книги / Сварка магниевых сплавов

и АЦМ. Механические свойства сварных соединений и основно­ го металла (во всех случаях толщиной 2,5 мм) определяли на образцах с надрезами (рис. 65). Надрезы на разрывных образ­ цах выполнялись аналогично образцам на ударный и статичес­ кий изгиб: угол 45°, высота 2 мм, радиус в вершине 0,1 мм.

Сварные соединения из сплава МА2-1 при статическом рас­ тяжении оказываются более чувствительными к концентрации напряжений, чем сварные соединения из сплавов АМгб и АЦМ. Коэффициент действия надреза (т. е. отношение прочности, об­ разцов с надрезом к прочности ненадрезанных образцов кн = —dglGe) составляет: для сварных соединений из сплава МА2-1

kH—0,66—0,75, из сплава АМгб kn — 0,78, а из сплава АЦМ £„ = 0,91. Во всех сплавах снижение прочности из-за надреза в сварных соединениях происходит в большей степени, чем из-за надреза в основном металле.

Сплав МА2-1 и сварные соединения из него обладают значи­ тельно более низкой ударной вязкостью, чем алюминиевые спла­ вы. Ударная вязкость сварных соединений из сплава МА2-1 с надрезами по центру шва и по зоне сплавления выше, чем удар­ ная вязкость основного металла.

Стрела прогиба от начала нагружения до появления трещи­ ны fnn и стрела прогиба от появления трещины до полного раз­ рушения образца /разр позволяют оценить пластические свойст­ ва металла в месте надреза. Представляет интерес сравнить пластичность сварного соединения в зоне сплавления с пластич­ ностью в центре металла шва и с пластичностью основного ме­ талла. Стрела прогиба сплава МА2-1 в зоне сплавления близка к стреле прогиба в центре шва, в то время как у сплавов АМгб и АЦМ она значительно меньше (табл. 50). С другой стороны, различие в пластических свойствах металла шва и основного металла у сплава МА2-1 больше, чем у алюминиевых сплавов.

СВАРОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ

В результате неравномерного местного нагрева металла сва­ рочной дугой в сварной конструкции возникают напряжения, вызванные деформациями расширения и сжатия металла при его нагреве и остывании.

Если изучению напряженного состояния сварных конструк­ ций из сталей посвящено много работ, то вопросам остаточных напряжений в сварных конструкциях из сплавов на основе алю­ миния и особенно магния уделено очень мало внимания. Дан­ ные экспериментальных исследований остаточных напряжений в сварных соединениях из магниевых сплавов в литературе не встречаются.

По вопросу о влиянии, оказываемом сварочными напряже­ ниями на работоспособность сварной конструкции, еще нет

101

• Термообработка перед сваркой 450°С: охлаждение в воду; после сварки 100°С 100 ч, присадочный металл АМгб.

единого мнения. Практика эксплуатации сварных конструкций по­ казывает, что в большинстве случаев наличие сварочных напря­ жений не приводит к снижению несущей способности сварных конструкций. Однако возможны случаи, когда сварочные напря­ жения могут снизить работоспособность сварной конструкции. Помимо этого, сварочные напряжения могут вызывать дефор­ мацию деталей во времени. Поэтому технология сборки и свар­ ки конструкции должна обеспечивать минимальные сварочные напряжения и там, где это диктуется условиями работы конст­ рукции, предусматривать снятие сварочных напряжений.

Авторами при изучении остаточных сварочных напряжений был использован механический метод определения остаточных напряжений с помощью съемного деформометра с базой 10 мм конструкции МВТУ им. Баумана. На поверхности сварных сое­ динений наносили базы измерения и снимали первоначальные показания. Измеряемая площадка с базами вырезалась механи­ ческим способом. При нарушении целостности детали, имеющей остаточные напряжения, условия равновесия последних изменя­ ются, что приводит к упругим деформациям отдельных частей детали. Измеряя эти упругие деформации и учитывая связь их с остаточными напряжениями, выражаемую законом Гука, мож­ но рассчитать величину тех остаточных напряжений, которые существовали в детали до нарушения ее целостности.

Величину и распределение сварочных напряжений определя­ ли на сварных пластинах из сплава МА2-1. Ввиду малой жест­ кости листов толщиной 2—6 мм все измерения проводили при плотном прижатии образцов в специальном приспособлении. Главные напряжения, направленные вдоль шва и перпендику­ лярно к нему, определяли по результатам измерения соответст­ вующих деформаций:

а х = (е* + |хе„);

аи= х_ ■ (е„+ цв*),

где о*, Gy — главные напряжения в кГ/мм2; Е — модуль упругости;

\i — коэффициент Пуассона;

ех, еу — -относительные деформации -в главных направле­ ниях.

Рассматривая кривые на рис. 64, можно видеть, что остаточ­ ные напряжения в соединении из сплава МА2-1 действуют в не­ посредственной близости к шву и резко затухают на расстоянии 20—30 мм от шва. Продольные напряжения имеют максималь­ ное значение (10,3 кГ/мм2) в средней части образца и резко снижаются по мере удаления от шва к периферии в поперечном направлении. Поперечные напряжения меняются по длине шва

104

и так же резко уменьшаются по мере удаления от шва в попе­ речном направлении. Характер распределения напряжений в соединениях из сплава МА2-1 такой же, как и в соединениях из алюминиевого сплава АМгб; максимальные напряжения в шве из сплава МА2-1 значительно ниже, чем в сплаве АМгб.

