Методы уменьшения остаточных напряжений

 

По объему применения отпуск сварных машиностроительных конструкций превосходит все остальные методы снижения остаточных сварочных напряжений. Его основное преимущество - существенное снижение напряжений во всей конструкции.

Отпуском сварных конструкций называют их термическую обработку после сварки, состоящую из нагрева и выдержки при температуре не выше А_С1. Его можно рассматривать одновременно/ и как отпуск закаленных участков металла, и как отжиг для восстановления пластических свойств металла и снижения остаточных напряжений. Для стальных конструкций применяют высокий отпуск (400-690°С и выше).

Различают общий отпуск, когда равномерно нагревают все изделие, и местный отпуск, когда нагревают лишь часть конструкции в зоне сварного соединения. Наибольшее распространение получил общий отпуск. Рассмотрим вначале общий отпуск, который проводят в специальных термических печах.

Отпуск состоит из трех этапов: нагрева (1, рис 6.3), выдержки (2) и охлаждения (3). Продолжительность нагрева изделия по всему объему до температуры отпуска Т_отп определяется его размерами, теплофизическими свойствами и характеристиками печи. Продолжительность выдержки при постоянной температуре всего изделия Т_отп зависит от скорости протекания структурных превращений и необходимой степени снижения остаточных напряжений.

 

 

Рисунок 6.3 – Термический цикл отпуска и снижение остаточных напряжений во времени

 

Продолжительность охлаждения определяется скоростью охлаждения, которая влияет на свойства металла, и допустимой степенью неравномерности температурного поля. При большой разности температуры поверхности Т_п и центра изделия (глубинных зон) Тц могут образоваться значительные временные напряжения, приводящие к дополнительным пластическим деформациям, а, следовательно, и остаточным напряжениям.

На этапе нагрева и выдержки образуются необратимые пластические деформации и деформации ползучести, что и приводит к снижению напряжений. Пластические деформации происходят в результате протекания сдвиговых процессов, а деформация ползучести - в результате диффузионных.

Снижение остаточных напряжений в основном происходит, в период нагрева за счет сдвиговых пластических деформаций.

Распределение напряжений в сварном соединении после сварки неравномерно, поэтому их снижение происходит с различной скоростью.

В период выдержки происходит релаксация напряжений. Определяющими являются диффузионные процессы, поэтому напряжения снижаются медленно. Выдержка сверх нескольких часов неэффективна. При необходимости достигнуть более существенного понижения напряжений следует повышать температуру отпуска Т_отп. Повышение Т_атп на 50 °С дает эффект, соизмеримый с эффектом, получаемым при продолжительности выдержки, равным многим десяткам часов. Например, в стали Ст3 при Т_отп = 600 °С и времени цикла 4 ч напряжения снижаются от  до 0,04 .

На этапе остывания одновременно происходит релаксация напряжений и рост напряжений за счет увеличения модуля упругости, поэтому напряжения остаются приблизительно постоянными (см. рис. 6.3).

Пример.

Плоская секция, размеры поперечного сечения которой изображены на рис. 6.4, подвергается обратному выгибу перед сваркой с целью устранения остаточного прогиба. Определить стрелку выгиба при общем и раздельном способах выгиба, если сварные швы с катетом 6 мм выполнялись последовательно, а длина полотнища равна 10 м. Материал – углеродистая сталь Ст3.

 

 

Решение.

Для определения стрелки обратного выгиба необходимо знать f _св, J_z. и J₀ согласно формулам (6.1) и (6.2). Найдем положение центра тяжести поперечного сечения секции

см.

По формуле (3.25) погонная энергия сварки

 

q_n = 7250 K ² = 7250∙0,36 = 2600 кал/см.

 

Момент инерции поперечного сечения относительно оси z

см⁴.

Прогиб секции от сварки определим по формуле (3.2) с учетом формул (3.19), (3.3.25)

см.

При этом вогнутость будет со стороны листа секции. Далее найдем момент инерции J о, для чего необходимо вычислить величины F _t, и b _т, по формулам (3.12) и (3.13):

 

6,6 см²;

см².

Момент инерции сечения

 

J ₀ = J _z –4 J_{F T},

 

где J_FT – момент инерции площади F _т1,2 относительно оси z.

Для вычисления J _FT обратимся к рисунку 3.4, из которого видно, что часть площади F _T, приходящейся на лист, может быть найдена следующим образом:

 

(2b_т1 + d) d_л = (2∙3,65 + 0,6 + 0,6) 0,6 = 5,1 см².

Ширина этой площади

(2b_т1 + d) = 2∙3,65 + 0,6 + 0,6 = 8,5 см.

 

Тогда

 см⁴

 

Момент инерции сечения

J о = 728 – 46.0 = 682 см⁴.

 

По формуле (6.1) величина обратного выгиба

 

 см.

Величину раздельного обратного выгиба определим по формуле (3.59)

 

 см.

Таким образом, для устранения сварочных деформаций изгиба следует применять раздельный обратный выгиб деталей полотнища, поскольку величина обратного выгиба всего полотнища в целом, собранного на прихватах, очень велика и практически неосуществима.

В заключение необходимо проверить напряжения, возникающие в деталях секции при их выгибе. Так как наибольшей жесткостью обладает ребро, то при одинаковой величине прогиба ребер и листа в ребрах будут возникать наибольшие напряжения. Известно, что при чистом изгибе бруса величина его прогиба связана с изгибающим моментом по зависимости

 

Приравняв f = f _выг, найдем М, а по нему напряжения в крайних волокнах ребра полотнища

 

 кгс/см².

 

Поскольку величина напряжений меньше предела текучести, то найденное значение величины обратного раздельного выгиба вполне приемлемо.

 

Контрольные вопросы

1. Опишите механизм снижения остаточных продольных напряжений при сварке встык пластин с предварительным растяжением.

2. Как изменяется эпюра остаточных продольных напряжений при сварке с предварительным растяжением?

3. Каким должно быть предварительное растяжение, чтобы после сварки отсутствовали остаточные продольные напряжения?

4. Как должны быть расположены сварные швы, чтобы после сварки конструкция имела минимальные деформации изгиба?

5. Как влияет последовательность выполнения поясных 'швов сварной двутавровой балки на ее остаточный прогиб?

6. Какова эффективность снижения деформаций при сварке в зажимных приспособлениях.

7. Опишите механизм снижения остаточных деформаций и напряжений при статическом нагружении сварного соединения.

8. В чем состоит сущность способа снижения сварочных деформаций и напряжений прокаткой роликами сварного соединения?

9. В чем состоит способ вибрационной обработки сварных соединений?

10. Какой вид термической обработки применяется для снижения напряжений?

11. Опишите процесс снижения деформаций при термообработке.

12. Приведите формулы для определения величины раздельного обратного выгиба.