Из-за неравномерности подвода тепла при сварке внутреннее температурное поле, поле напряжений и микроструктура детали претерпевают быстрые изменения, что легко может привести к неравномерной упругопластической деформации. Поэтому детали, обработанные с помощью сварочной технологии, больше подвержены остаточным напряжениям по сравнению с другими методами обработки.

01.Виды сварочных напряжений

Напряжение, присутствующее в сварных конструкциях, можно условно разделить на две категории в зависимости от его причин и свойств.

Термический стресс:Напряжение, вызванное неравномерным нагревом и охлаждением в процессе сварки. Это мгновенное напряжение, которое изменяется в процессе сварки.

Напряжение фазового перехода:Напряжение, вызванное неравномерной трансформацией тканей в области соединения в процессе сварки, часто возникает при высоком углеродном эквиваленте или неправильном процессе.

Ограниченный стресс:Напряжение, вызванное самой конструкцией или внешними ограничениями в процессе сварки.

Водородный стресс:Локальные напряжения в зоне сварного соединения, вызванные диффузионным накоплением водорода в микродефектах после сварки. Когда содержание водорода велико, его легко производить.

Остаточное сварочное напряжение

Напряжение, которое существует внутри конструкции после сварки, иногда называемое остаточным сварочным напряжением, представляет собой самобалансирующееся внутреннее напряжение в любом поперечном сечении конструкции.

Величина и распределение различных сварочных напряжений связаны с характеристиками сварочного материала и стали (такими как прочность и коэффициент расширения), методом сварочного процесса, погонной энергией, параметрами процесса, последовательностью и методом работы сварочного узла, а также конструкцией. сами по себе или внешние ограничения, условия окружающей среды при сварке и т. д. Они часто проявляются в сочетании и суперпозиции.

02 Опасности сварочного напряжения

Возникновение сварочных трещин

При взаимодействии температуры, организации и ограничений жесткости конструкции, когда сварочное напряжение достигает определенного значения, оно становится основной причиной возникновения различных горячих, холодных трещин и т. д., влияющих на качество конструкции и вызывающих потенциальную опасность. и приводящие к ремонту или слому сваренных деталей.

Снизить несущую способность конструкции.

(1) Наложение остаточных напряжений в сварных деталях и рабочих напряжений увеличивает уровень напряжений, которые может выдержать деталь, но в действительности снижает несущую способность конструкции или снижает запас прочности конструкции.

(2) Когда уровень напряжения превышает предел текучести материала, это вызывает пластическую деформацию растяжения в области соединения, поглощающую часть пластичности материала.

(3) В зоне сварки толстостенных конструкций трехмерные пересекающиеся сварные швы или дефекты в сварных швах могут вызвать трехосное растягивающее напряжение, снизить способность материалов подвергаться пластической деформации и стать источником хрупкого разрушения под низким напряжением.

(4) При малоцикловых усталостных нагрузках более высокие растягивающие остаточные напряжения могут вызвать определенную степень деформации в конструкциях, которые использовались в течение длительного времени.

Вызывает коррозию под напряжением

Наличие остаточных растягивающих напряжений вызывает коррозионное растрескивание под напряжением в структуре заготовки в агрессивных средах, что приводит к коррозии под напряжением и хрупкому разрушению под низким напряжением.

Влияет на стабильность структурных размеров

Баланс внутренних напряжений после обработки будет нарушен, особенно в конструкциях, которые необходимо обработать после сварки, что приведет к деформации конструкции или нестабильным размерам обработки.

03 Факторы, влияющие на сварочное напряжение

Влияние структурной формы

(1) Док-станция для планшета. Распределение остаточных напряжений при продольной и поперечной сварке показано на рисунке 1.

(2) Окружной шов цилиндра сосуда под давлением. Величина и распределение остаточных напряжений при продольной сварке связаны с диаметром цилиндра, толщиной стенки цилиндра и шириной зоны сжимающей пластической деформации (как показано на рисунке 2) и возрастают с увеличением диаметр цилиндра, при этом уменьшаясь по мере расширения зоны пластической деформации.

Рисунок 1 Распределение остаточных напряжений в стыковом соединении плоской пластины

Рисунок 2. Распределение остаточных напряжений при продольной сварке цилиндрического кольцевого шва

Влияние жестких ограничений

(1) Док-станция для планшета. Две стальные пластины перед сваркой жестко закреплены в поперечном направлении, и после сварки существенного влияния на продольное напряжение не оказывается. Две поперечные стороны испытывают одно растягивающее напряжение (как показано на рисунке 3). Узкие пластины приводят к высокому сжимающему напряжению, тогда как широкие пластины приводят к снижению сжимающего напряжения. Для длинных сварных швов напряжение на первом конце сварки относительно невелико. После устранения внешнего ограничения ограничивающее напряжение устраняется, а остаточные напряжения перераспределяются.

