Способ регулирования остаточных сварочных напряжений

 

Изобретение может быть использовано 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 располагают на оси сварного шва позади областей нагрева на расстоянии b от линии , соединяющей центры областей нагрева . Расстояние а определяется из номограмм, а расстояние b равно двум радиусам областей нагрева. В процессе обработки области нагрева и охлаждения перемещают. 2 ил. « (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 В 23 К 31/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР

1 (? 1) 4665? 03/27 (22) 23.03.89 (46) 07.03.91.Бюл. ¹- 9 (71) Институт электросварки им.Е.О.Патона и Институт прикладных

° проблем механики и математики АН УССР (72) П.П.Михеев, В.Н.Максимович, Л.В.Хомляк, А.З.Кузьменко и Е.Н.Новосад (53) 621.791.75.011 (088.8) (56) Винокуров В.А. Отпуск сварных конструкций для снижения напряжений. — М.: Машиностроение, 1973., с.213.

Авторское свидетельство СССР . ¹ 1085724, кл. В 23 К 28/00, 1982. (54) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ОСТАТОЧНЫХ СВАРОЧНЫХ НАПРЯУ<ЕНИЙ (57) Изобретение может быть испольИзобретение относится к способам регулирования остаточных сварочных

I напряжений и может быть использовано в любой отрасли машиностроения для упрочнения сварных соединений преиму.щественно в листовых и оболочечных конструкциях, в том числе и больших размеров.

Целью изобретения является повышение качества и прочности сварных конструкций.

На фиг.1 изображена схема обработки сварного соединения по предлагаемому способу; на фиг.2 — номограмма зависимости t — и P — безразмерных коэффициентов от теплофизических харакÄÄSUÄÄ 1632709 А 1

2 зовано 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 располагают 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 перемещают ° 2 ил. теристик и толщины конструкции, скорости перемещения источников нагрева и охлаждения и размеров участков нагрева и охлаждения.

На фиг.1 обозначены сварной шов

1, области 2 нагрева, расположенные симметрично относительно сварного шва, область 3 охлаждения, скорость

v перемещения областей нагрева и охлаждения относительно сварного шва, расстояние а центров областей нагрева от средней линии сварного, шва, расстояние Ъ центра области охлаждения от линии, соединяющей центры областей нагрева, движущаяся прямоугольная система координат О .

1632709

Поскольку после сварки тонкостенных конструкций продольные остаточ ос ные напряжения о»», как правило, в

Ф зоне сварного шва являются растягивающими и намного превышают попереч- ные 6 р то исходя из условия текуосТ чести Треска-Сен-Венана следует, что расстояния а и Ь необходимо выбирать таким образом, чтобы разница возникаю-1О

6 щих продольных б»» и поперечных 8ЧЧ 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 величин

gOcT 6 ос осТ

ЧЧ.6 +

= @xx yy

25 достигает предела текучести б .

Определим величину 6 для наибо6 лее распространенного на практике случая нагрева газовыми горелками, удельный тепловой поток которых по радиусу области нагрева равен

q = < ехр(-K r ), -г Р = (р )=А ) (;,-- +2 — — )E г, р о ) „еу а 5О о

-г р

2 () г

cl ( и аб ЕФ где А = -"- — — ;

2К, 55

fl

Е = ехр

1 " "+)з).1 где q — наибольший удельный. тепло35 вой поток в центре области нагрева;

К вЂ” коэффициент сосредоточенности нагрева; расстояние от центра об-. ласти нагрева.

Для разницы температурных напряжений на средней пинии сварного шва (т.е. при у = 0) при нагРеве двумя 45 одинаковыми областями нагрева с центрами в точках (О, р ) и (О,-уо) справедлива формула ехр (-ф); и =((те)г

1, ггг

8а+

g. a

4 — —— р

Q = v/(2à );

Š— модуль Янга; коэффициент линейного температурного расширения;

5 — коэффициент теплопроводности; а — коэффициент температуропроводности

g. — коэффициент теплоотдачи:

Ь вЂ” толщина конструкции;

r<- радиус области нагрева; (и — безразмерные координаты, (H p- безразмерные параметры, заннсящие от теплофизических характеристик, толщины конструкции, коэффициента теплоотдачи. скорости перемещения и размеРов областей нагрева.

Таким образом, задача определения расстояния а сведена к нахождению таких значений переменных = и р р» — при которых величина у является наибольшей. Из (1) следует, что величины и зависят только от безразмерных параметров и °

Результаты расчетов представлены в виде номограмм (фиг.2).

С использованием приведенных номограмм определение расстояний а проводится следующим образом. На основании заданных величин а», Я,OC,h, v, r вычисляются параметры (, и Q ис-, ходя из вычисленных значений P a f находят из номограмм на фиг.2 вели чину » и на основании ее затем опп ределяют а = g» /Я.