6 КГ/мм 2

Рис. 66. Распределение продольных ах и попе­ речных ау остаточных сварочных напряжении в соединениях из сплава МА2-1 в зависимости от толщины свариваемого металла

Величина и распределение напряжений и деформаций зави­ сят от толщины свариваемых элементов и технологии сварки (рис. бб). При однопроходной сварке напряжения возрастают с увеличением толщины свариваемых элементов. При двусторон­ ней многопроходной сварке элементов с Х-образной разделкой подобного явления не наблюдается. Наоборот, с увеличением толщины свариваемого элемента несколько снижается уровень напряжений. Это, по-видимому, связано с последовательностью наложения сварных швов. При прочих равных условиях Х-об- разная подготовка кромок благодаря симметричному располо­ жению швов относительно нейтральной оси обеспечивает мень­ шую угловую деформацию, чем V-образная.

При сварке пластины толщиной 8 мм за два прохода по Х-образной разделке и плиты толщиной 30 мм за три прохода с каждой стороны (каждый последующий шов накладывали с противоположной стороны) напряжения, вызванные предшест­ вующим швом, снижались от теплового воздействия последующе­ го шва.

а — .без лодварки; б — подварка в середине шва; в — подварка по всему шву

При изготовлении сварных конструкций иногда приходится подваривать шов на небольшом его участке. Лишь в редких случаях (занижение шва, подрез по всей длине шва и т. п.) под­ варочный шов накладывают в виде второго прохода. Каждый подварочный шов, накладываемый на основной шов, имеющий

400X300X2,5 мм трех серий:

без подварки, с подваркой в середине шва на участке 90—100 мм и с подваркой по всей длине шва.

Из приведенных эпюр остаточных напряжений видно, что местная подварка образцов из сплава МА2-1 вызывает замет­ ный рост продольных и пеперечных растягивающих напряжений на участке подварки (рис. 67,6). В особенности интенсивно воз­ растают поперечные напряжения, которые могут приводить к появлению продольных трещин. Максимальные растягивающие напряжения достигают величины, близкой пределу текучести. Аналогичные результаты получены на сплаве АМгб, но в этом случае от действия местной подварки в основном растут попе­

лика продольные и поперечные напряжения растяжения и сжа­ тия практически сохраняются неизменными в обоих направлени­ ях (рис. 67,в). Аналогичные результаты получены на сплаве АМгб.

На практике приходится сваривать элементы с какими-либо, местными ослаблениями в районе сварки, например в виде вы­ реза, отверстия, дефекта в металле и т. п. (рис. 68). При этом возможно образование поперечных трещин даже на пластичном металле. Важное значение имеет неравномерный разогрев кро­ мок при сварке, связанный с различным теплоотводом.

Шов в районе отверстии в зависимости от расстояния между

дольные усадочные напряжения максимально возможной вели­ чины, которые в сочетании с поперечными напряжениями' того же рода и порядка создают поле плоскостных напряжений вьь сокйх значений, граничащих с разрушающими''напряжениями.

В сумме с напряжениями от действия внешних эксплуатацион­ ных нагрузок они создают очаги вероятных разрушений.

Для исследования распределения остаточных напряжений в шве при близком расположении отверстий были сварены образ­ цы из сплава МА2-1 размером 400x300x2 мм. Отверстия диа­ метром 10 мм .имели различное расположение относительно сва­ риваемых кромок (рис. 69). Максимальные продольные растяги-

б кГ/мм2

т

Рис. 69. Распределение напряжений вдоль шва в зависимости от расположе­ ния местного ослабления

вающие напряжения в шве наблюдались на перемычках между соседними отверстиями лишь в случае близкого их расположе­ ния к стыку (на расстоянии 5 мм) . При этом продольные растя­ гивающие остаточные напряжения в шве на перемычках дости­ гали 12,5—15 /сГ/лш2, снижаясь по мере увеличения расстояния между отверстиями и стыком. Заметно снижались продольные остаточные напряжения лишь при удалении отверстий от стыка на расстояние 70 мм. Таким образом, отверстия следует свер­ лить после сварки или располагать их на расстоянии, обеспечи­ вающем равномерный разогрев кромок по стыку.

Собственные напряжения в сварной конструкции складыва­ ются из напряжений, вызванных пластической деформацией ме­ талла в районе сварного шва, и напряжений, связанных с изме­ нением размеров деталей при нагреве и охлаждении в процессе сварки. Последние могут достигать весьма значительных вели­ чин и приводить к появлению трещин в сварных соединениях (чаще всего в районе зоны сплавления) при температурах ниже солидуса. Именно такое явление отмечалось при изготовлении

108

штампо-сварной конструкции из сплава МА2-1. При вварке фланцев в обечайку толщиной 1,5 мм из сплава МА2-1 не уда­ лось получить соединения хорошего качества, появлялись тре­ щины в околошовной ‘зоне вследствие большой жесткости конст­ рукции, препятствующей пластическому течению металла и при­ водящей к значительным сварочным напряжениям (рис. 70).

30 мин полностью снимает остаточные сварочные напряжения, что подтверждено специальными замерами. Неполный отжиг (120°С, 30 мин) снижает остаточные напряжения примерно вдвое и в некоторых случаях вполне достаточен для получения конструкции хорошего качества (рис. 71).

Применение термообработки после сварки для большинства магниевых сплавов, не является обязательным, но необходимо для тех сварных узлов, в которых много сварных швов и кото­ рые подвергаются деформированию при механической обработ­ ке, например правке, обкатке и т. п. В этих случаях термообра­ ботка после сварки необходима для снятия внутренних напря­ жений и сохранения тем самым размеров и конфигурации свар­ ного узла во времени. Остаточные напряжения могут вызывать коррозионное растрескивание даже в цеховых условиях. На рис. 72 показаны участки сварных соединений с трещинами, образо­ вавшимися в течение 2—7 суток после сварки штампо-сварной конструкции из сплава МА2-1 с толщиной металла около 3 „иле. Для предупреждения появления подобных трещин остаточные

109