(2) Закрытый сварной шов соединения закладного блока. В конструкции оболочки имеются трубные муфты или вставки, которые обеспечивают прочные жесткие ограничения. Чем больше жесткость, тем больше внутреннее напряжение. Продольное напряжение (т.е. касательное напряжение σt) в закладном блоке (как показано на рисунке 4) представляет собой растягивающее напряжение вблизи сварного шва, которое может достигать σs; Боковое напряжение (т.е. радиальное напряжение σ r) также является растягивающим напряжением вблизи сварного шва. В центре вкладки, где σ t=σ r, имеется двунаправленное поле напряжений. Чем меньше диаметр вкладки, тем выше значение двунаправленного напряжения. Напряжение переходного сварного шва связано с формой соединения, а напряжение внешнего седла меньше; Вставной тип обладает высокой жесткостью и высокими нагрузками.

Рисунок 3. Влияние жестких ограничений на сварочное напряжение.

Рисунок 4. Сварочное напряжение в закрытом сварном шве блока вставки диска

Влияние толщины пластины и формы канавок

Распределение остаточных напряжений меняется в зависимости от толщины пластины, и нельзя игнорировать поперечное напряжение σy, перпендикулярное оси сварного шва. Измеренные значения остаточных напряжений при многослойной сварке под флюсом сверхтолстой пластины 2,25Cr-1Mo. Стоит отметить, что остаточное напряжение вблизи поверхности достигает своего пика, и это двунаправленное или трехосное напряжение является важной причиной возникновения поперечных трещин в стальном сварном шве этого типа. Если V-образную канавку заменить на двойную V-образную канавку, в основании двойной V-образной канавки будет возникать сжимающее напряжение, что полезно для предотвращения образования сварочных трещин, как показано на рисунке 6. а) Образец для испытаний. ; б) плита толщиной 55 мм: в) плита толщиной 100 мм

Рисунок 6 Распределение остаточных напряжений при симметричной сварке двойной V-образной разделки

Влияние параметров сварочного процесса

С увеличением погонной энергии сварки ширина нагрева и остаточное напряжение увеличиваются, а также увеличивается ширина растягивающих остаточных напряжений.

Влияние направления сварки

Поперечное остаточное напряжение — синтез напряжений, вызванный продольной и поперечной усадкой сварного шва и прилегающей к нему зоны пластической деформации. Его размер и распределение зависят от длины пластины и направления сварки. При сварке от центра к обоим концам центр является сжимающим напряжением; При сварке от обоих концов к центру на обоих концах возникает сжимающее напряжение, как показано на рисунке 7. а) Сварка от центра к обоим концам; б) Приварите оба конца к центру.

Рисунок 7. Влияние направления сварки на распределение боковых остаточных напряжений.

Влияние фазового перехода

При сварке высокопрочных сталей с высоким углеродным эквивалентом ЗТВ и микроструктура шва претерпевают трансформацию из аустенита в мартенсит, что приводит к увеличению удельного объема. При этой температуре перехода материал вновь обретает свою эластичность, что приводит к напряжению фазового перехода. На него накладываются сварочные напряжения, вызванные неравномерной пластической деформацией, которыми могут быть сжимающие напряжения в зоне фазового перехода, а объемное (трехосное) расширение также может вызывать значительные поперечные растягивающие напряжения фазового перехода на определенных участках, что является одним из основных факторов, приводящих к до холодного растрескивания.

04 Методы предотвращения и снижения сварочного напряжения

Принятие разумной последовательности и направления сварки

Основной принцип заключается в том, что при сварке швов на ровной поверхности как продольная, так и поперечная усадка должна быть относительно свободной. Сварной шов с наибольшей усадкой в ​​конструкции следует сваривать первым, например, сначала следует сваривать стыковый шов, а затем угловой шов. При сварке поперечных швов последовательность сварки должна обеспечивать, чтобы места пересечения не были подвержены дефектам и имели низкую жесткость. Как показано на рисунке 8, ABC является разумным, а D – необоснованным.

Рисунок 8. Последовательность сварки поперечных швов

Старайтесь использовать как можно меньшее тепловложение при сварке.