16327

На основании анализа численных

TC Т, = 2Q /(EOLq ) .

Поэтому наибольший удельный тепловой .поток в центре области нагрева q, необходимо выбирать таким образом, чтобы

Т 2Gт/ (ЕО

Пример. Пусть необходимо понизить остаточные растягиваюцие напряжения в сварной пластине толщины

h = 0,01 м. Материал. пластины сталь

09Г2С со следующими механическими

35 и теплофизическими характеристиками:

E = 2 10 ГПа; Kq = 13,5 10 град

5. = 300 MIIa а = 13 10 м /с; ф = 41,6 Вт//м град). Для нагрева и охлаждения используют перемещающиеся со скоростью v = 0,005 м/с круговые области радиуса r = r,= 0,02 м, условия теплообмена между пластиной и окружающей средой характеризуются коэффициентом теплоотдачи OC = 832 Вт/ .

/(м оград.). .Определим значения величин а, Ь и T äKo для данного случая.

Определяем сначала значение пара- . метра а. Для этого подставим значение величин а1, ф, 0, h v г .. в (1) и определим параметры Я, 8 и / . В результате получим: Я = 192 3 м

P == 0,054; (= 7,4. На основании полученных значений Р и (из фиг.2 следует, что + = 8. Отсюда а =

= 0,042 м.

Далее на основании величин,гц, Е

g+ g< определяем Ь и Т;„. В ререзультатов, полученных с использова-. нием формулы (1) при А = -q E0(g/(4Ê ) и у = О, установлено, что величина

5 возрастает при применении дополни5 тельного охлаждения. Как показали расчеты, для достижения максимального значения величины Q области ох— лаждения необходимо размещать на свар- 10 ном шве позади на расстоянии Ь от линии, соединяющей центры источников нагрева. В случае, когда источники охлаждения распределены по кругу

Радиуса го г% как показали ис следования, расстояние Ь = 2 r

Для предотвращения возникновения новых пластических деформаций и, как следствие, остаточных напряжений в зонах, подвергающихся нагреву, мак- 20 симальная температура конструкции при таком нагреве должна удовлетворять дополнительному условию

09

6 зультате получим: Ь = 0,04 м;

Т,„,= 212 С.

Таким образом для данного случая области нагрева необходимо размещать на расстоянии а = 0,042 м от средней линии сварного шва, а область охлаждения позади на расстоянии

b = 0,04 и от линии,. соединяющей центры областей нагрева. При этом температура 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) проведены экспериментальные исследования на трех пластинах из стали марки ВСт3сп размером 600х300х12 мм. Остаточные напряжения в каждой из пластин наводились путем наплавки валиков посре-, дине пластин в их продольном направ" лении. Перед наплавкой валиков все три пластины подвергались отжигу в термопечи с целью снятия остаточных напряжений, которые могли возникнуть в процессе их изготовления. Термообработку каждой из пластин проводили расположенными 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 позади горелок при необходимости подсоединяли шланг охлаждения сварного шва охлаждающейся жидкостью (газом).

Контроль температуры при нагреве выполняли с поМощью хромельалюмеле": вых термопар (диаметром проволоки

0.,3 мм), которые были зачеканены на глубину 6 мм. Определение продольных остаточных напряжений в пластине, не прошедшей термообработки, и в двух термообработанных пластинах проводили механическим методом путем разрезки пластин на полосы. При этом возникающие при разрезе деформации металла измеряли тензодатчиками КФ5П1-5100-5-12, которые наклеивали с двух сторон каждой из пластин.

Термообработку сварных швов пластин выполняли при следующих параметрах. v = 0,42 см/с; r+ = 1,5 см;

r = 1,5 см; а = 5 см; b = 3 см.

При этом в качестве охлаждающей жидкости использовали воду, и максималь

1б32 709 ая температура Т ц„„при такой термобработке достигала в среднем сече- ии пластины 242 С.

Результаты экспериментальных иссле5 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 напряжения зоне сварных соединений в достаточо широком диапазоне с наведением при еобходимости на сварном шве остаточых напряжений сжатия. 20

Использование способа позволяет

«ачительно повысить несущую способ- | зсть соединений и существенно сок тить расход энергии, особенно в (учае термообработкн листовых и обо>чечных 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.

Формула изобретения

Способ 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 юшийся тем, что, с целью повышения качества сварных конструкций, сначала определяют номограмму зависимостей †. и Р -безразмерных параметров, зависящих от теплофизических . характеристик и толщины h конструкции, скорости v и размера участков нагрева, определяют расстояние а из соотношения а = Г /Я, где .» находят по упомянутой номограмме; И - v/h a+ 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 охлаж1632709

/О l2

О ? 9 б

Составитель Л. Назарова

Редактор ОЛрковецкая Техред М.Дидык .

Корректор С.Шекмар

Заказ 583 Тираж 51б Подписное!

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101