книги / Сварка магниевых сплавов
..pdfи АЦМ. Механические свойства сварных соединений и основно го металла (во всех случаях толщиной 2,5 мм) определяли на образцах с надрезами (рис. 65). Надрезы на разрывных образ цах выполнялись аналогично образцам на ударный и статичес кий изгиб: угол 45°, высота 2 мм, радиус в вершине 0,1 мм.
Сварные соединения из сплава МА2-1 при статическом рас тяжении оказываются более чувствительными к концентрации напряжений, чем сварные соединения из сплавов АМгб и АЦМ. Коэффициент действия надреза (т. е. отношение прочности, об разцов с надрезом к прочности ненадрезанных образцов кн = —dglGe) составляет: для сварных соединений из сплава МА2-1
kH—0,66—0,75, из сплава АМгб kn — 0,78, а из сплава АЦМ £„ = 0,91. Во всех сплавах снижение прочности из-за надреза в сварных соединениях происходит в большей степени, чем из-за надреза в основном металле.
Сплав МА2-1 и сварные соединения из него обладают значи тельно более низкой ударной вязкостью, чем алюминиевые спла вы. Ударная вязкость сварных соединений из сплава МА2-1 с надрезами по центру шва и по зоне сплавления выше, чем удар ная вязкость основного металла.
Стрела прогиба от начала нагружения до появления трещи ны fnn и стрела прогиба от появления трещины до полного раз рушения образца /разр позволяют оценить пластические свойст ва металла в месте надреза. Представляет интерес сравнить пластичность сварного соединения в зоне сплавления с пластич ностью в центре металла шва и с пластичностью основного ме талла. Стрела прогиба сплава МА2-1 в зоне сплавления близка к стреле прогиба в центре шва, в то время как у сплавов АМгб и АЦМ она значительно меньше (табл. 50). С другой стороны, различие в пластических свойствах металла шва и основного металла у сплава МА2-1 больше, чем у алюминиевых сплавов.
СВАРОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ
В результате неравномерного местного нагрева металла сва рочной дугой в сварной конструкции возникают напряжения, вызванные деформациями расширения и сжатия металла при его нагреве и остывании.
Если изучению напряженного состояния сварных конструк ций из сталей посвящено много работ, то вопросам остаточных напряжений в сварных конструкциях из сплавов на основе алю миния и особенно магния уделено очень мало внимания. Дан ные экспериментальных исследований остаточных напряжений в сварных соединениях из магниевых сплавов в литературе не встречаются.
По вопросу о влиянии, оказываемом сварочными напряже ниями на работоспособность сварной конструкции, еще нет
101
о
to
Сплав
Основной
металл
МА2-1
Сварное
соединение
! |
|
i |
Основной |
| |
|
АМгб ! |
металл |
1 |
|
1 |
|
1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
Таблица |
50 |
Результаты механических испытании сварных образцов |
|
|
||||
|
|
1 |
|
|
|
сз |
|
|
1 |
н |
Статический изгиб |
||
|
|
1 |
я 8 |
|||
Вид образца |
ав |
. |
°в |
|
|
я £ |
в кГ-см/см* |
|
s g |
||||
|
в кГ/мм* |
*«= |
„ |
|
е сз |
|
|
|
|
°в |
?ПЛ |
fpa3P |
££* |
|
|
|
|
|
|
>>са |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
Без |
надреза |
28,8—29,1 |
|
— |
IJ |
28,9 |
|
|||
|
|
|
|
||
|
|
27,4—28,2 |
|
|
|
|
С надрезом |
|
0,96 |
||
|
27,8 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
! |
Без |
надреза |
24,4—25,2 |
|
— |
24,8 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
С надрезом по центру шва |
15,7—17,4 |
|
0,66 |
|
|
16,5 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
То же, по зоне сплавления |
17,0—20,2 |
|
0,75 |
|
|
18,6 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
! |
|
|
1 |
|
|
|
|
! 34,3—37,4 |
1 |
' |
|
I |
Без |
надреза ........................ |
|||
1 |
|
|
35,8 |
i |
|
! |
|
|
31,7—32,8 |
|
|
1 С надрезом |
|
0,91 |
|||
32,2 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
_ |
— |
|
— |
i — |
|
|
i |
|
|
|
|
44—51 |
0,28—0,60 |
|
1,39—1,90 |
— |
|
48 |
0,44 |
|
1,63 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
— |
|
1 |
|
70 |
|
|
|
|
||
|
65,8—67,5 |
1,18—1,60 |
|
1,8—2,7 |
— |
|
66,8 |
1,39 |
|
2,25 |
|
|
|
|
|||
|
48,0—54,6 |
1,16—1,42 |
|
2,2—2,5 |
— |
|
51,3 |
1,29 |
|
2,3 |
|
|
|
|
|||
i |
|
I |
|
|
1 |
|
|
|
|
||
1 |
_ |
|
|
|
1 |
! |
|
|
|
|
|
|
230—270 |
1,2—1,50 |
|
2,64—2,70 |
|
; |
250 |
1,35 |
! |
2,68 |
|
Сплав
Сварное АМгб соединение
Основной
металл
АЦМ*
Сварное
соединение
Вид образца
Без надреза ............................
