СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ МЕТАЛЛОВ
METHOD OF DECREASING RESIDUAL STRAIN IN WELDED METAL JOINTS

Изобретение относится к области сварки, а именно к способам снятия остаточных напряжений, возникающих в сварных соединениях в процессе сварки. Данный способ может быть использован при изготовлении сварных конструкций.
При сварке металлов возникают высокие градиенты температур, которые приводят к возникновению остаточных напряжений как термических, так и структурных. Одним из основных источников возникновения остаточных сварных напряжений являются структурные превращения металла шва.
Известны несколько методов частичного снятия напряжений в готовых сварных соединениях. Основными из них являются термическая обработка и приложение внешней механической нагрузки.
Известен способ снятия остаточных напряжений, заключающийся в нагреве до 600-650°С с последующим медленным охлаждением. При температуре нагрева 600°С и последующей выдержке 5 часов происходит уменьшение тангенциальных растягивающих напряжений на 42%, при выдержке 6 часов - на 52% (Кудрявцев П.И. Остаточные напряжения и прочность соединений. М.: Машиностроение, 1964, стр.66-68). Применяется также «местный нагрев» (Винокуров В.А. Сварочные деформации и напряжения. - М.: Машиностроение, 1968. - 236 с.), так, например, на некотором расстоянии от сварного шва, где происходит опасная для конструкции концентрация остаточных напряжений и сложение их с напряжениями от рабочей нагрузки, производят местный локальный нагрев детали кислородно-ацетиленовой горелкой до температуры 700°С. Недостатком являются большая длительность процесса, необходимость наличия сложного и громоздкого оборудования, наличие заводских условий для проведения процесса.
Известен способ снятия остаточных напряжений, заключающийся в подогреве при сварке. Подогрев приводит к более равномерному полю напряжений вследствие снижения напряжений растяжения в околошовной зоне. Напряжения выравниваются тем больше, чем выше температура подогрева. Недостаток в том, что для полного снятия остаточных напряжений температура подогрева должна быть близкой к температуре плавления металла, что практически невозможно. Кроме того, подогрев в процессе сварки требует больших затрат энергии, например электроэнергии, при подогреве с помощью электронагревателей в случае сварки оболочковых конструкций больших диаметров.
Известен также способ, в котором остаточные напряжения снимаются при напряжениях изгиба и кручения, равных 0,9 предела выносливости (Винокуров В.А. Сварочные деформации и напряжения. - М.: Машиностроение, 1968. - 236 с.). Полное устранение остаточных напряжений происходит при напряжениях, превышающих предел выносливости. Недостатком данного метода является ухудшение пластических свойств сварного шва, исчерпывание его способности к пластической деформации. Кроме того, снятие остаточных напряжений наблюдается только при продольных нагружениях. При деформациях изгиба эффект снятия напряжений отсутствует.
Известен способ снятия остаточных напряжений низкочастотной вибрационной обработкой, в котором применяется портативное вибрационное устройство дебалансного типа (Сутырин Г.В. Снижение остаточных напряжений сварных соединений низкочастотной вибрационной обработкой // Сварочное производство. - 1983. - №2. - С.22-24). Метод уменьшения остаточных напряжений путем приложения внешней механической нагрузки заключается в том, что напряжения, вызываемые внешней нагрузкой, складываются с остаточными напряжениями, вызываемыми сваркой, и вызывают местную пластическую деформацию в местах наибольших остаточных напряжений. Пластическая деформация в определенной степени снимает остаточные напряжения или приводит к их перераспределению по поперечному сечению соединения. Применяется также воздействие переменных нагружений. Установлено, что уменьшение остаточных напряжений начинается при напряжениях, превышающих 0,7 предела выносливости детали. Однако вибрационная обработка здесь предусмотрена после процесса сварки, что приводит к недостаточной эффективности снятия остаточных напряжений, т.к. не может существенно влиять на структурные превращения в сварном шве и околошовной зоне.
В качестве прототипа принят способ снятия напряжений сбегающей кромкой, включающий наложение циклической нагрузки на сварной шов в процессе сварки (Pat. 6223974 USA Trailing edge stress relief process (TESR) for welds / Madhavji A. - Publ. 01.05.2001). Дополнительные напряжения создается с помощью пневматического вибратора.
Однако этот способ предусматривает наложение циклической нагрузки в хвостовую часть сварочной ванны в поперечном направлении в перпендикулярной плоскости относительно оси шва, что не может обеспечить значительное снижение остаточных напряжений, как показали результаты исследования, описанные ниже. А также требует наличия механизма перемещения вибратора, синхронизированного с механизмом перемещения сварочной горелки, что с практической точки зрения ограничивает его применение только механизированными способами сварки.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности снятия остаточных напряжений в сварных соединениях металлов.
