Остаточные сварочные напряжения и причины их возникновения. Температурный цикл сварки как источник возникновения остаточных напряжений, страница 24

Данные о применении подогрева при сварке с целью уменьшения величины и изменения характера распределения остаточных сварочных напряжений приводятся в работе В. Н. Земзина (35]. Показано, что подогрев до температуры 300 и 450° С при «варке пластин стали 35ХНЗМ приводит к более равномерному -полю напряжений вследствие снижения напряжений растяжения .в околошовной зоне, причем чем выше подогрев, тем больше выравниваются напряжения.

Так, при сварке без подогрева напряжения растяжения достигали 50—60 кг/мм², при подогреве до 300° С они составили 38 кг/мм², а при подогреве до 450° С — всего 27 кг/мм² (фиг. 34). Уменьшение наибольших напряжений снижает высокие градиенты напряжений.

В работе Кунца показано, что при подогреве до 200° С продольные остаточные растягивающие напряжения в шве могут -быть снижены на 50%, а поперечные напряжения — на 25% [103]. Результаты исследования уменьшения напряжений при «применении подогрева при сварке листов толщиной 20 мм приведены на фиг. 35.

Одним из основных источников возникновения остаточных сварочных напряжений являются структурные превращения металла шва и зоны термического влияния при охлаждении. В значительной степени этот процесс зависит от химического состава физических свойств металла свариваемых элементов и электрода, от их сочетания. Действительно, если в металле шва будут получены структуры, имеющие высокую температуру превращения аустенита, то это приведет к образованию больших остаточных напряжений, чем в случае наличия в шве структур с низкой температурой превращения аустенита. Повышение коэффициента линейного расширения металла шва по сравнению с основным металлом приведет к уменьшению растягивающих напряжений в зонах, непосредственно прилегающих к сварному шву, причем разница между значениями коэффициентов линейного расширения металла шва и основного металла мешает полностью устранить остаточные напряжения в сварном шве при применении даже высокотемпературных термообработок.

В работе П. А. Мельникова показано, что выбором марки стали и типа электродов можно существенно влиять на распределение остаточных напряжений в сварных соединениях [59]. Им были проведены опыты по определению величины остаточных напряжений при сварке низкоуглеродистой и легированной сталей различными электродами (УОНИИ-13/45, 4Х18Н9Т, 25—20, 5ХМ). Показано, что при правильном сочетании физических, и механических свойств основного и электродного металла величина остаточных сварочных напряжений может быть значительно снижена. Если в процессе сварки приложить к сварному соединению активную нагрузку, то процесс усадки, являющейся одним из источников возникновения остаточных напряжений, будет происходить иначе, чем при сварке элементов, находящихся в свободном состоянии. Это должно вызвать изменение величины и характера остаточных напряжений.

Теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение влияния активных сил (изгибающего момента и растягивающей нагрузки) на деформации и напряжения при сварке дано в работе Н. В. Шиганова [93]. Показано, что в случае сварки под нагрузкой и снятия ее после остывания остаточные напряжения в области шва снижаются на величину, создаваемую внешним моментом. В этом случае остаточные напряжения, достигшие при сварке в свободном состоянии предела текучести основного металла (~2400 кг/см²), при сварке под активной, изгибающей нагрузкой снизились до величины 900 кг/см². Продольная остаточная деформация пластины в результате приложения внешней растягивающей нагрузки, вызывающей напряжения σ = 600 кг/см², снизилась на 75% по сравнению со сваркой в свободном состоянии.

Опыты проводили на образцах при наплавке валика на их кромку или середину с приложением во время этой наплавки растягивающих или изгибающих нагрузок. Результаты испытаний приведены на фиг. 36 и 37. Как видно из фигур, прилагаемые нагрузки резко снизили значение остаточных напряжений.