книги из ГПНТБ / Талыпов Г.Б. Сварочные деформации и напряжения

щие деформации и напряжения претерпевают резкие изменения с переменой знака. Например, опыты [132] показали, что про­ дольная деформация (напряжение), возникающая в результате на­ плавки валика на продольную кромку полосы, в весьма узкой зоне около шва (валика) претерпевает резкое изменение с переме­ ной знака. Аналогичные результаты получены в работах [76, 93, 146] по стыкованию полос и пластин при помощи ручной и авто­ матической сварки. Результаты опытов приведены на рис. 15, а [93] и 15, б [146]. Тот же характер распределения продольных остаточных напряжений в соединениях из низкоуглеродистой

Если температура объемных превращений металла меньше его температуры Тк, то пластические деформации, соответствующие этим объемным превращениям, накладываясь на пластические деформации нагрева, могут привести к коренному изменению характера распределения и величин остаточных деформаций и напряжений. Как указано выше, во всем последующем ограни­ чимся рассмотрением класса металлов, у которых температуры объемных превращений выше их температуры Тк.

27.ПРОБЛЕМА УПРАВЛЕНИЯ СТРУКТУРОЙ

ИМЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА ЗОНЫ ШВА

ИОДНО ИЗ ЕЕ РЕШЕНИЙ

Решение этой проблемы интересно не только с точки зрения непосредственного приложения, но и с принципиальной точки зрения, сформулированной во введении.

Опытным путем (см. п. 25) было установлено, что повышение начальной температуры свариваемых элементов при условии, когда она имеет постоянный по ширине элемента градиент, приводит к улучшению механических свойств основного металла зоны шва. Решение этой проблемы путем повышения начальной равномер­ ной температуры свариваемых элементов является наиболее есте­ ственным с физико-механической точки зрения. Этот путь на основе общих соображений рекомендуется также в работе [106], где на основе опытной зависимости между скоростью охлаждения и твер­ достью дается теоретический метод определения того значения начальной равномерной температуры Т0 свариваемых элементов, при котором металл околошовной зоны получает заданную твер­ дость. Позже Л. А. Фридлянд [128] на основе результатов своих опытов приходит к заключению о низкой эффективности подо­ грева. Подробнее результаты этой работы будут рассмотрены в конце этого параграфа. Изложим здесь результаты проведен­ ных нами опытов, которые покажут, что повышение начальной равномерной температуры свариваемых элементов является эф-

фективным методом управления механическими свойствами основ­ ного металла зоны шва [116].

Для опытов были взяты пять листов стали типа СХЛ размером 150x250 мм и после предварительного равномерного нагрева в муфельной печи до назначенной температуры на длинную кромку каждого из них наплавлялся валик. Соответствующие значения начальной равномерной температуры 71 0 °С в моменты начала и

18

250—240

330—320

420—390

540—490

Рис. 16

Изменение начальной температуры каждого листа в процессе наплавки валика контролировалось при помощи термопары. Ее изменение за период наплавки, как и следовало ожидать, растет вместе с повышением Т0.

После наплавки валика и остывания из каждого листа соот­ ветственно в одном и том же месте были вырезаны образцы для микроанализа и изучения механических свойств основного ме­ талла зоны валика. На рис. 16 приведены схемы распространения зон термического влияния образцов 1 (а) и 5 (б). С повышением начальной равномерной температуры зона мелкозернистой струк­ туры!/// практически исчезает, вместо нее возникает некоторая переходная^зона, где сохранена полосчатость от прокатки, а значительно^модифицированная крупнозернистая структура // гра­ ничите зоной переходной структуры. На рис. 16, а, б даны также кривые изменения микротвердости вместе с удалением от валика. Микротвердость замерялась в каждой клетке миллиметровой сетки вдоль одной и той же прямой. Непосредственно видно, что с повышением начальной равномерной температуры листа макси­ мальное значение твердости основного металла зоны валика при­ ближается к ее значению для основного металла вне зоны тер­ мического влияния. На рис. 17, а приведена кривая изменения

максимального значения микротвердости зоны термического влия­ ния в зависимости от начальной равномерной температуры Т0. Ри­ сунок показывает, что при Т0 = 350-н400° С наибольшая микро­ твердость зоны термического влияния и, следовательно, все другие

значениям для основного металла в исходном состоянии. Аналогич­ ные температуры без труда могут быть установлены для других сортов стали.