С надрезом по центру шва
То же, по зоне сплавления
Без надреза...........................
0 надрезом
Без надреза ...........................
С надрезом по центру шва
То же, по зоне сплавления
ав в кГ/ммг
31,1—32,2
31,6
23,0—26,2
24,6
23,0—26,2
24,6
42,5—43,8
43,1
41,5—44,3
42,9
I 29,4—33,2 31,3 26,4—31,1 28,7 26,3-29,1 28,7
1
н
kH — а* ав
!
0,78
0,78
—
0,99
1
1
9
1 | 0,91
•
0,91
!
!
П р о д о л ж е н и е т а б л . 50
1 |
|
|
Статический изгиб |
|
cd |
|
|
|
|
|
\о |
||
|
|
|
|
|
|
К * |
|
ан |
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
SB^ |
|
|
в кГ • см/см* |
|
|
|
|
к ca |
|
|
|
fпл |
haaP |
|
о g. |
|
|
|
|
u u |
||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
— |
— |
|
120 |
|
225—235 |
|
1,86—2,9 |
3,2—4,3 |
|
— |
|
230 |
|
2,38 |
3,7 |
|
|
|
|
|
|
|||
|
140—202 |
|
1,32—1,60 |
2,0—2,4 |
|
|
|
171 |
|
1,46 |
2,2 |
|
|
1 |
|
|
1 |
|
! |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
— |
1 |
|
|
|
|
|
|
j |
124—135 |
1 0,72—0,78 |
1,9—2,1 |
|
|
|
1 |
129 |
| |
0,75 |
2,0 |
|
|
! |
|
|
|
|
•1 |
|
|
_ |
| |
|
|
1 |
100 |
|
|
|
j |
|||
|
|
j |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
154—168 |
1 1,28—1,76 |
2,5—2,7 |
1 |
— |
|
|
161 |
! |
1,52 |
2,6 |
|
|
|
|
|
I
!97—115 0,64—0,94 ! 1,6—2,1
! |
106 |
0,791 |
| |
1,85 |
1 |
|
1 |
|
1 |
• Термообработка перед сваркой 450°С: охлаждение в воду; после сварки 100°С 100 ч, присадочный металл АМгб.
единого мнения. Практика эксплуатации сварных конструкций по казывает, что в большинстве случаев наличие сварочных напря жений не приводит к снижению несущей способности сварных конструкций. Однако возможны случаи, когда сварочные напря жения могут снизить работоспособность сварной конструкции. Помимо этого, сварочные напряжения могут вызывать дефор мацию деталей во времени. Поэтому технология сборки и свар ки конструкции должна обеспечивать минимальные сварочные напряжения и там, где это диктуется условиями работы конст рукции, предусматривать снятие сварочных напряжений.
Авторами при изучении остаточных сварочных напряжений был использован механический метод определения остаточных напряжений с помощью съемного деформометра с базой 10 мм конструкции МВТУ им. Баумана. На поверхности сварных сое динений наносили базы измерения и снимали первоначальные показания. Измеряемая площадка с базами вырезалась механи ческим способом. При нарушении целостности детали, имеющей остаточные напряжения, условия равновесия последних изменя ются, что приводит к упругим деформациям отдельных частей детали. Измеряя эти упругие деформации и учитывая связь их с остаточными напряжениями, выражаемую законом Гука, мож но рассчитать величину тех остаточных напряжений, которые существовали в детали до нарушения ее целостности.
