Технологические мероприятия по снижению остаточных сварочных напряжений и деформаций

Технологические мероприятия по снижению остаточных сварочных напряжений и формоизменения конструкций можно условно разделить на две группы:

1) не требующие дополнительных компенсационных воздействий,

2) связанные с дополнительными силовыми либо температурными воздействиями на конструкцию.

Основное содержание мероприятий первой группы связано с рациональным выбором последовательности сборки и сварки конструкции, а также режимов сварки, обеспечивающих качественное формирование швов заданного сечения в сочетании,по возможности, с благоприятным влиянием на уровень остаточных напряжений и формоизменение конструкций. Такие мероприятия не требуют, как правило, дополнительных ресурсов. Мероприятия второй группы сопряжены с привлечением дополнительных силовых либо температурных воздействий, которые можно разделить на дополнительные воздействия перед сваркой, в процессе сварки и после сварки. С помощью этих мероприятий можно управлять уровнем остаточных напряжений и формоизменением конструкций в широких пределах, однако расходы на их реализацию могут в несколько раз превышать остальные расходы, связанные с изготовлением сварной конструкции. Поэтому в каждом конкретном случае выбор технологических мероприятий требует серьезного внимания при технологической подготовке производства.

Дополнительный компенсационный нагрев (термическая правка) заключается в нагреве элемента со стороны выпуклости. Его преимущества следующие: невысокие энергетические затраты, высокая технологичность и управляемость процесса, широкие возможности для механизации и автоматизации.

Обратный выгиб - эффективный метод для компенсации сварочных деформаций в конструкциях с относительно небольшой изгибной жесткостью, например, при аварке в тонкостенные оболочки различных фланцев, патрубков и т. п.

Предварительный подогрев зоны сварки либо всего свариваемого узла является одним из распространенных способов снижения уровня остаточных напряжений. Однако предварительный равномерный подогрев обычно увеличивает размеры зоны пластических деформаций, т.е. объемы продольного и поперечного укорочения, и поэтому является неблагоприятным мероприятием с позиции формоизменения.

Дополнительное охлаждение (технологически трудоемкое) свариваемого изделия, уменьшая продольную и поперечную усадку, способствует снижению сварочных деформаций, искажения размеров и формы изделия. Известны следующие способы уменьшения деформаций тонколистовых изделий:

• подачей воды при контактной сварке;
• обдувом газоводяной смесью при некоторых других способах сварки;
• использование охлаждаемых подкладок и накладок в зажимных приспособлениях, теплоотводящих паст и другие приемы дополнительного охлаждения.

Проковка сварных швов - это метод для уменьшения продольных и поперечных напряжений, а также для уменьшения продольной и поперечной усадки зоны сварного шва. В последние годы получила развитие проковка с помощью ультразвукового ударною инструмента, отличающаяся меньшими шумовыми эффектами по сравнению с ударным пневматическим инструментом и более высокими возможностями для управления.

Сварка с силовым растяжением - метод снижения сварочных деформаций тонко- листовых конструкций, а также уровня остаточных напряжений. Он заслуживает особого внимания при сварке набора с полотнищем тонкостенных плоских конструкций из алюминиевых сплавов. Использование начальных растягивающих напряжений в полотнище и ребрах большой протяженности обеспечивает качественную сборку, отклонение от прямолинейности ребер и полотнища не более 0,5 мм на базе 2 м и зазоры в соединении не более 0,1 мм. При этом резко снижаются деформации бухтиноватности после приварки ребер к полотнищу.

Существенный недостаток этого способа- необходимость в специальном оборудовании для нагружения свариваемых элементов.

Правка сварных конструкций применяется, когда конструктивные и технологические мероприятия, описанные выше, не позволяют по тем или иным техническим или зкономическим причинам получить деформации в пределах допуска. Она заключается в пластическом удлинении волокон укороченных частей конструкции (обычно в зоне сварных соединений), либо укорочении волокон участков конструкции, имеющих излишнюю длину.

Правку можно проводить холодным методом (механическим воздействием), тепловым и комбинированным методами (кратковременные нагревы с механическим воздействием). Холодный метод правки обычно используется для удлинения волокон зоны сварных соединений, а тепловой и комбинированный - для укорочения волокон основного металла с целью компенсации укорочения в зоне сварных соединений.

Термическая обработка отпуском в зажимных приспособлениях позволяет одновременно устранять остаточные напряжения и деформации. С этой целью конструкцию обычно сваривают в жестком приспособлении, которое обеспечивает при сварке сохранение необходимых размеров и формы. Затем проводят термообработку конструкции отпуском вместе с приспособлением, в противном случае освобождение конструкции будет сопровождаться определенными упругими деформациями, которые в ряде случаев не соответствуют допускаемым.

Рациональный режим отпуска следует назначить исходя из рекомендаций по релаксации напряжений для данного материала.

Отпуск сварных конструкций - это наиболее распространенная операция для снижения остаточных сварочных напряжений и улучшения структуры и свойств металла с целью повышения эксплуатационных свойств сварных конструкций.

Термообработка отпуском целесообразна для сварных конструкций, изготовление которых связано с последующей обработкой резанием и повышенными требованиями в отношении точности. Отпуск также необходим, если к сварной конструкции предъявляются повышенные требования стабильности формы и геометрических размеров при эксплуатационном нагружении. Кроме того, его назначают для повышения сопротивления хрупким разрушениям при низких температурах, стойкости против коррозионного растрескивания и для получения требуемых свойств.

Большие затраты на отпуск крупных сварных конструкций, связанные с необходимостью оснащения предприятий соответствующими крупными печами, обусловливает применение в целом ряде случаев местного отпуска сварных конструкций, когда зона сварного шва нагревается до температуры отпуска с помощью различных местных (локальных) нагревательных устройств и достаточно медленно охлаждается. Эффективность такой термообработки в каждом конкретном случае существенно зависит от тщательности проведенной операции нагрева и охлаждения термообрабатываемой зоны, т.е. требует внимательного подхода к выбору устройств и режимов нагрева, а также соответствующего контроля за исполнением.

Статическое нагружение силовой нагрузкой как метод снижения остаточных сварных напряжений известно достаточно давно. Сущность его заключается в том, что при силовом нагружении в результате взаимодействия остаточных напряжений с напряжением от внешней нагрузки появляются дополнительные пластические деформации, способствующие релаксации остаточных сварочных напряжений. При этом (в зависимости от знака и направления внешней нагрузки) релаксация остаточных напряжений происходит за счет либо уменьшения пластических деформаций укорочения, вызванных сваркой, либо пластического удлинения периферийных волокон. В реальных условиях многоосного напряженного состояния условия возникновения пластического течения и релаксации остаточных напряжений более сложны. Однако качественная картина остается подобной описанной выше.

Основной недостаток этого метода- необходимость в достаточно сложном и громоздком оборудовании. Кроме того, при наличии существенных геометрических неоднородностей трудно добиться необходимого распределения внешних напряжений для эффективного снижения остаточных напряжений в различных участках конструкции.

Импульсное и вибрационное нагружение находит в последние годы все большее распространение для снижения уровня остаточных сварочных напряжений. Механизм релаксации здесь во многом подобен механизму релаксации при статическом нагружении, однако эти способы часто более технологичны. Невысокая стоимость оборудования и возможность локальной обработки позволяет их использовать в достаточно общих условиях.

Ряд рассмотренных технологических методов снижения остаточных напряжений и формоизменения конструкций (ультразвуковая ударная обработка, термический отпуск, статическое, импульсное и вибрационное натружение) применяются также для повышения сопротивления усталости сварных соединений.