Таким образом, видим, что проблема управления механиче­ скими свойствами основного "металла Ьколбшовной зоны в случае,

когда температура объемных превращений этого металла выше его температуры Тк может быть решена повышением начальной равномерной температуры Т0 свариваемых элементов. Чем ближе Т0 к температуре Тк данного металла, т. е. чем меньше разность Тк — Т0, тем ближе значения механических характеристик основ­ ного металла, околошовной зоны к их значениям для основного металла вне зоны термического влияния. Но уменьшения разно­ сти Тк — Т0 в зоне шва в принципе можно добиться также и в том случае, когда начальная температура Т0 не является равномер­ ной. При этом закон распределения Т 0 должен быть таким, чтобы подогрев подлежащей сварке кромки элемента до Т0 не сопро­ вождался пластическими деформациями сжатия зоны нагрева. Лишь при выполнении этого условия повышение начальной тем­ пературы свариваемых элементов может привести к выравниванию механических характеристик основного металла зоны шва к их значениям для основного металла вне зоны термического влияния.

Изложенные здесь результаты позволяют сделать следующие выводы.

1. Проблема управления механическими свойствами основ­ ного металла околошовной зоны в случае, когда температура объемных превращений этого металла выше его температуры Тк, решается повышением начальной равномерной температуры Т0 свариваемых элементов. Чем ближе Т0 к температуре Тк, тем ближе значения механических характеристик металла зоны шва

выгиб и интенсивное охлаждение. Подробное описание всех этих методов можно найти в монографиях [52, 83].

О влиянии предварительного подогрева детали на сварочные напряжения в опубликованной литературе имеются лишь проти­ воречивые данные. В. П. Вологдин рекомендует предваритель­ ный нагрев до 200—250° С как профилактическое мероприятие, замедляющее скорость охлаждения металла зоны шва и преду­ преждающее закалку этой зоны [21 ] . Г. А. Николаев отмечает, что в лабораторных условиях было достигнуто значительное умень­ шение остаточных напряжений в результате подогрева до 200—

перед сваркой и в процессе сварки особенно необходимы как средство борьбы со структурными напряжениями». Принимая сварку с подогревом эквивалентной выполнению сварки при высо­ ких режимах, автор приходит к заключению, что если в случае узкой полосы «подогрев привел к улучшению напряженного со­ стояния, то подогрев при наплавке на широкую полосу привел к ухудшению напряженного состояния». Касаясь влияния режима сварки, Н. О. Окерблом утверждает, что «если при низких режи­ мах сварки подогрев, как правило, приводит к увеличению пла­ стических деформаций, то при высоких режимах сварки подогрев приводит к уменьшению пластических деформаций растяжения и даже к напряжениям сжатия». На основании этих соображений автор заключает, что «однозначного ответа о влиянии подогрева дать нельзя, так как это влияние зависит от размеров свариваемых элементов и выбранных режимов сварки. В общем виде можно сказать, что при тех размерах полос и тех режимах сварки, кото­

состояние, при размерах и режимах, создающих относительно широкую зону нагрева, подогрев улучшает напряженное состо­ яние».

Лютвеллер на основании своих исследований, а также Спрараген и Кордови [146] в дискуссии, посвященной вопросу влияния подогрева на сварочные напряжения, приходят к выводу, что наиболее эффективным является подогрев до Т0 = 200° С. Н. О. Окерблом [83] считает вывод этих авторов беспочвенным, частным и что применение подогрева целесообразно главным образом с «целью уменьшения скорости остывания и предотвра­ щения структурных напряжений». В одной из последующих ра­ бот [87], выполненных совместно с И. П. Байковой, Н. О. Окерб­ лом, определяя напряжения, возникающие при наплавке валика на кромку полос разной ширины из хрупкого материала при усло­ виях, когда при всех температурах материал сохраняет неизмен­ ными упругие свойства, он отмечает наличие предельной ширины полосы, при которой наступает разрушение. Н. О. Окерблом на основании расчетов приходит к выводам, что «с увеличением раз-

меров изделия сварочные напряжения растут и могут вызвать разрушение в процессе остывания после сварки» и что «подогрев изделия в процессе сварки существенно снижает сварочные напря­ жения».