Небольшое тепловложение при сварке может уменьшить диапазон неравномерности зон нагрева и величину усадки сварного шва. В процессе эксплуатации для контроля межслойной температуры при сегментной сварке и сегментированной обратной сварке используются высокоэнергетические методы сварки, такие как сварочные стержни малого диаметра, многослойная и многопроходная сварка, низкоточная быстрая сварка без качания, а также концентрированные источники сварочного тепла. с целью уменьшения тепловложения.

Принятие общего предварительного нагрева

Общий предварительный нагрев может уменьшить разницу температур между областью сварного соединения и всей конструкцией, чтобы уменьшить неравномерную пластическую деформацию, вызванную неравномерным расширением и сжатием в сварочном термическом цикле, и уменьшить сварочное напряжение. Например, при горячем способе сварки чугуна отливка нагревается до 600 ℃.

Молоток

После сварки быстрое и равномерное забивание сварного валика может вызвать пластическую деформацию металла сварного шва, что может уменьшить сварочную деформацию и сварочное напряжение. Как правило, для последовательных ударов следует использовать плоский, длинный и закругленный молоток (который можно модифицировать с помощью долота, но не с заостренным наконечником), с умеренной силой, чтобы воздействовать на диапазон 2 мм. Длину сварного шва и температуру удара следует выбирать исходя из свойств материала. Как правило, корневой сварной валик не следует забивать молотком, чтобы избежать растрескивания, а верхний сварной валик не следует забивать, чтобы не ухудшить внешний вид.

Уменьшите воздействие водорода

Особенно для высокопрочных легированных сталей со склонностью к холодному растрескиванию следует уделять внимание снижению влияния водорода. Если используются сварочные стержни с низким содержанием водорода и щелочные флюсы, которые высушиваются и хранятся в сушильном цилиндре в соответствии с правилами, их можно принимать по мере необходимости для удаления влаги, масла, ржавчины и т. д. с поверхности разделки, контроля температуры среды сварки, а при необходимости провести дегидрирующую обработку, то есть сразу нагреть до 250 ℃ в течение 2-3 часов или до 350 ℃ в течение 1-2 часов после сварки, в зависимости от ситуации.

Лечение стресса

Устранение сварочных остаточных напряжений достигается за счет возникновения растягивающей пластической деформации вблизи зоны сварки и снижения степени остаточной пластической деформации.
(1) Термическая обработка для снятия напряжений (отжиг для снятия напряжений). Нагрейте сварную конструкцию целиком или локально до температуры на 20-30 ℃ ниже точки фазового перехода стали для изоляции, чтобы вызвать пластическую деформацию, необходимую для снятия напряжений за счет ползучести при изоляции. Выдержка при определенной температуре около 1 часа позволяет эффективно устранить напряжение, а большая часть времени, необходимого для термообработки толстостенных конструкций, уходит на нагрев и охлаждение. Этот метод обычно позволяет снять от 70% до 90% остаточного напряжения. В то же время, это также улучшило материал большинства участков сварки стали. Для материалов с отпускной хрупкостью или склонностью к растрескиванию при повторном нагревании важно тщательно выбирать скорость нагрева и температуру изоляции.

(2) Способ загрузки. Использование механических принципов для нагружения и создания пластической деформации в зоне остаточных напряжений сварного соединения и ослабление растягивающей силы в зоне соединения после снижения нагрузки. Этот метод применим только к пластическим материалам с относительно низким пределом текучести, при этом следует обращать внимание на то, чтобы температура воды была выше температуры хрупкого перехода материала. Метод удара также должен следовать этому принципу. В последние годы также были разработаны метод снятия взрывного напряжения и метод снятия вибрационного напряжения.

(3) Метод растяжения при разнице температур (или метод низкотемпературного снятия напряжений). Нагрейте каждую сторону сварного шва соответствующей кислородно-ацетиленовой горелкой, распылите воду через дренажную трубу на определенном расстоянии сзади (см. Рисунок 9) и поддерживайте одинаковое расстояние, чтобы создать температурное поле с высокой температурой с обеих сторон (около 200 ℃). и низкая температура сварного шва (около 100 ℃). Это приводит к тому, что тепловое расширение с обеих сторон вызывает растягивающую пластическую деформацию сварного шва, компенсируя первоначальную усадочную пластическую деформацию и ослабляя остаточное напряжение. Этот метод не представляет большой проблемы для низкоуглеродистой стали, но для легированной стали следует обратить особое внимание на влияние температуры на материал.

Рисунок 9. Метод растяжения разницы температур.