в продольном на­ правлении осаженной роликами зоны шва, где возника­ ют остаточные напряжения сжатия (в противополож­ ность остаточным напряжениям растяжения в зоне усад­ ки шва от сварки). Для закрепления зоны шва на время прокатки могут быть применены две схемы — в рамке и на подкладке. Сваренную пластину зажимают между строгаными поверхностями верхней и нижней рамок так, чтобы шов был расположен в прорези. Ши­ рима прорези должна несколько превышать ширину шва.

Как видно на рис. 15, прокатка сварного соединения 6= 2,8 мм на подкладке с оставленным обратным' уси­ лением при усилии на ролик, равном 8000 и 12000 кгс (столбцы 4 и 5), способствует восстановлению равно­ прочное™ сварного соединения основному металлу. Од­ нако отдельные отклонения результатов испытаний с разрушением по зоне сплавления свидетельствуют, ве­ роятно, о слишком большой степени пластической де­

48

формации в зоне шва. Прокатка сварных соединений по схеме с обратным усилением, подвергающимся непосред­ ственному обжатию роликом с усилием, равным 4000 и 8000 кгс (столбцы 1 и 3), приводит к низким результа­ там при испытании на статическое растяжение.

Рис. 15. Механические свойства сварных соединений в зависимо­ сти от схемы прокатки (4=11 см, материал АМгб нагартованный, 6=2,8 мм)

Прокатка по схеме со снятым обратным усилением при условии плотного прижатия корня шва к подкладке (на рис. 15 в столбцах 2 и 5) дает достаточно стабиль­ ные результаты упрочнения. Это обстоятельство позво­ ляет рекомендовать последнюю схему прокатки как оп­ тимальную, удовлетворяющую условиям обеспечения равнопрочное™ сварного соединения.

Оптимальные значения усилий прокатки могут быть установлены на основе определения механических свойств сварного соединения, прокатанного при различ­ ных усилиях по схеме со снятым обратным усилением. Из рис. 16 следует, что почти полное восстановление нагартовки в зоне отпуска достигается при усилии про­ катки 8000 кгс. Дальнейшее повышение усилия до 12000 кгс не приводит к росту прочности, причем, в этом случае ролики сильно вминаются в околошовную зону, оставляя на поверхности металла следы. Наличие

49