Способ регулирования остаточных сварочных напряжений

(19) 23 К 31/О 51) ГОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЦТИПРИ ГННТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ А ВТОРСКОМЪ С ТЕЛЬСТ.011 (088.8) В,А. Отпуск сварных снижения напряженостроение, 1973ое свидетельство СССР кл. В 23 К 28/00, 1982. ОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЛЕПП 1етение может быть испольия остаточных сварочныхи может быть использовано ена схема обработ ния по предлагаег.2 - номограмма аким.Е.О.Патопроблем мехАН УССР(57) Изобр Изобретение относится к способамрегулированнапряженийв любой отрасли машиностроения для упрочнения сварных соединении преим .щественно в листовых и оболочечных конструкциях, в том числе и больши размеров.Целью изобретения является повышение качества и прочности сварных конструкций.На Лиг.1 изображки сварного соединемому способу; на пизависимости- и -бзразмерных к эФфициентов от тепло 11 изических хар 2зовано в любой отрасли машиностроения для упрочнения сварных соединений, Цель изобретения - повышение качества сварных конструкций. После сварки в изделии создают градиент температур путем охлаждения шва и околошовной зоны с одновременным нагревом соседних с околошовной зоной участков. Области нагрева располагают симметрично относительно сварного шва на расстоянии а от его средней линии, а область охлаждения располага ют на оси сварного шва позади областей нагрева на расстоянии Ъ от линии, соединяющей центры областей нагрева. Расстояние а определяется из номограмм, а расстояние Ъ равно двум радиусам областей нагрева. В процессе обработки области нагрева и охлаждения перемещают2 ил. теристик и толщины конструкции, скорости перемещения источников нагрева и охлаждения и размеров участков нагрева и охлажпения.На Ьиг,1 обозначены сварной шов 1, области 2 нагрева, расположенные симметрично относительно сварного шва, область 3 охлаждения, скорость ч перемещения областей нагрева и охлаждения относительно сварного шва, расстояние а центров областей нагрева от средней линии сварного, шва, расстояние Ь центра области охлаждения от линии, соединяющей центр областей нагрева, движущаяся прямоугольная система координат ОПоскольку после сварки тонкостенных конструкций продольные остаточ осЛные напряжения ц, как правило, вгзоне сварного шва являются растягивающими и намного превышают попереч-ные 6 ууто исходя из условия текуосТчести Треска-Сен-Венана следует, что расстояния а и Ь необходимо выбирать таким образом, чтобы разница возни;аюО6щих продольныхи поперечных ЯЧЧ температурных напряжений в зоне сварного шва (при у = О) была положительной и возможно большей по величине. При этом пластические деформации удлинения, уменьшающие остаточные пластические деформации укорочения от сварки, и, соответственно, остаточные напряжения будут проходить в тех зонах сварного шва, где сумма вели О чинБосТОД ост ЧЧ Ь б, Г 25достигает предела текучести б,Определим величину 6 для наиболее распространенного на практике случая нагрева газовыми горелками, удельный тепловой поток которых по радиусу области нагрева равенс 1 = .П ехр(-Кг 2),где о- наибольший удельный. тепло 35вой поток в центре областинагрева;К - коэффициент сосредоточенности нагрева;г - расстояние от центра об-.ласти нагрева.Для разницы температурных напряжений на средней линии сварного шва (т.е. при у = 0) при нагреве двумя одинаковыми областями нагрева с центрами в точках (О, ъ ) и (О,-уо) справедлива Формула)гн - безразмерные параметры, заннсящие от теплофизических характеристик, толщины конструкции, коэффициента теплоотдачи.скорости перемещения и разме,ров областей нагрева.Таким образом, задача определения расстояния а сведена к нахождению таких значений переменных =и1при которых величина у является наибольшей. Из (1) следует, что величиныи ) зависят только от безразмерных параметрови )Результаты расчетов представлены в виде номограмм (Фиг.2).С использованием приведенных номо- грамм определение расстояний а проводится следующим образом. На основаниизаданных величин аЯ 0 )1 7 Г.вычисляются параметры (и Я; ис-, ходя из вычисленных значенийинаходят из номограмм на Фиг.2 вели.чину ) и на основании ее затем опп ределяют а =/Я.51632На основании анализа численных Т- Такс 2(т/(Е ( )Поэтому наибольший удельный тепловойпоток в центре области нагрева с 1необходимо выбирать таким образом,чтобыТ ( 2 Г/(ЕЖ) . 30 П р и м е р, Пусть необходимо понизить остаточные растягиваюцие напряжения в сварной пластине толщиныЬ = 0,01 м. Материал, пластины сталь09 Г 2 С со следующими механическими35и теплофизическими характеристиками:Е = 2 10 ГПа; М= 13,510 градБ. = 300 МПа; а = 13 10 м/с;= 41,6 Вт//м град). Для нагрева иохлаждения используют перемещающиесясо скоростью ч = 0,005 м/с круговыеобласти радиуса г = г,= 0,02 м, условия теплообмена между пластиной иокружающей средой характеризуютсякоэффициентом теплоотдачи М = 832 Вт/ ./(м оград,). Определим значения величин а, Ь и Такс для данного случая.