Таким образом, мы видим, что по вопросу о влиянии предвари­ тельного подогрева на сварочные деформации и напряжения в на­ стоящее время нет единого мнения. Между тем, проведенные нами опыты дали вполне определенный и положительный ответ на этот вопрос [116]. В дальнейшем (гл. V I I и т. д.) для замера деформа­ ций используем методику, которая во избежание повторений при­ ведена ниже. Для опыта были взяты десять одинаковых листов

X-- ф — Ф — Ф — ( 3 —

+- - - Ф - - ф - - ё - - Ф - Н

'у

Рис. 18

стали типа СХЛ 250x150x10 мм, одинаково ориентированных по отношению к направлению прокатки. На соответственные про­ дольные кромки, совмещенные с осью х, первых девяти из них наплавлялся валик в одном и том же направлении и при одном и том же режиме. На лист № 1 до наплавки валика были приклеены проволочные датчики сопротивления У—8 в соответствии со схемой на рис. 18, а. Наплавка валика на кромку листа № 1 производи­ лась при нормальной температуре. Наплавка валика на соответ­ ственные кромки каждого из листов № 2—9 производилась после их предварительного равномерного нагрева в муфельной печи до назначенной начальной температуры Т0. Значения начальной равномерной температуры Т0 в момент начала и окончания на­ плавки указаны ниже.

Изменение температуры в центре каждого из этих листов кон­ тролировалось термопарой. После наплавки валика и последую­ щего остывания на обратную сторону листа № 1 и на листы № 2— 9, а также на лист № 10, который не был подвергнут предваритель­ ному нагреву и наплавке на кромку, были приклеены проволочные датчики сопротивления /—16 в соответствии со схемой на рис. 18, б. Лист № 10 был использован для выяснения наличия начальных напряжений в исходных листах. На строгальном станке снятием тонкой стружки были вырезаны все датчики этого листа по их

контурам. При этом показания всех этих датчиков до и после вырезки оказались одинаковыми. Из этого следует, что использованные листы были свободны от начальных на­ пряжений. Показания датчиков

того же листа после вырезки. Этот факт является достаточным, чтобы утверждать, что способ вырезки не оказывал заметного влияния на показания датчиков. Таким же способом были полу­ чены значения деформаций в точках других листов. Для иллю­ страции на рис. 19 приведены кривые изменения продольных деформаций в точках поперечного сечения х — 100 мм вместе с изменением начальной температуры Т0, где точки сие, по-види­ мому, выпали. Для сечений х = 50 мм, х = 150 мм, х = 200 мм получены аналогичные кривые [116]. Эти кривые подтверждают тот факт, что сварочные деформации и напряжения могут быть практически исключены повышением начальной равномерной тем­ пературы свариваемых элементов до температуры Тк данного металла. Более того, эти кривые показывают на возможность уменьшения сварочных деформаций и напряжений на 60—70% путем начального равномерного нагрева свариваемых элементов до температуры синеломкости. Действительно, все эти кривые имеют более или менее резкий перелом при температурах, лежа­ щих вблизи 330—350° С. Это можно объяснить следующим обра­ зом. Известно, что характеристики пластичности б и i|) металлов,

подверженных старению, при температуре синеломкости прини­ мают свои минимальные значения в интервале температур от нор­ мальной до Г ^ Тк. Последующие опыты показали, что синелом­ кость рассматриваемой стали имеет место в интервале температур 200—400° С, причем наибольшее понижение характеристики пла­ стичности -ф при Т = 270-г-ЗОО0 С достигает 10% ее нормального значения. На кривых, приведенных на рис. 19, указанный выше перелом имеет место внутри интервала 300 < Г < 350° С. Равно­ мерный нагрев листа до температуры синеломкости Тс перед наплавкой (сваркой) может привести не только к снятию недопущенных температурных деформаций, которые могли бы быть на­ коплены к моменту достижения температуры синеломкости Тс при наплавке на лист, имеющий начальную нормальную равно­ мерную температуру. Такой нагрев приведет также к относительно меньшим сварочным деформациям и напряжениям.

Вместе с тем, кривые на рис. 19 показывают, что дальнейшее повышение начальной температуры до Т0 = Тс + (100-4-150)° С не имеет практического смысла, так как получающиеся при этом сварочные деформации и напряжения или превосходят значения при Т0 = Тс или оказываются приблизительно такими же.'

