Методы снижения остаточных сварочных напряжений и деформаций

Основные сведения о сталях и их свариваемости

При изготовлении деталей вагонов применяют главным образом конструкционные низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и низколегированные прокатные и литые стали, а также коррозионно-стойкие стали. Основным легирующим элементом в углеродистых сталях, определяющим механические свойства и свариваемость, является углерод. Стали с содержанием углерода до 0,25 % относятся к низкоуглеродистым, от 0,26 до 0,45% - к среднеуглеродистым, от 0,45 до 0,8% - к высокоуглеродистым. Углеродистые стали бывают обыкновенного качества и качественные. По степени раскисления стали обыкновенного качества подразделяются на спокойные (сп), полуспокойные (пс) и кипящие (кп).

Кипящая сталь содержит не более 0,07% кремния, имеет неравномерное распределение серы и фосфора по толщине, склонна к старению и охрупчиванию. Полуспокойная сталь занимает промежуточное место между кипящей и спокойной сталями.

Стали, содержащие специально введенные элементы, называются легированными. Если содержание каждого элемента не превышает 2%, а суммарное содержание легирующих элементов – 5%, то сталь считается низколегированной. Применение низколегированных сталей позволяет повысить прочность и надежность деталей и сварных конструкций, а также сопротивление атмосферной коррозии, в ряде случаев снизить их массу.

С целью снижения растягивающих остаточных сварочных напряжений, уменьшающих прочность сварных соединений вагонов при переменных нагрузках и являющихся одной из основных причин хрупких и замедленных разрушений, особенно при отрицательных температурах, а также с целью устранения остаточных деформаций и перемещений, затрудняющих последующую сборку и сварку конструкций (наличие остаточных сжимающих напряжений в зонах концентраторов способствует повышению прочности особенно при переменных нагрузках) необходимо соблюдать следующие основные принципы:

1) снижать величину и объем пластических деформаций укорочения при сварочном нагреве путем регулирования термического воздействия следующими методами: уменьшением количества сварных швов и количества наплавленного металла за счет уменьшения площади разделки кромок или расположением сварных швов симметрично относительно оси симметрии изделия; уменьшением погонной энергии (отношения вводимой тепловой энергии к скорости сварки); предварительным или сопутствующим подогревом свариваемого изделия или зоны сварного шва; принудительным охлаждением шва или околошовной зоны за дугой или применением электродов с покрытием, содержащим железный порошок, при ремонте сваркой узлов и деталей из углеродистых сталей;

2) снижать величину пластических деформаций укорочения, возникших при сварочном нагреве, путем создания после сварки пластических деформаций обратного знака (удлинения) в металле шва и околошовной зоне следующими методами: проковкой шва и околошовной зоны; механической правкой путем изгиба или растяжения сварного элемента; сваркой в жестких приспособлениях; последующим высоким общим или местным отпуском;

3) компенсировать возникающие при сварке деформации (перемещения) следующими методами: созданием предварительных деформаций, противоположных по направлению сварочным, путем приложения механических усилий с использованием специальных приспособлений (особенно эффективно при компенсации деформации продольного изгиба балочных конструкций); расположением свариваемых деталей при сборке перед сваркой под углом с учетом последующей усадки, приводящей к изгибу; рациональной последовательностью сборки и сварки и последовательности наложения швов, особенно при двусторонней многослойной сварке; увеличением припусков на размеры свариваемых деталей на величину продольной и поперечной усадки однопроходных и многослойных швов.

Для уменьшения остаточных напряжений и деформаций при однослойной ручной дуговой сварке швов средней длины (300<L<1000 мм) разбивается на два участка и заваривается от середины к концам участка. С этой же целью шов может быть заварен обратноступенчатым (рис. 1.17, б) или комбинированным способом.

При обратноступенчатом способе весь шов разбивают на отдельные участки длиной 100-300 мм. Сварку каждого участка выполняют в направлении, обратном общему направлению сварки. При этом конец каждого последующего участка совпадает с началом предыдущего. Сварку необходимо вести без перерывов между участками (кроме перерыва на замену электрода), чтобы использовать подогрев от заварки предыдущего участка. Длину участков целесообразно выбирать соответствующей расплавлению одного электрода (при ручной дуговой сварке). При сварке обратноступенчатым способом стыковых швов зазор между свариваемыми листовыми элементами увеличивается на 0,5 мм.

При сварке многослойных швов необходимо применять каскадный метод сварки. Длина каждой ступени в зависимости от состава основного металла должна находиться в пределах 300-600 мм. Каждый последующий слой накладывают на еще не успевший остыть предыдущий слой. Допускается также применять сварку на проход и горкой.

Наиболее полное снятие остаточных напряжений после сварки (до 80-95%) достигается при высоком отпуске. Применение высокого отпуска должно быть технически и экономически обосновано, а режим должен определяться соответствующей технологической или конструкторской документацией.

Значительное снижение остаточных напряжений в сварных соединениях может быть достигнуто проковкой швов. Проковка должна быть выполнена в процессе остывания стальных сварных соединений при температурах 450°С и выше либо 150°С и ниже. В интервале температур 150-450°С проковка недопустима из-за понижения пластичности металла (для контроля температуры рекомендуются термокарандаши, термокраски и приборы дистанционного контроля).

Проковка может выполняться вручную молотком массой 0,6-1,2 кг или пневматическим молотком. При этом ударные поверхности инструмента должны иметь закругления радиусом не менее 2 мм. При многослойной сварке проковывают каждый слой за исключением первого. Проковка, как правило, должна применяться для уменьшения остаточных и реактивных напряжений при заварке трещин и замыкающих швов в жестких конструкциях.

Предварительный или сопутствующий подогрев с целью снижения временных и остаточных напряжений и связанных с ними горячих или холодных трещин необходимо производить при сварке сталей с содержанием углерода более 0,25% (для углеродистых сталей) или эквивалентного углерода С_экв более 0,45% для низколегированных сталей.

Одной из мер снижения остаточных деформаций является закрепление свариваемых деталей в специальных приспособлениях-кондукторах, а также применение прихваток при сборке деталей и узлов.

Прикладываемое продольное усилие при сварке балочных конструкций с продольным растяжением вдоль шва для уменьшения остаточных напряжений должно создавать напряжения в свариваемых деталях (0,8-0,9)s_т основного металла. Снятие этих усилий после сварки приведет к уменьшению остаточных продольных напряжений (вдоль шва) до 70-80%.

Для уменьшения угловых деформаций при многослойной сварке деталей средней и большой толщины необходимо производить двустороннюю сварку с попеременным наложением швов с обеих сторон с учетом того, что после заполнения разделки до толщины 40-50 мм угловые деформации не могут быть исправлены за счет наложения швов.

Технология и фактические значения параметров процессов, проводимых с целью снижения сварочных напряжений и деформаций, должны быть предварительно проверены на опытных образцах, соответствующих по материалам и геометрии свариваемому или наплавляемому изделию.

Дата добавления: 2014-01-05