Определяем сначала значение пара- .метра а, Для этого подставим значение величин а, 9, 0, Ь, ч, г в (1)и определим параметры Я,и. Врезультате получим: Я= 1923 м0,054;= 7,4. На основанииполученных значенийииз фиг.2 следует, что + = 8. Отсюда а =55 = 0,042 м.Далее на основании величин гц, Е Ж.и ф определяем Ь и Т ., В ререзультатов, полученных с использова-, нием пормулы (1) при А = - ЕЫ/(4 К) и у = О, установлено, что величина 5 возрастает при применении дополни 5 тельного охлаждения. Как показали расчеты, для достижения максимального значения величины 0" области охлаждения необходимо размещать на свар ном шве позади на расстоянии Ь от линии, соединяющей центры источников нагрева. В случае, когда источники охлаждения распределены по кругу Радиуса г = г, как показали исследования, расстояние Ь = 2 гДля предотвращения возникновения новых пластических деформаций и, как следствие, остаточных напряжений в зонах, подвергающихся нагреву, мак симальная температура конструкции при таком нагреве должна удовлетворять дополнительному условию 096зультате получим: Ь = 0,04 м;Т= 212 С.Таким образом для данного случаяобласти нагрева необходимо размещать на расстоянии а = 0,042 м отсредней линии сварного шва, а областьохлаждения позади на расстоянииЬ = 0,04 и от линии,. соединяющейцентры областей нагрева. При этомтемпература в зонах, подвергающих-:ся нагреву, не должна превышать значения Т = 212 С,Для практической реализации предлагаемого способа регулирования остаточных сварочных напряжений по предложенной схеме (Фиг.1) проведеныэкспериментальные исследования натрех пластинах из стали марки ВСтЗспразмером 600 х 300 х 12 мм, Остаточныенапряжения в каждой из пластин наводились путем наплавки валиков посре-,дине пластин в их продольном направ"лении. Перед наплавкой валиков всетри пластины подвергались отжигу втермопечи с целью снятия остаточныхнапряжений, которые могли возникнутьв процессе их изготовления. Термообработку каждой из пластин проводилирасположенными симметрично относительно сварного шва (валика) движущимися газовыми горелками с ацетилкислородным пламенем. Горелки были смонтированы на самоходной тележке с двигателем, регулирующим заданную скорость перемещения. На тележке позадигорелок при необходимости подсоединяли шланг охлаждения сварного шваохлаждающейся жидкостью (газом).Контроль температуры при нагревевыполняли с помощью хромельалюмеле"вых термопар (диаметром проволоки0.,3 мм), которые были зачеканенына глубину 6 мм, Определение продольных остаточных напряжений в пластине,не прошедшей термообработки, и в двухтермообработанных пластинах проводили механическим методом путем разрезки пластин на полосы. При этом возникающие при разрезе деформации металла измеряли тензодатчиками Кф 5 П 1-5100-5-12, которые наклеивали с двухсторон каждой из пластин.Термообработку сварных швов пластин выполняли при следующих параметрах: ч = 0,42 см/с; г+ = 1,5 см;г = 1,5 см; а = 5 см; Ь = 3 см.При этом в качестве охлаждающей жидкости использовали воду, и максимальая температура Т ц при такой термобработке достигала в среднем сече- ии пластины 242 С. Результаты экспериментальных иссле 5 званий продольных остаточных напряений в окрестности сварного шва оказали, что применение совместно с агревом дополнительного охлаждения варного шва позволяет не только пол-,10 остью снять в зоне сварного шва осаточные напряжения растяжения, а и авести там остаточные напряжения жатия,Таким образом, способ позволяет 15 егулировать остаточные напряжениязоне сварных соединений в достаточо широком диапазоне с наведением при еобходимости на сварном шве остаточых напряжений сжатия. 20Использование способа позволяет ачительно повысить несущую способ-зсть соединений и существенно соктить расход энергии, особенно в учае термообработкн листовых и обочечных конструкций с протяженными ами, для которых по технологическим .ловиям нет возможности проведения новременного нагрева, что дает поло- тельный эффект по сравнению с изве-. :30 ным способом.У Формула изобретенияСпособ регулирования остаточных сварочных напряжений преимущественно при сварке элементов малых толщин листовых и оболочковых конструкций, при котором после сварки в изделии создают градиент температур путем охлаждения шва и околошовной зоны с одновременным нагревом соседних с околошовной зоной участков, которые располагают симметрично относительно сварного шва и на равном расстоянии от него, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения качества сварных конструкций, сначала определяют номограмму зависимостейв , и-безразмерных параметров, зависящих от теплофизических характеристик и толщины и конструкции, скорости ч и размера участков нагрева, определяют расстояние а из соотношения а = Г /Я, где ; находят по упомянутой номограмме; И = ч/Ь а, где а - коэффициент температуропроводности, зону охлаждения располагают на оси сварного шва позади участков нагрева на расстоянии Ь, равном двум радиусам зон нагрева, и в процессе обработки зоны нагрева и охлаж