Регулирование и устранение сварочных напряжений

Все известные методы борьбы со сварочными деформациями в той или иной мере изменяют напряженное состояние.

Если основным требованием является устранение деформаций, то перераспределением напряжений обычно не интересуются. И наоборот, устраняя остаточные напряжения, не придают особого значения деформациям (перемещениям) сварной конструкции, хотя последние при этом могут изменяться. Разделение методов борьбы со сварочными напряжениями и деформациями на две группы является условным и зависит от основного назначения того или иного метода.

Предварительный и сопутствующий подогрев при сварке снижает тепловложение при сварке для образования сварного соединения. При этом уменьшаются размеры зон, нагреваемых сварочным источником тепла, что может привести соответственно к уменьшению объема металла, где протекали пластические деформации и образовались растягивающие напряжения. Помимо уменьшения объема пластически деформированного металла, при подогреве может снизиться максимальный уровень остаточных растягивающих напряжений.

Данные различных авторов о степени снижения напряжений заметно расходятся. По данным Купца, снижение растягивающих продольных напряжений в шве при подогреве до 200° С достигает даже 50%. Однако не следует переоценивать возможности низкотемпературного подогрева как средства снижения остаточных напряжений. Существенное влияние подогрев может оказать на образование остаточных напряжений от структурных превращений. Изменяя условия охлаждения, подогрев изменяет дилатограмму металла при новом термическом цикле, что отражается на распределении остаточных напряжений.

Проковку металла можно производить непосредственно после сварки по горячему металлу или после остывания. При проковке благодаря осадке металла в направлении удара происходит расширение его в двух других направлениях. Растягивающие напряжения снижаются, а при интенсивной проковке даже переходят в сжимающие. Эффект проковки распространяется обычно на относительно небольшую глубину, в пределах до 10 мм и менее. Такая операция может уменьшить вероятность появления холодных трещин. Остаточные напряжения сжатия являются надежным средством повышения прочности сварных соединений и конструкций, работающих при переменных нагрузках.

Наряду с положительным влиянием проковки пластичных металлов известны случаи резко отрицательного влияния этой операции на прочность тонкостенных сосудов давления из малопластичных металлов. Проковка, производимая при комнатной температуре, уменьшает пластичность металла в зоне ударов молотка, что приводит к преждевременному разрушению сосуда, испытываемого внутренним давлением.

Прокатка зоны сварного соединения роликами в основном рекомендуется для устранения деформаций листовых конструкции. Одновременно происходит значительное понижение растягивающих напряжений и переход их в сжимающие. Этот метод отличается весьма равномерной пластической деформацией и в этом отношении выгодно отличается от проковки как средства снижения растягивающих напряжений.

Приложение нагрузки к сварным соединениям можно применять как в процессе сварки, так и после нее. Снижение остаточных напряжений может оказаться весьма значительным. Несмотря па эффективность такого приема, применение его в большинстве случаев сопряжено с трудностями практического использования.

Разновидностью метода приложения нагрузки к сварному соединению является термомеханический метод снятия остаточных напряжений (метод Линде). Метод состоит в том, что участки основного металла, находящиеся по обе стороны от зоны пластических деформаций, нагреваются движущейся горелкой или индуктором до температуры 150—200° С и непосредственно после нагрева охлаждаются водой. Создаются два движущихся нагретых пятна металла, которые расширяются и растягивают дополнительно зону пластических деформаций. После остывания максимальные растягивающие напряжения оказываются сниженными.

Частным случаем приложения нагрузки является вибрация сварных соединений и конструкций. Заметное снижение остаточных напряжений происходит при напряжениях, превышающих предел выносливости металла. Способ рекомендуется при необходимости несколько понизить максимальные остаточные напряжения.

Как средство перераспределения остаточных напряжений используют местный нагрев. Вблизи зоны местного нагрева, сопровождавшегося пластической деформацией, после остывания образуются напряжения сжатия. Местный нагрев с целью создания благоприятного поля напряжений рекомендован как средство повышения вибрационной прочности деталей.

Высокий отпуск сварных конструкций получил наибольшее распространение в промышленности. Основное преимущество его в том, что снятие напряжений происходит во всей сварной конструкции, независимо от ее сложности и конфигурации.

Степень снятия напряжений в случае необходимости может достигать 85—90% от исходного уровня. Высокий отпуск — практически единственный способ, когда одновременно с напряжениями первого рода снимается наклеп и напряжения второго и третьего родов. Высокий отпуск сварных конструкций по объему применения в машиностроении далеко превосходит все остальные способы борьбы с остаточными напряжениями вместе взятые. Средства, затрачиваемые на его осуществление, весьма значительны. Поэтому всестороннее изучение этого процесса представляет не только научный, но и большой народнохозяйственный интерес.