Величину и распределение сварочных напряжений определя ли на сварных пластинах из сплава МА2-1. Ввиду малой жест кости листов толщиной 2—6 мм все измерения проводили при плотном прижатии образцов в специальном приспособлении. Главные напряжения, направленные вдоль шва и перпендику лярно к нему, определяли по результатам измерения соответст вующих деформаций:
а х = (е* + |хе„);
аи= х_ ■ (е„+ цв*),
где о*, Gy — главные напряжения в кГ/мм2; Е — модуль упругости;
\i — коэффициент Пуассона;
ех, еу — -относительные деформации -в главных направле ниях.
Рассматривая кривые на рис. 64, можно видеть, что остаточ ные напряжения в соединении из сплава МА2-1 действуют в не посредственной близости к шву и резко затухают на расстоянии 20—30 мм от шва. Продольные напряжения имеют максималь ное значение (10,3 кГ/мм2) в средней части образца и резко снижаются по мере удаления от шва к периферии в поперечном направлении. Поперечные напряжения меняются по длине шва
104
и так же резко уменьшаются по мере удаления от шва в попе речном направлении. Характер распределения напряжений в соединениях из сплава МА2-1 такой же, как и в соединениях из алюминиевого сплава АМгб; максимальные напряжения в шве из сплава МА2-1 значительно ниже, чем в сплаве АМгб.
6 КГ/мм 2
Рис. 66. Распределение продольных ах и попе речных ау остаточных сварочных напряжении в соединениях из сплава МА2-1 в зависимости от толщины свариваемого металла
Величина и распределение напряжений и деформаций зави сят от толщины свариваемых элементов и технологии сварки (рис. бб). При однопроходной сварке напряжения возрастают с увеличением толщины свариваемых элементов. При двусторон ней многопроходной сварке элементов с Х-образной разделкой подобного явления не наблюдается. Наоборот, с увеличением толщины свариваемого элемента несколько снижается уровень напряжений. Это, по-видимому, связано с последовательностью наложения сварных швов. При прочих равных условиях Х-об- разная подготовка кромок благодаря симметричному располо жению швов относительно нейтральной оси обеспечивает мень шую угловую деформацию, чем V-образная.
При сварке пластины толщиной 8 мм за два прохода по Х-образной разделке и плиты толщиной 30 мм за три прохода с каждой стороны (каждый последующий шов накладывали с противоположной стороны) напряжения, вызванные предшест вующим швом, снижались от теплового воздействия последующе го шва.
8 — 34 |
103 |
о
cn
6gкГ/мм*
АМгб
*
6д КГ/ММ*
МА2-1
О
шфшттШк
■ю
•
20
Ю
’
О
-Ю
АМгб |
|
|
V |
A h Г 6 |
|
^-4 |
|
|
|
||
/ 4 |
•> |
„ ч |
|
||
N . |
С |
Подборт |
'Л |
|
|
> |
|
fc==r=r |
|||
|
|
_J ___ 1___ 1 |
|
*О |
|
|
|
|
/ т ппдВагжой |
||
|
|
|
|
»-—«Оуу |
|
\ |
|
А |
О——• бц |
|
" 1 |
Р\N - . |
У |
/ - |
1 |
|
---\^г—
•
N
— . *
|
— --+ б у |
|
4 |
$ |
|
У |
||
г |
•— *б4
jN**
у
^Подборка ^
__I 1 I > * f*-с подбаркой
:-------- к с и
без
'подбарки
а)
Рис. 67. Распределение продольных ах и поперечных ау остаточных напряжений в 2,5 мм:
у\
Т
|
&г |
7 пгп ггА 1 |
Л - ~ |
CU |
|
’_____ ) |
^ |
, / /7/Щ В0 |
|
|
— V |
j=J; Ш 5
сварных соединениях толщиной
а — .без лодварки; б — подварка в середине шва; в — подварка по всему шву
При изготовлении сварных конструкций иногда приходится подваривать шов на небольшом его участке. Лишь в редких случаях (занижение шва, подрез по всей длине шва и т. п.) под варочный шов накладывают в виде второго прохода. Каждый подварочный шов, накладываемый на основной шов, имеющий
начальные |
деформации и |
|
|||
напряжения, в |
зависимости |
|
|||
от протяженности |
по-разно |
|
|||
му влияет |
на |
напряженное |
|
||
состояние сварного элемен |
|
||||
та (рис. 67). Влияние под |
|
||||
варки |
(частичной |
и но всей |
|
||
длине |
шва) |
на |
характер |
|
|
распределения |
остаточных |
|
|||
напряжений исследовали на |
Рис. 68. Поперечная трещина в райо |
||||
сварных образцах размером |
не местного ослабления |
400X300X2,5 мм трех серий:
без подварки, с подваркой в середине шва на участке 90—100 мм и с подваркой по всей длине шва.
