книги / Сварка и свариваемые материалы. Свариваемость материалов

4.4. Уменьшение сварочных деформаций, напряжений и перемещений

4.4.1. 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 мак­ симальную жесткость конструкции к моменту сварки швов; рас­ полагать швы симметрично для взаимной компенсации переме­ щений от отдельных швов.

Некоторые из перечисленных приемов могут приводить к ро­ сту напряжений (сварка в жестком контуре) или снижать каче­ ство 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 (см. 4.4.3, 4.4.4).

4.4.2. 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 после­ довательности наложения швов, а также за счет выбора способа и режима сварки с минимальной погонной энергией. При много­ проходной сварке погонная энергия существенно ниже, чем при однопроходной сварке такого же шва, а при контактной, лазер­ ной и электронно-лучевой — ниже, чем при дуговой. Следует задавать размеры заготовок с учетом последующей усадки или предварительно создавать в заготовках деформации противопо­ ложного знака.

4.4.3. 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 на­ пряжения в шве. Применяются различные способы деформиро­ вания: прокатка роликами, проковка, обработка взрывом [5].

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

Недостатком всех указанных методов является снижение пластичности деформируемой зоны.

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

Е, б — предел текучести, модуль упругости и толщина прокаты­ ваемого материала.

В случае невозможности прокатать шов и околошовную зону за один проход ролика прокатку осуществляют более уз­ ким роликом начиная со шва, с переходом на околошовную зону. Если шов или часть околошовной зоны недоступны для про­ катки, то можно добиться устранения усадки шва за счет уве­ личения усилия прокатки доступной части. При этом в прока­ танной 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 напряже­ ний может быть достигнуто за счет вибрационной обработки сварного изделия [5].

4.4.4. Термическая обработка

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

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

Температуры отпуска, обеспечивающие существенное сни­ жение 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 на­ пряжений подробно рассмотрены в работе [6]. 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 перераспреде­ ления напряжений. Этот метод аналогичен пластическому де­ формированию детали.

Гл а в а 5. ФА3ОВЬ«Е И СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ (МакаР°в Э. Л.)

5.1. Характерные зо*ы сваРных соединений

Сварные соединений* выполненные сваркой плавлением, можно разделить на неск^^^^о зон, отличающихся макро- и микро­

структурой, химическим состав°м, механическими свойствами и

заны с фазовыми Я структур­ ными превратениЯми> К0Т0‘ рые претерпевают ЯРИ сварке

металл в каждой з0не-

Сварной шов характеризу­

ется литой макростРУктурой металла. Ему присуща пер­ вичная микроструКтУРа кри-

сталлизации, тип к0Т0Р°® за' висит от состава щва и усло­

вий фазового перех°Да из жидкого состояния в твер­

дое.

Зона термическо20 влияния

(ЗТВ) — участок основного Металла, примыкающий к сварному шву, в предках ко­ торого вследствие теплового воздействия сварочного источ­

ника нагрева протекают фазовые и структурные превращения в твердом металле. В результате этого ЗТВ имеет отличные от основного металла величину зерна и вторичную микроструктуру. Часто выделяют околошовный участок ЗТВ или околоШовную зону (ОШЗ). Она располагается непосредственно у сварного шва и включает несколько рядов крупных зерен. Металл шва, имеющий литую макроструктуру, и ЗТВ в основ­ ном металле, имеющая макроструктуру проката или рекристаллизованную макроструктуру литой или кованой заготовки, разделяются друг от друга поверхностью сплавления. На по­ верхности шлифов, вырезанных из сварного соединения и под­ вергнутых травлению реактивами, она при небольших увеличе­ ниях наблюдается как линия или граница сплавления.

Зона сплавления (ЗС) —это зона сварного соединения, где происходит сплавление наплавленного и основного металла.

В нее входит узкий участок шва, расположенный у линии сплав­ ления, а также оплавленный участок ОШЗ. Первый участок образуется вследствие недостаточно эффективного переноса, расплавленного основного металла в центральные части свароч­ ной ванны. Здесь имеет место перемешивание наплавленного и основного металлов в соизмеримых долях. Наоплавленном участке ОШЗ возможно появление между оплавленными зер­ нами жидких прослоек, имеющих аналогичный состав. В слу­ чае применения разнородных наплавленного и основного ме­ таллов (например, аустенитного и перлитного) ЗС отчетливо наблюдается в виде переходной прослойки. Она имеет часто су­ щественно отличающиеся от металла шва и ЗТВ химический состав, вторичную микроструктуру и свойства. Распределение элементов по ширине ЗС имеет сложный характер, который определяется процессами перемешивания направленного и ос­ новного металла, диффузионного перераспределения элементов между твердой и жидкой фазами и в твердой фазе на этапе охлаждения.

