1.3.1 Методы уменьшения сварочных напряжений

В основе известных методов уменьшения сварочных напряжений и искажений форм сварных конструкций лежат три основных способа их регулирования:

1. Уменьшение объема металла, вовлекаемого в пластическую деформацию на стадии его нагрева, и уменьшение самой пластической деформации.

2. Создание в зонах пластических деформаций, возникающих от нагрева, дополнительных деформаций противоположного знака. Это может быть выполнено как при остывании, так и после полного охлаждения.

3. Компенсация возникающих деформаций и перемещений путем симметричного расположения швов, создания дополнительных зон пластических деформаций, предварительного перемещения, обеспечение свободной усадки и др.

Рассмотрим некоторые методы

- Подогрев при сварке изменяет поля температуры и сварочных деформаций, а также в ряде случаев и свойства металла, воздействуя на термический цикл. При этом изменяются напряжения, создаваемые структурными превращениями. В отношении пластических деформаций подогрев, с одной стороны, уменьшает предел текучести, модуль упругости и перепад температур. Это способствует уменьшению максимальных остаточных напряжений. С другой стороны, он расширяет зону пластических деформаций. При подогреве до очень высоких температур, при которых предел текучести мал, остаточные напряжения также весьма малы.

- Проковка применяется как в процессе сварки по остывающему металлу, так и после полного остывания. Проковкой осаживают металл по толщине, создавая пластические деформации удлинения в плоскости, перпендикулярной направлению удара. Этим достигают уменьшения растягивающих или даже появление сжимающих остаточных напряжений. Эффект от проковки зависит от температуры, количества теплоты, которое выделяется при проковке, и значения пластической деформации. Если температура в зоне проковки выше, чем в остальном (непрокованном) металле, то в процессе последующего остывания и температурного сокращения металла, сжимающие напряжения будут уменьшаться и могут перейти даже в растягивающие. При холодной проковке нагрев обычно невелик и можно создать высокие сжимающие напряжения.

- При импульсной обработке взрывом используют заряды ленточного типа, которые укладывают на обрабатываемые поверхности. Взрыв, который проводят в специальной камере, создает напряжения в поверхностном слое. Применяется как средство повышения выносливости сварных соединений при переменных нагрузках. При такой обработке происходит перераспределение остаточных напряжений.

- Прокатка зоны сварного соединения используется главным образом для уменьшения остаточных перемещений или для заглаживания швов. В местах прокатки растягивающие напряжения уменьшаются и могут стать сжимающими.

- Приложение нагрузок. Во время сварки нагрузки прикладывают так, чтобы в зоне сварки создать растягивающие напряжения. Это уменьшает остаточные напряжения растяжения и усадочную силу. Если нагружение производится после сварки, необходимо, чтобы напряжения от нагрузки складывались с остаточными растягивающими напряжениями и вызывали пластические деформации. Для полного снятия напряжения от нагрузки должны быть близки к пределу текучести металла, что обычно трудно достижимо. Применяют как статическое, так и вибрационное нагружения.

- Создание неравномерных нагревов и охлаждений. Если создать с двух сторон сварного соединения нагретые зоны, как показано на рис. 04-02а, то металл, расширяясь, вызовет растяжение вдоль шва и сжатие поперек шва (рис. 04-02б). Такая схема напряжений благоприятна для протекания пластических деформаций в направлении вдоль шва, что как раз необходимо для снятия остаточных растягивающих напряжений. Перемещая зоны нагрева, как показано стрелкой на рис. 04-02а, охлаждая металл позади источника теплоты, процесс может быть непрерывным.

Если создать концентрированное охлаждение участка с растягивающими напряжениями, то но будет сокращаться и вызывать суммирование остаточных напряжений с растягивающими напряжениями от охлаждения. Это вызовет пластическую деформацию и последующие снижение остаточных напряжений после выравнивания температур.

Местный концентрированный нагрев отдельных зон применяют, чтобы вызвать усадку металла в месте нагрева и создать напряжения сжатия в соседних зонах.

- Отпуск сварных конструкций применяют для изменения структуры и свойств металла и снижения остаточных напряжений. Такое применение целесообразно, если предъявляются повышенные требования к прочности сварной конструкции и точности ее размеров при последующей эксплуатации. Кроме того, иногда целесообразно восстановить пластические свойства в зонах, где концентрировались пластические деформации при сварке, а также повысить сопротивляемость хрупким разрушениям. В остальных случаях применение отпуска не рекомендуется из-за удорожания стоимости производства конструкций. Различают общий, местный, поэтапный и поэлементный отпуск.

Общий отпуск, когда равномерно нагревают изделие целиком.

Местный отпуск – нагревают лишь часть конструкции в зоне сварного соединения.

Поэтапный отпуск – источник нагрева движется вдоль конструкции и последовательно нагревает ее участки.

Поэлементный отпуск – термической обработке подвергают узлы сварной конструкции, а затем сваривают их между собой.

Основное достоинство отпуска как метода снижения остаточных напряжений в том, что он не вызывает пластических деформаций, которые уменьшали бы пластичность металла. Операция отпуска состоит из четырех стадий: нагрева, выравнивания температур, выдержки и остывания. Напряжения снимаются в основном на стадии нагрева.