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.

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 счёт вибрационной обработки сварного изделия.

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^оС, для аустенитных сталей 850…1050°С, для сплавов магния и алюминия 250…300°С, для титановых сплавов 1100…1200^оС. 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.

Сварные соединения, выполненные сваркой плавлением, можно разделить на несколько зон, отличающихся макро- и микроструктурой, химическим составом, механическими свойствами и другими признаками: сварной шов, зону сплавления, зону термического влияния и основной металл. Характерные признаки зон связаны с фазовыми и структурными превращениями, которые претерпевает при сварке металл в каждой зоне.

Сварной шов характеризуется литой макроструктурой металла. Ему присуща первичная микроструктура кристаллизации, тип которой зависит от состава шва и условий фазового перехода из жидкого состояния в твердое.

Зона термического влияния (ЗТВ) - участок основного металла, примыкающий к сварному шву, в пределах которого вследствие теплового воздействия сварочного источника нагрева протекают фазовые и структурные превращения в твердом металле. В результате этого ЗТВ имеет отличные от основного металла величину зерна и вторичную микроструктуру.

Зона сплавления (ЗС) - это зона сварного соединения, где происходит сплавление наплавленного и основного металла. В нее входит узкий участок шва, расположенный у линии сплавления, а также оплавленный участок околошовной зоны (ОШЗ). ЗС имеет часто существенно отличающиеся от металла шва и ЗТВ химический состав, вторичную микроструктуру и свойства. Распределение элементов по ширине ЗС имеет сложный характер, который определяется процессами перемешивания наплавленного и основного металла, диффузионного перераспределения элементов между твердой и жидкой фазами и в твердой фазе на этапе охлаждения.

Основной металл располагается за пределами ЗТВ и не претерпевает изменений при сварке. Может влиять на превращения в ЗТВ в зависимости от его макро- и микроструктуры, определяемых способом первичной обработки металла (прокат, литье, ковка, деформирование в холодном состоянии) и последующей термообработкой (отжиг, нормализация, закалка с отпуском, закалка со старением и т. п.).

Физическая и технологическая свариваемость

В сварочной практике понятие свариваемости имеет несколько аспектов. Первоначально использовались понятия физической и технологической свариваемости. Первое характеризовало принципиальную возможность получения монолитных сварных соединений и главным образом относилось к разнородным материалам. Второе рассматривалось как свойство материалов, характеризующее их реакцию на сварочный термодеформационный цикл. Степень этой реакции оценивалась по отношению отдельных механических свойств металла сварных соединений к одноименным свойствам основного металла (твердости, ударной вязкости и др.).

Соответствующее определение понятия свариваемости дано в ГОСТ 26001-84: «свариваемость - свойство металлов или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия».

Исходя из вышеприведенного определения, свариваемость зависит с одной стороны от материала, технологии сварки, конструктивного оформления соединения, с другой - от требуемых эксплуатационных свойств сварной конструкции.

Эксплуатационные свойства сварных конструкции определяются предъявляемыми к ним техническими требованиями. Это может быть одно свойство или комплекс свойств в зависимости от назначения конструкции. Если требования к эксплуатационным свойствам сварных соединений с принятыми допущениями удовлетворяются, то свариваемость материалов считается достаточной. Если не обеспечивается минимально приемлемый уровень хотя бы одного из эксплуатационных свойств сварного соединения, то свариваемость материала считается недостаточной.

В сварочной практике традиционно принято различать несколько качественных степеней свариваемости: xoрoшая, удовлетворительная, ограниченная и плохая.

При достаточной свариваемости, т. е. когда в заданных технологических и конструктивных условиях удовлетворяются требуемые эксплуатационные свойства сварных соединений, она классифицируется как хорошая. При недостаточной свариваемости удовлетворительная соответствует случаю, когда достаточную свариваемость можно обеспечить выбором рационального режима сварки; ограниченная, когда для этой цели необходимо применять специальные технологические мероприятия или изменить способ сварки; плохая, когда никакими мерами невозможно достичь достаточной свариваемости.

В практике исследований свариваемости, как правило, применяются специальной конструкции сварные образцы или образцы с имитацией сварочных термических или термодеформационных циклов. В результате испытаний таких образцов определяются условия появления дефектов, характеристики структуры, механические и специальные свойства сварных соединений или зон имитации, абсолютные или относительные значения которых принимаются за количественные показатели.

Практически пользуются набором основных показателей, типовых для каждого вида материалов и условий эксплуатации изготовленных из них сварных конструкций:

1. Склонность к образованию трещин как показатель свариваемости материала, который устанавливается по факту образования трещин в сварном соединении и оценивается качественно или количественно критической величиной одного из факторов, обусловливающих трещинообразование.

2. Стойкость против образования трещин как показатель свариваемости материала, который устанавливается по факту отсутствия трещин и оценивается качественно или количественно подкритической величиной одного из факторов трещинообразования.

3. Сопротивляемость образованию трещин означает свойство материала в структурном и напряженно-деформированном состоянии шва или зоны термического влияния сопротивляться разрушению, соответствующему по характеру разрушению при образовании трещин.

Горячие трещины (ГТ) при сварке - хрупкие межкристаллические разрушения металла шва и зоны термического влияния, возникающие в твердожидком состоянии при завершении кристаллизации, а также в твердом состоянии при высоких температурах на этапе преимущественного развития межзеренной деформации.