Очевидно, что полученные результаты будут иметь силу для достаточно жесткого листа любых размеров из металлов рассматри­ ваемого класса (п. 26), свободного от начальных макронапряжений и имеющего повышенную начальную равномерную температуру или, другими словами, сварочные деформации и напряжения в этом случае будут уменьшаться независимо от геометрических размеров свариваемых элементов достаточной жесткости вместе с повыше­ нием их начальной равномерной температуры Т0. Если начальная равномерная температура свариваемых элементов близка к темпе­ ратуре Тк их металла, то после сварки и последующего равномер­ ного остывания сварочные деформации и напряжения практически будут отсутствовать. Если начальная равномерная температура свариваемых элементов, свободных от начальных напряжений первичной термообработки, близка к температуре синеломкости их металла, то сварочные деформации и напряжения после осты­ вания будут на 60—70% меньше значений, получающихся после сварки при нормальной начальной температуре.

Повышение начальной равномерной температуры свариваемых элементов приводит к уменьшению сварочных деформаций и на­ пряжений потому, что с ее повышением, т. е. с уменьшением раз­ ности температур Тк — Т0, уменьшается величина температурных пластических деформаций сжатия при наплавке (или сварке). Очевидно, что уменьшения разности Тк — Т0 можно добиться не только за счет начального равномерного нагрева элементов, подлежащих сварке. Эту разность можно в принципе уменьшить также при помощи такого начального неравномерного нагрева свариваемых элементов такой достаточной жесткости, что этот нагрев вызовет только малые перемещения с их малыми производ-

ными (п. 10) и не сопровождается появлением температурных пла­ стических деформаций сжатия.

Таким образом мы установили, что для металлов рассматривае­ мого класса разность Тк — Т0 является тем физическим пара­ метром, изменением которого можно управлять как сварочными деформациями и напряжениями, так и механическими свойствами основного металла зоны шва, где геометрия соответствующей изо­ термической поверхности Тк будет определяться формой и раз­ мерами свариваемых деталей, мощностью источника, скоростью его перемещения и теплофизическими характеристиками металла (п. 4, 8, 9). Это положение используется для построения прибли­ женной теории сварочных деформаций и напряжений. Оно может быть использовано также на практике для* уменьшения или исклю­ чения сварочных деформаций (напряжений). Например, на основе этого положения на Ленинградском заводе им. М. В. Ломоносова разработана и внедрена в производство технология различных способов сварки кварцевого стекла, обеспечивающая отсутствие сварочных деформаций и напряжений.

Полученные в этом параграфе результаты для элементов доста­ точной жесткости, изготовленных из металлов рассматриваемого класса и свободных от начальных макронапряжений, позволяют сделать следующие выводы.

1.Повышение начальной равномерной температуры свари­ ваемых элементов приводит к уменьшению остаточных сварочных деформаций и напряжений. Если начальная равномерная темпе­

ратура свариваемых элементов близка к температуре Тк их ме­ талла, то остаточные сварочные деформации и напряжения в таком сварном соединении практически будут отсутствовать. При этом статические механические характеристики основного металла зоны шва после сварки и остывания будут такими же, как и всюду вне зоны термического влияния (п. 24, 25, 27). Если начальная равномерная температура свариваемых элементов близка к темпе­ ратуре синеломкости их металла, то остаточные сварочные дефор­ мации и напряжения будут на 60—70% меньше значений, полу­ чающихся после сварки при нормальной температуре. Механиче­ ские, характеристики металла зоны шва при этом также будут значительно улучшены.

2.Неравномерный нагрев подлежащих сварке элементов до

заданной температуры Т00 на кромках, не сопровождающийся пластическими деформациями и вызывающий лишь малые пере­ мещения и малые деформации, в зависимости от велиичины Т00 или исключает возможность появления остаточных сварочных деформаций и напряжений, или уменьшает их.

3. Повышение начальной температуры Т0 за температуру си­ неломкости по крайней мере до Тс + (100 -f-150)° С не имеет прак­ тического смысла, так как получающиеся при этом остаточные сварочные деформации (напряжения) или превосходят значения при Т0 — Тс, или оказываются приблизительно такими же.

4.Разность Тк — Г 0 для данного металла рассматриваемого класса является тем исходным физическим параметром, который определяет как остаточные сварочные деформации и напряжения, так и необратимые изменения механических свойств основного металла зоны сварного шва к моменту полного остывания. Этот факт лежит в основе предлагаемой приближенной теории свароч­ ных деформаций и напряжений.

5.Из изложенного следует, что сварка при пониженных темпе­ ратурах Т0 <С 0 приводит к относительно большим сварочным

трещин как в наплавленном металле, так и в основном металле околошовной зоны.