СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ

ПРОБЛЕМА УПРАВЛЕНИЯ СВАРОЧНЫМИ ДЕФОРМАЦИЯМИ (НАПРЯЖЕНИЯМИ) И ОДНО ИЗ ЕЕ РЕШЕНИЙ

В настоящее время для снятия или уменьшения сварочных напряжений рекомендуют предварительное нагружение сварного соединения, проколачивание (проковка), последующую терми­ческую обработку, термопластический метод, предварительный 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 проти­воречивые данные. В. П. Вологдин рекомендует предваритель­ный нагрев до 200—250° С как профилактическое мероприятие, замедляющее скорость охлаждения металла зоны шва и преду­преждающее закалку этой зоны [21 ]. Г. А. Николаев отмечает, что в лабораторных условиях было достигнуто значительное умень­шение остаточных напряжений в результате подогрева до 200— 250° С металла, прилегающего к шву (см. стр. 168 в работе [77]).

Н. О. Окерблом [83] считает, что «подогрев свариваемых деталей перед сваркой и в процессе сварки особенно необходимы как средство борьбы со структурными напряжениями». Принимая сварку с подогревом эквивалентной выполнению сварки при высо­ких режимах, автор приходит к заключению, что если в случае узкой полосы «подогрев привел к улучшению напряженного со­стояния, то подогрев при наплавке на широкую полосу привел к ухудшению напряженного состояния». Касаясь влияния режима сварки, Н. О. Окерблом утверждает, что «если при низких режи­мах сварки подогрев, как правило, приводит к увеличению пла­стических 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, кото­рые создают относительную узкую зону нагрева (по сравнению с общей шириной элемента), — подогрев ухудшает напряженное состояние, при размерах и режимах, создающих относительно широкую зону нагрева, подогрев улучшает напряженное состо­яние».

Лютвеллер на основании своих исследований, а также Спра - раген 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 предотвра­щения структурных напряжений». В одной из последующих ра­бот [87], выполненных совместно с И. П. Байковой, Н. О. Окерб­лом, определяя напряжения, возникающие при наплавке валика на кромку полос разной ширины из хрупкого материала при усло­виях, когда при всех температурах материал сохраняет неизмен­ными 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 напря­жения».

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

-«>—Ф-Ф-ег 13 114 . ]15 11В

-ф—Ф ф - ф-

9 ]10 н 112

- % % 1*7 %

:—У tS

50 I 50 ! 50 I 50 1 50

Рис 18

стали типа СХЛ 250x150x10 мм, одинаково ориентированных по отношению к направлению прокатки. На соответственные про­дольные 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 1—8 в соответствии со схемой на рис. 18, а. Наплавка валика на кромку листа № 1 производи­лась при нормальной температуре. Наплавка валика на соответ­ственные 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 на­плавки указаны ниже.

N° листа Го в °С

1 . 18

2 . 120—140

3 210—215

4 330—330

5 . 370—345

6 . 530—475

7 . 560—530

8 . . 670—625

9 . . 750—705

1 0 18

Изменение температуры в центре каждого из этих листов кон­тролировалось термопарой. После наплавки валика и последую­щего остывания на обратную сторону листа № 1 и на листы № 2— 9, а также на лист № 10, который не был подвергнут предваритель­ному нагреву и наплавке на кромку, были приклеены проволочные датчики сопротивления 1—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 на­пряжений. Показания датчиков

01—08 листа № 1 (рис. 18, а) после сварки до их вы­

резки оказались одинаковыми с показаниями датчиков 1—8 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 полу­чены значения деформаций в точках других листов. Для иллю­страции 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 тем­пературы 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, лежа­щих вблизи 330—350° С. Это можно объяснить следующим обра­зом. Известно, что характеристики пластичности 6 и ф металлов,

подверженных старению, при температуре синеломкости прини­мают свои минимальные значения в интервале температур от нор­мальной до Тк. Последующие опыты показали, что синелом­кость рассматриваемой стали имеет место в интервале температур 200—400° С, причем наибольшее понижение характеристики пла­стичности ф при Т = 270 - т-3000 С достигает 10% ее нормального значения. На кривых, приведенных на рис. 19, указанный выше перелом имеет место внутри интервала 300 <7^ 350° С. Равно­мерный нагрев листа до температуры синеломкости Тс перед наплавкой (сваркой) может привести не только к снятию недопу- щенных температурных деформаций, которые могли бы быть на­коплены к моменту достижения температуры синеломкости Тс при наплавке на лист, имеющий начальную нормальную равно­мерную температуру. Такой нагрев приведет также к относительно меньшим сварочным деформациям и напряжениям.

Имеете с тем, кривые на рис. 19 показывают, что дальнейшее повышение начальной температуры до Т0 — Тс + (100-^-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 рассматри­ваемого 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 повыше­нием их начальной равномерной температуры Т0. Если начальная равномерная температура свариваемых элементов близка к темпе­ратуре Тк их металла, то после сварки и последующего равномер­ного 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 осты­вания 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 на­пряжений потому, что с ее повышением, т. е. с уменьшением раз­ности 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 производ­ными (п. 10) и не сопровождается появлением температурных пла­стических деформаций сжатия.

Таким образом мы установили, что для металлов рассматривае­мого класса разность Тк — Т0 является тем физическим пара­метром, изменением которого можно управлять как сварочными деформациями и напряжениями, так и механическими свойствами основного металла зоны шва, где геометрия соответствующей изо­термической поверхности Тк будет определяться формой и раз­мерами свариваемых деталей, мощностью источника, скоростью его перемещения и теплофизическими характеристиками металла (п. 4, 8, 9). Это положение используется для построения прибли­женной теории сварочных деформаций и напряжений. Оно может быть использовано также на практике для уменьшения или исклю­чения 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 доста­точной жесткости, изготовлен и ых из металлов рассматриваемого класса и свободных от начальных макронапряжений, позволяют сделать следующие выводы.

1. Повышение начальной равномерной температуры свари­ваемых элементов приводит к уменьшению остаточных сварочных деформаций и напряжений. Если начальная равномерная темпе­ратура свариваемых элементов близка к температуре Тк их ме­талла, 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 темпе­ратурі синеломкости их металла, то остаточные сварочные дефор­мации и напряжения будут на 60—70% меньше значений, полу­чающихся после сварки при нормальной температуре. Механиче­ские 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 пере­мещения и малые деформации, в зависимости от велиичины 7’00 или исключает возможность появления остаточных сварочных деформаций и напряжений, или уменьшает их.

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

4. Разность Тк — Т0 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 свароч­ных деформаций и напряжений.

5. Из изложенного следует, что сварка при пониженных темпе­ратурах Т0 •< 0 приводит к относительно большим сварочным напряжениям (деформациям), чем сварка при Т0 >0, и наравне с другими причинами [74, 751 может привести к образованию трещин как в наплавленном металле, так и в основном металле околошовной зоны.