8.3.1. Отпуск

По объему применения отпуск сварных машиностроительных конструкций превосходит все остальные методы снижения оста-

точных сварочных напряжений. Его основное преимущество - су­щественное снижение напряжений во всей конструкции.

Отпуском сварных конструкций называют их термическую обработку после сварки, состоящую из нагрева и выдержки при температуре не выше Ас.( . Его можно рассматривать одновре­менно и как отпуск закаленных участков металла, и как отжиг для восстановления пластических свойств металла и снижения остаточных напряжений. Для стальных конструкций применяют высокий отпуск (¥Ю-650°С и выше).

Различают общий от­пуск, когда равномерно на­гревают все изделие, и ме - стный отпуск, когда нагре­вают лишь часть конструкции в зоне сварного соединения,. Наибольшее распространение получил общий отпуск. Рас­смотрим вначале общий от­пуск, который проводят в

Отпуск состоит из трех этапов: нагрева, выдержки и ох­лаждения (рис.8.5). Продолжительность нагрева изделия по всему объему до температуры отпуска Тотп определяется его размерами, теплофизическими свойствами и характеристиками пе­чи. Продолжительность выдержки при постоянной температуре всего изделия Тотп зависит от скорости протекания структур­ных превращений и необходимой степени снижения остаточных напряжений. Продолжительность охлаждения определяется ско­ростью охлаждения, которая влияет на свойства металла, и до­пустимой степенью неравномерности температурного поля. При большой разности температуры поверхности Тп и центра изде­лия (глубинных зон) могут образоваться значительные вре­менные напряжения, приводящие к дополнительным пластическим деформациям, а следовательно, и остаточным напряжениям.

На этапе нагрева и выдержки образуются необратимые пластические деформации и деформации ползучести, что и при­водит к снижению напряжений. Пластические деформации проис­ходят в результате протекания сдвиговых процессов, а дефор­мация ползучести - в результате диффузионных. Сдвиговая пластическая деформация протекает практически мгновенно при

достижении интенсивности напряжений предела текучести, Ьі = ♦ Деформации ползучести протекают медленно, для их проявления требуется относительно высокая температура и дли­тельное время.

Снижение остаточных на­пряжений в основном проис­ходит в период нагрева за счет сдвиговых пластических деформаций (рис,,S*6)г, Пусть после сварки остаточные на­пряжения в пластической зоне равны пределу текуче-

сти. Очевидно, что при нагреве напряжения 64(T) бу­дут снижаться так же, как и

предел текучести МП , который полностью определяется мар­кой стали и достигнутой температурой (см. рис.2.2).

Распределение напряжений в сварном соединении после свар­ки неравномерно, поэтому их снижение происходит с различной скоростью. На рис.8.6 показано выравнивание растягивающих напряжений <5, и <5а в пластической зоне в процессе нагре­ва.

Б период выдержки происходит релаксация напряжений. Определяющими являются диффузионные процессы, поэтому напря­жения снижаются медленно (см. рис.8.6). Выдержка сверх не­скольких часов неэффективна. При необходимости достигнуть более существенного понижения напряжений следует повышать температуру отпуска Тотп. Повышение Тотп на 50°С дает эф­фект, соизмеримый с эффектом, получаемым при продолжитель­ности выдержки, равным многим десяткам часов. Например, в стали СтЗ при Т0Т(1= 600°С и времени цикла 4 ч напряжения снижаются от 0^ Д° 0,04 6"s.

На этапе остывания одновременно происходит релаксация напряжений и рост напряжений за счет увеличения модуля упру­гости, поэтому напряжения остаются приблизительно постоянны­ми (см. рис.8.6).

Отпуск используют также для устранения сварочных дефор­маций. Однако если сварное изделие находилось в свободном СОСТОЯНИЙ, то оно после отпуска может и не принять форму до сварки. Если с помощью достаточно жесткого зажимного приспо-

собления изделию Придать необходимую форму и ПОМЄС1 ^ его вместе с приспособлением в печь, то в процессе отпуска на­пряжения в изделии существенно понизятся и при извлечении из приспособления изделие сохранит необходимую форму. Этот прием применяют тогда, когда трудно или невозможно использо­вать методы правки из-за недоступности зон, которые должны быть подвергнуты воздействию, или из-за сложного характера искажения формы конструкции (например, в случае цропеллер-

ности гибких элементов). Прием наиболее эффективен для гиб-

»

ких изделий, у которых значительны сварочные перемещения, а требуемая жесткость приспособления невелика.