Основной металл располагается, за пределами ЗТВ и не пре­ терпевает изменений при сварке. Может влиять на превращения в ЗТВ в зависимости от его макро- и микроструктуры, опреде­ ляемых 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.).

5.2.Понятие о фазовых и структурных превращениях

Впроцессе нагрева и охлаждения металла при сварке получает развитие целый ряд фазовых и структурных превращений. Под

фазовыми превращениями (переходами I рода) понимают пре­ вращения с образованием новых фаз, отличающихся от исход­ ных атомно-кристаллическим строением, часто составом, свой­ ствами и разграниченных с ними поверхностями раздела (меж­ фазными границами). При образовании новой фазы в ее объеме меняется свободная энергия, скачкообразно изменяются энтро­ пия, теплосодержание и в момент превращения теплоемкость стремится к бесконечности [1]. В связи с этим фазовое превра­ щение сопровождается выделением или поглощением теплоты. При структурных превращениях (переходах II рода) проис­ ходит перераспределение дефектов кристаллической решетки, легирующих элементов и примесей и изменение субструктуры существующих фаз. Структурные превращения сопровождаются плавным изменением свободной энергии, энтропии и теплосодер­ жания и скачкообразным — теплоемкости и не сопровождаются выделением теплоты.

5.3. Термодинамика и кинетика фазовых превращений

5.3.1.Первичная кристаллизация

5.3.1.1.Гомогенная и гетерогенная кристаллизация. Первичная кристаллизация является фазовым переходом материала из жидкого в твердое состояние. Термодинамически этот переход обусловлен повышением свободной внутренней энергии мате­ риала с понижением температуры, при котором энергия твер­

дого состояния ниже определенной равновесной температуры Г0 становится меньше энергии жидкого состояния. Для начала кристаллизации необходимо образование зародышей твердой фазы (или центров кристаллизации) и их устойчивый рост. Этот процесс получает развитие, если выделяющаяся объемная сво­ бодная энергия становится больше энергии, необходимой для образования поверхности зародыша, а общая свободная энергия системы получает устойчивую тенденцию к понижению. При этом избыток внутренней энергии выделяется в виде теплоты кристаллизации (QK).

В чистых металлах при идеализированных условиях затвер­ девания имеет место гомогенная кристаллизация, для которой требуется существенное переохлаждение ниже Го до фактиче­ ской Гпл для достижения необходимой разницы объемных сво­ бодных энергий жидкого и твердого состояний. В технических металлах и реальных условиях сварки имеет место гетероген­ ная кристаллизация при относительно небольшом переохлаж­ дении. При этом готовыми центрами кристаллизации служат в основном оплавленные зерна основного металла, а также твер­ дые частицы в реальном жидком расплаве.

Кристаллизация при сварке имеет направленный характер, обусловленный отводом теплоты в основной металл вследствие наличия градиента температур при локальном действии свароч­ ных источников теплоты. В результате в сварном шве, как пра­ вило, образуются столбчатые кристаллиты, растущие от поверх­ ности оплавленного основного металла к центру шва. При этом основанием кристаллита в шве, как правило, служит оплавлен­ ное зерно основного металла, хотя возможны случаи, когда кри­ сталлит растет от нескольких близко кристаллографически ори­ ентированных зерен. В определенных условиях в центральной части шва возможно образование равноосных кристаллитов. Рост кристаллитов происходит прерывисто вследствие периоди­ ческого образования у фронта кристаллизации (ФК). со стороны жидкой фазы зон термического переохлаждения (чистые ме­ таллы) или зон концентрационного переохлаждения (сплавы).