Потенциальную склонность к ГТ имеют все конструкционные сплавы при любых видах сварки плавлением, а также при некоторых видах сварки давлением, сопровождающихся нагревом металла до подсолидусных температур.

Наличие температурно-временного интервала хрупкости обусловливает потенциальную склонность сплавов к ГТ, является необходимым условием и первой причиной их образования.

Вторая причина ГТ - высокотемпературные деформации. Они развиваются вследствие затрудненной усадки металла шва и формоизменения свариваемых заготовок, а также при релаксации сварочных напряжений в неравновесных условиях сварки и при послесварочной термообработке, усиленные тепловой структурной и механической концентрацией деформации.

Холодные трещины (XT) объединяют категорию трещин в сварных соединениях, формальными признаками которых являются появление визуально наблюдаемых трещин практически после охлаждения соединения; блестящий кристаллический излом трещин без следов высокотемпературного окисления. XT - локальные хрупкие разрушения материала сварного соединения, возникающие под действием собственных сварочных напряжений. Размеры XT соизмеримы с размерами зон сварного соединения. Локальность разрушения объясняется частичным снятием напряжений при образовании трещин, а также ограниченностью зон сварного соединения, в которых возможно развитие трещин без дополнительного притока энергии от внешних нагрузок.

К образованию XT при сварке склонны углеродистые и легированные стали, некоторые титановые и алюминиевые сплавы.

Основными факторами, обусловливающими образование XT, являются:

1. Структурное состояние металла сварного соединения, характеризуемое наличием составляющих мартенситного и бейнитного типа;

2. Концентрация диффузионного водорода в зоне зарождения очага трещины;

3. Уровень растягивающих сварочных напряжений I рода.

Ламелярные трещины - трещины в ЗТВ, образующиеся параллельно поверхности свариваемых листов, имеющие ступенчатый (каскадный) характер. Визуально наблюдаются после окончания сварки и завершения охлаждения. Излом трещин хрупкий, без следов окисления, большую часть которого составляют плоские древовидные участки (имеющие вид расщепленного дерева). Эти участки совпадают со слоистостью металла, образующейся в результате прокатки, и по этой причине трещины получили название ламелярных (слоистых трещин или слоистого растрескивания). Образуются, как правило, в угловых и тавровых соединениях низколегированных сталей мартеновской и конвертерной выплавки под действием сварочных напряжений, направленных по толщине свариваемых листов. По многим внешним признакам напоминают холодные трещины, поэтому часто рассматриваются как таковые.

Исследованиями установлено, что образование ламелярных трещин связано с наличием в металле вытянутых плоских неметаллических включений типа сульфидов и силикатов.

Для предотвращения ламелярных трещин применяют конструктивные и технологические мероприятия: выбор конструкции сварного узла, при котором сварочные напряжения по направлению толщины листа минимальны, предварительный и последующий подогрев, наплавка на свариваемые кромки. Наиболее эффективный способ - повышение качества стали главным образом за счет снижения содержания серы.

Трещины повторного нагрева образуются в процессе высокого отпуска сварных соединений с целью снятия сварочных напряжений. Они характерны для низколегированных и легированных сталей, в особенности для перлитных жаропрочных Сr-Мо-V сталей. Трещины представляют межкристаллическое разрушение в крупнозернистой части ЗТВ. Критический интервал температур растрескивания 500…700°С.

Склонность к трещинам повторного нагрева зависит от состава стали, микроструктуры ЗТВ и величины остаточных сварочных напряжений. Наличие в составе Сr, Мо, V, а также Сu, Ti, Nb и примесей Р, S, Sn, и других способствует появлению склонности к растрескиванию.

Меры предотвращения трещин повторного нагрева предусматривают выбор рационального легирования стали, особенно уменьшение до возможного минимума содержания Мо и V, снижение уровня остаточных напряжений в сварных узлах и повышение температуры отпуска свыше 700°С.

Хрупкое разрушение характеризуется тем, что оно не сопровождается заметной пластической макродеформацией и происходит при действии средних напряжений, не превышающих предела текучести. Траектория разрушения близка к прямолинейной, излом нормален к поверхности и имеет кристаллический характер. Хрупкое разрушение, как правило, является внутрикристаллическим. Разрушение в большинстве случаев происходит под действием нормальных напряжений и распространяется вдоль наименее упакованной кристаллографической плоскости, называемой плоскостью скола (отрыва). Однако при некоторых условиях эксплуатации (водородное насыщение, коррозия и др.) хрупкое разрушение может быть межкристаллитным. Хрупкое разрушение часто происходит внезапно и распространяется с большой скоростью с малыми затратами энергии. В ряде случаев оно приводит к катастрофическим разрушениям сварных конструкций в процессе эксплуатации.

Процесс хрупкого разрушения может включать три этапа: возникновение трещин, медленное (стабильное) ее развитие и лавинообразное (нестабильное) распространение разрушения. Отдельные конструкции допускают к эксплуатации с трещиной или трещиноподобным дефектом при условии контроля над их медленным развитием и своевременного предупреждения лавинообразного разрушения.

Снижение степени охрупчивания металла сварных соединений достигается технологическими и металлургическими способами. Для низкоуглеродистых сталей это высокий отпуск сварных соединений. Для легированных сталей технологические меры аналогичны применяемым для предотвращения холодных трещин. Весьма эффективными являются металлургические методы. Легирование сталей Mo, Ni, снижение содержания вредных примесей S, P, О₂, N₂ и Н₂ уменьшает их склонность к хрупким разрушениям.

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: