Уменьшение сварочных деформаций, напряжений и перемещений

Рациональное конструирование.За счет выбора размеров и расположения сварных швов можно добиться существенного уменьшения коробления конструкции. Для этого следует назначать минимальные получающиеся из расчета на прочность катеты угольных швов; обеспечивать мак­симальную жесткость конструкции к моменту сварки швов; рас­полагать швы симметрично для взаимной компенсации переме­щений от отдельных швов.

Некоторые из перечисленных приемов могут приводить к ро­сту напряжений (сварка в жестком контуре) или снижать каче­ство металла шва (сварка с минимальным катетом шва).

В некоторых случаях можно компенсировать перемещения при сварке за счет предварительных искажений формы деталей противоположного знака. В случае неизбежности перемещений при сварке в конструкции должен быть обеспечен доступ для последующей правки.

Рациональная технология сборки и сварки. Существенное уменьшение остаточных перемещений может быть достигнуто за счет сборки в жестком приспособлении или на прихватках перед началом сварки, за счет рациональной после­довательности наложения швов, а также за счет выбора способа и режима сварки с минимальной погонной энергией. При много­проходной сварке погонная энергия существенно ниже, чем при однопроходной сварке такого же шва, а при контактной, лазер­ной и электронно-лучевой — ниже, чем при дуговой. Следует задавать размеры заготовок с учетом последующей усадки или предварительно создавать в заготовках деформации противопо­ложного знака.

Пластическое деформирование после сварки. Этот прием применяется в основном для правки конструкции. Чаще всего деформация осуществляется за счет сжатия шва и околошовной зоны в направлении толщины сваренных пластин. При этом уменьшается усадка шва, образовавшаяся после сварки. Одновременно снижаются продольные остаточные на­пряжения в шве. Применяются различные способы деформиро­вания: прокатка роликами, проковка, обработка взрывом.

Обработка может быть осуществлена как после полного остывания, так и сразу после сварки (например, роликом, дви­жущимся вслед за дугой или сварочным электродом при точеч­ной контактной сварке).

Недостатком всех указанных методов является снижение пластичности деформируемой зоны.

Усилие, которое необходимо приложить к роликам для сни­жения до нуля остаточных растягивающих напряжений, близких к пределу текучести, определяется по формуле

P=s √10,1dδσ_T³/E, (5.17)

где s, d - ширина и диаметр рабочей поверхности ролика; σ_T, E, δ - предел текучести, модуль упругости и толщина прокаты­ваемого материала.

В случае невозможности прокатать шов и околошовную зону за один проход ролика прокатку осуществляют более уз­ким роликом начиная со шва, с переходом на околошовную зону. Если шов или часть околошовной зоны недоступны для про­катки, то можно добиться устранения усадки шва за счет уве­личения усилия прокатки доступной части. При этом в прока­танной части создаются напряжения сжатия, а в непрокатанной части сохраняются растягивающие напряжения.

Применяются также растяжение вдоль оси шва, изгиб (для балок) и другие схемы деформирования. Уменьшение напряже­ний может быть достигнуто за счет вибрационной обработки сварного изделия.

Термическая обработка. Для снижения остаточных напряжений и перемещений приме­няют как общий нагрев конструкции (отпуск или отжиг), так и местный неравномерный нагрев. Достоинством отпуска явля­ется снижение напряжений во всех точках тела независимо от сложности его формы, без снижения пластичности металла.

Термический цикл отпуска состоит из нагрева, выравнива­ния температур, выдержки при заданной температуре и охлаж­дения. Большая часть снижения напряжений происходит уже на стадии нагрева и определяется температурой отпуска. Чем выше температура отпуска, тем полнее устраняются напряже­ния, однако при этом снижается прочность металла.

Температуры отпуска, обеспечивающие существенное сни­жение остаточных напряжений для углеродистых сталей 580— 680 °С, для аустенитных сталей 850—1050 °С, для сплавов магния и алюминия 250—300 °С, для титановых сплавов 1100—1200 °С. Виды отпуска и закономерности снижения на­пряжений подробно рассмотрены в работе [3]. Если отпуск или отжиг детали осуществляются в зажимном приспособлении, то одновременно со снятием напряжений осуществляется правка.

Местные нагревы и охлаждения различных зон сварного соединения применяют как для правки, так и для перераспреде­ления напряжений. Этот метод аналогичен пластическому деформированию детали.