5.3.1.2. Кристаллизация чистых металлов. При кристал­ лизации чистых металлов один из вариантов образования зоны термического переохлаждения связан с выделением Qк

ницами. При ячеистом типе кристаллизации кристаллиты пред­ ставляют собой совокупность ячеек с гладкими сторонами, а при дендритном — совокупность древовидных участков, разграни­ ченных малоугловыми границами (рис. 5.3). В чистых метал­ лах первичная микроструктура (иногда называемая «субструк-

Рис. 5.3. Кристаллизация сплавов в условиях концентрационного переохлаждения:

ны концентрационного переохлаждения, соответствующие ячеистому, ячеисто-дендрит­ ному и дендритному типу кристаллизации

тура») кристаллитов металлографически выявляется очень трудно. Ее можно фиксировать по рельефу на чистых поверхно­ стях швов или на шлифах по различному селективному отра­ жению элементов первичной микроструктуры. Наличие даже не­ значительного количества примесей, которые скапливаются на границах, существенно повышают степень выявляемости микро­ структуры.

5.3.1.3. Кристаллизация сплавов. Закономерности кристалли­ зации сплавов в основном определяются концентрационным пе­ реохлаждением. Его образование обусловлено диффузионным перераспределением примесей у ФК и скоплением их со сто­ роны жидкой фазы вследствие большей их растворимости в жидкой фазе, чем в твердой. В результате в зоне концентра­ ционного уплотнения (6*) имеет место понижение температуры ликвидуса (Г.,) (рис. 5.3). Протяженность 6* зависит от интен­ сивности диффузионного отвода примеси от ФК в жидкость (Dm) и скорости кристаллизации (vKP) :5x=Dm/v Kp. Величина зоны концентрационного переохлаждения (хк) определяется соотношением в распределении Та (абсолютным значением градиента GL в жидкости у ФК) и Тя. В конечномитоге вели­ чину хк характеризует критерий концентрационного переох­ лаждения ф = G^/V^KP"

Тип образующейся при кристаллизации бинарных сплавов первичной микроструктуры, как и в случае кристаллизации чи­ стых металлов, зависит от величины хк и определяется соотно­ шением Ф и Aco/k, где Со— концентрация примеси; k — коэффи­ циент распределения примеси в жидкой и твердой фазах, А — экспериментальный коэффициент. В многокомпонентных спла­ вах ориентировочно указанное соотношение может быть исполь­ зовано применительно к наиболее сильно ликвирующему эле­ менту, т. е. имеющего наименьшее значение k.

5.3.1.4. Схема кристаллизации сварных швов. Рост кристал­ литов в сварном шве происходит нормально к фронту кристал­ лизации, т. е. к изотермической поверхности кристаллизации (ИПК), соответствующей ТПЛ. Поскольку при сварке свароч­ ная ванна перемещается, то ось растущего кристаллита явля­ ется ортогональной траекторией к семейству ИПК, смещен­ ных по оси шва. Определенные трудности заключаются в мате­ матическом описании ИПК методами теории тепловых процес­ сов при сварке. Для инженерных решений ИПК аппроксими­ руют уравнением эллипсоида с полуосями L, Р, Н, которые со­ ответствуют длине затвердевающей задней части сварочной ванны, половине ее ширины и глубине проплавления [1]. В за­ висимости от схемы нагреваемого тела и типа источника теп­ лоты ИПК может быть эллипсоидом с двумя равными полу­ осями (точечный источник на поверхности полубесконечного тела, Р = Н) , эллиптической цилиндрической поверхностью (ли­ нейный источник по толщине листа, Н = 6) или частью «фиктив­ ного» эллипсоида (точечный источник на поверхности плоского слоя, р<Р и h<H (рис.5.4). В первом случае имеет место объ­ емный процесс кристаллизации и оси кристаллитов являются пространственными кривыми. При этом поскольку поперечное сечение сварочной ванны является кругом (Р = Н —Ь), то форма осей всех кристаллитов аналогична форме кристаллитов на ее

поверхности. Вершины всех кристаллитов выходят на продоль­ ную ось шва на его поверхности (линию «центров»). Во втором случае имеет место плоский процесс кристаллизации, криволи­ нейные оси кристзллитов располагаются в одной плоскости. Линия центров осей кристаллитов совпадает с осью 0Z. Форма

Рнс. 5.4. Форма осей кристал­

кристаллитов идентична во всех сечениях по толщине листа. Последнее обстоятельство в обоих случаях позволяет вести экспериментальные и расчетные исследования процесса кристал­ лизации на поверхности сварочной ванны. В третьем промежу­ точном случае характер процесса кристаллизации, форма и длина кристаллитов изменяются по глубине сварочной ванны.

Основные соотношения, характеризующие процесс кристал­ лизации шва, получены путем решения дифференциального уравнения ортогональной траектории к семейству изотерм кри­ сталлизации эллиптического типа и использования выражений