В ряде случаев отпуск сварных конструкций (или другой вид термической обработки) проводят с целью улучшения струк­туры металла и его механических свойств. Если сварное соеди­нение неоднородно по температурному коэффициенту линейного температурного расширения d, то в период охлаждения воз­никают дополнительные напряжения, которые суммируются с на­пряжениями, имевшимися к концу периода выдержки. Оценим вновь образующиеся напряжения на примере сварной пластины, основной металл которой низколегированная сталь (перлит П), а шов - аустенит (А) (рис.8.7,в).

После сварки в зоне пластических деформаций продольные напряжения равны пределу текучести аустенита 6sA в пре­делах шва и пределу текучести основного металла 6$п вне шва (рис.8.7,а). Пусть температура отпуска Тотп= 650°С, а средние коэффициенты линейного расширения основного металла и шва равны соответственно dn = 12*10"®°С”^ и =

= І6*ІО-60С-1. При остывании основной металл стремится уко­ротиться на величину £п ^^іЛугп = -12.Ю“б*650 = -0,0078, а металл шва на ~~^Лтп ~ -1б*10~6*650 = -0,0104.Пусть площадь шва пренебрежимо мала относительно площади попереч­ного сечения пластины. Тогда полные продольные деформации пластины, включая шов, будут равны температурным деформациям основного металла . Разность укорочений вызовет в шве упругопластические деформации

єха+ 4.А® *п - ч='0,оо7а-°,ошио, oo£6-o,*

Упругие деформации максимальны:

Ча=2Г'15Р-"0’00,5=‘°',5% ■

Таким образом, получили, что напряжения в шве после от­пуска сохранились, они равны пределу текучести аустенита (рие.8.7,6). Пики растягивающих напряжений ЙЛ в основном металле снялись. Учет упругих деформаций основного металла качественно не изменили бы результата анализа.

Для уменьшения остаточных напряжений в разнородных свар­ных соединениях применяют ме­ханические методы (см. 8.3.3).

Рассмотрим теперь местный отпуск. Этим методом остаточ­ные напряжения уменьшают за счет нагрева отдельных участ­ков сварной конструкции по не­обходимому термическому циклу.

В качестве источника теплоты используют газовое пламя, раз­личные излучатели, теплоту, вы- * делающуюся при прохождении электрического тока, и т. п.

Из-за неравномерности тем­пературного поля и неполной релаксации при нагреве после местного отпуска остаются на­пряжения. Тем не менее мест­ный отпуск применяют не только для улучшения свойств сварно­го соединения, но и для сниже­ния или перераспределения ос­таточных напряжений.

Основная задача при выборе условий местного отпуска со­стоит в том, чтобы конечные свойства и напряжённое состояние сварного соединения были бы как можно ближе к таковым после общего отпуска. Для этого следует создавать такое достаточ­но плавное распределение температуры в изделии, которое бы уменьшило остаточные напряжения в опасной зоне.

Рассмотрим сказанное на примере одностороннего кольце­вого шва с непроваром в корне (рис.8.8,а). При сварке укоро­чение шва в окружном направлении вызывает изгиб стенки трубы с образованием в корне концентрации пластических. деформаций

удлинения и остаточных напряжений растяжения. При ь, * е до­статочно широкой зоны снижаются остаточные напряжения и уст­раняется наклеп металла шва. Остаточные напряжения будут возникать в зонах высоких градиентов температуры, удаленных от концентратора (на рисунке заштриховано}.

Если сварные конструкции представляют собой жесткий кон­тур, то следует назначать сим­метричный нагрев, чтобы снизить реактивные усилия в сварных со - . единениях. Например, в жестком замкнутом контуре целесообразно проводить одновременно нагрев обоих стыков (рис.8.8,6). Сим­метричный нагрев следует сохра­нить, даже если бы один из швов отсутствовал.

Отметим, что условия мест­ного отпуска более сложны по сравнению с общим отпуском, так как больше параметров регулиро­вания. Поэтому в каждом кон­кретном случае, ориентируясь на теорию сварочных деформаций следует выбирать оптимальные ус-