Технический результат достигается тем, что наложение циклической нагрузки на кристаллизующийся металл сварочной ванны осуществляют низкочастотными колебаниями в поперечном направлении в вертикальной плоскости, перпендикулярной оси сварного шва. При этом для возбуждения колебаний используются два вибратора, работающих в противофазе и расположенных симметрично относительно оси шва на каждой из двух свариваемых кромок. В случае сварки конструкций, имеющих значительные продольные и/или диаметральные размеры, для поддержания требуемого уровня амплитуды вибрационных колебаний по всей длине свариваемых кромок производится установка дополнительных пар вибрационных устройств. Тип вибрационного устройства может варьироваться от пневматического до электромагнитного, в зависимости от типа производства (единичное, массовое, серийное).
Способ включает в себя воздействие на кристаллизующийся металл сварного соединения вибрационными колебаниями от вибрационного устройства на частотах от 50 до 300 Гц и амплитуде до 0,8…1,0 мм, в зависимости от толщины и типа свариваемого материала. Возбудитель низкочастотных колебаний устанавливаются на свариваемой конструкции таким образом, чтобы направление колебаний прикладывалось поперек шва в вертикальной плоскости, перпендикулярной оси сварного шва. Это позволит повысить эффективность снятия остаточных напряжений в сварных конструкциях, снизить неоднородность микроструктуры шва и, как следствие, повысить их эксплуатационные свойства.
Низкочастотные колебания оказывают положительное воздействие на процесс кристаллизации металла сварного шва, измельчая и упорядочивая его структуру. Кроме того, вибрационное колебание сварочной ванны устанавливает тепловое равновесие в кристаллической решетке, а также снижает количество пор.
Эти явления приводят к снятию остаточных напряжений в сварных соединениях. Наиболее эффективно на снятие напряжений влияют колебания, прикладываемые в поперечном направлении в вертикальной плоскости, перпендикулярной оси сварного шва. В таком случае остаточные напряжения снимаются в среднем на 38…43%. Более эффективное снятие остаточных напряжений, учитывая особенности кристаллизации сварного шва, в данном случае, объясняется периодически возникающими в расплаве волнами давления - адиабатического сжатия и напряжения, значительно большей амплитуды, чем при вводе колебаний в хвостовую часть сварочной ванны в поперечном направлении в перпендикулярной плоскости относительно оси шва.
Способ поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена схема возможного приложения вибрационной нагрузки к сварному шву. На фиг.2 представлены результаты замера остаточных напряжений в свариваемых пластинах при различных способах вибрационного воздействия. На фиг.3 представлена зависимость между частотой вводимых колебаний и уровнем снижения остаточных напряжений.
Фиг.1 - схема приложения вибрационной нагрузки к сварному шву.
1 - свариваемый металл;
2 - сварной шов;
3 - электрод;
4 - вибрационные устройства;
5 - синхронизатор колебаний;
6 - источник энергии колебаний;
7 - поперечное направление колебаний в вертикальной плоскости, перпендикулярной оси сварного шва.
Образцы из стали 12Х18Н10Т 100×100 мм толщиной 8 мм сваривали между собой с различными направлениями и частотами вибрационного воздействия и без. Затем провели замеры остаточных напряжений в сварных швах полученных сваренных заготовок.
Фиг.2 - результаты замера остаточных напряжений в сварном шве при дифрактометрическом исследовании образцов из стали 12Х18Н10Т, толщиной 8 мм.
А - без вибрационной обработки;
В - поперечное направление колебаний перпендикулярно шву;
С - поперечное направление колебаний в вертикальной плоскости, перпендикулярной оси сварного шва.
Замеры показали, что максимальное снижение остаточных напряжений происходит при вибрационном воздействии с поперечным направлением колебаний в вертикальной плоскости перпендикулярно оси сварного шва. Результаты микроструктурного анализа металла сварного шва показали, что структура металла шва после вибрационного воздействия предложенным методом имеет более высокую дисперсность и однородность.
Фиг.3 - Влияние частоты вводимых колебаний на уровень остаточных напряжений.
Из фиг.3 видно что, эффективное снятие остаточных напряжений происходит в диапазоне частот вводимых колебаний 50-300 Гц.
Применение предложенного способа позволяет повысить степень снижения остаточных напряжений в сварных соединениях металлов. Экономический эффект от применения данного способа заключается в отсутствии необходимости проведения послесварочной обработки, которая требует значительных затрат времени, энергии, материальных и трудовых ресурсов. Повышение эффективности достигается приложением вибрационных колебаний в процессе сварки в поперечном направлении в вертикальной плоскости, перпендикулярной оси сварного шва, от двух вибраторов, работающих в противофазе и расположенных симметрично относительно оси шва на каждой из двух свариваемых кромок.