Из приведенных эпюр остаточных напряжений видно, что местная подварка образцов из сплава МА2-1 вызывает замет ный рост продольных и пеперечных растягивающих напряжений на участке подварки (рис. 67,6). В особенности интенсивно воз растают поперечные напряжения, которые могут приводить к появлению продольных трещин. Максимальные растягивающие напряжения достигают величины, близкой пределу текучести. Аналогичные результаты получены на сплаве АМгб, но в этом случае от действия местной подварки в основном растут попе
речные растягивающие |
напряжения (рис. 67,6). Величина |
вто |
рой составляющей напряжений практически не меняется. |
При |
|
наложении подварочного |
шва по всей длине в виде второго |
ва |
лика продольные и поперечные напряжения растяжения и сжа тия практически сохраняются неизменными в обоих направлени ях (рис. 67,в). Аналогичные результаты получены на сплаве АМгб.
На практике приходится сваривать элементы с какими-либо, местными ослаблениями в районе сварки, например в виде вы реза, отверстия, дефекта в металле и т. п. (рис. 68). При этом возможно образование поперечных трещин даже на пластичном металле. Важное значение имеет неравномерный разогрев кро мок при сварке, связанный с различным теплоотводом.
Шов в районе отверстии в зависимости от расстояния между
отверстием и стыком имеет несколько , |
расширенную форму. |
В дальнейшем после охлаждения в этом |
месте, возникают .про |
дольные усадочные напряжения максимально возможной вели чины, которые в сочетании с поперечными напряжениями' того же рода и порядка создают поле плоскостных напряжений вьь сокйх значений, граничащих с разрушающими''напряжениями.
8* |
107. |
В сумме с напряжениями от действия внешних эксплуатацион ных нагрузок они создают очаги вероятных разрушений.
Для исследования распределения остаточных напряжений в шве при близком расположении отверстий были сварены образ цы из сплава МА2-1 размером 400x300x2 мм. Отверстия диа метром 10 мм .имели различное расположение относительно сва риваемых кромок (рис. 69). Максимальные продольные растяги-
б кГ/мм2
1.VV44VVV44VVV44VM; [ЧУУУУУЧУЧЧ'^ Т |
* Р.\ЧЧ\У\У^ЧЧЧ\Т 11Ч^У\ЧЧЧЧЧУчЧЧУ-1 |
||
I |
Ф4 |
Ф |
I |
т
Рис. 69. Распределение напряжений вдоль шва в зависимости от расположе ния местного ослабления
вающие напряжения в шве наблюдались на перемычках между соседними отверстиями лишь в случае близкого их расположе ния к стыку (на расстоянии 5 мм) . При этом продольные растя гивающие остаточные напряжения в шве на перемычках дости гали 12,5—15 /сГ/лш2, снижаясь по мере увеличения расстояния между отверстиями и стыком. Заметно снижались продольные остаточные напряжения лишь при удалении отверстий от стыка на расстояние 70 мм. Таким образом, отверстия следует свер лить после сварки или располагать их на расстоянии, обеспечи вающем равномерный разогрев кромок по стыку.
Собственные напряжения в сварной конструкции складыва ются из напряжений, вызванных пластической деформацией ме талла в районе сварного шва, и напряжений, связанных с изме нением размеров деталей при нагреве и охлаждении в процессе сварки. Последние могут достигать весьма значительных вели чин и приводить к появлению трещин в сварных соединениях (чаще всего в районе зоны сплавления) при температурах ниже солидуса. Именно такое явление отмечалось при изготовлении
108
штампо-сварной конструкции из сплава МА2-1. При вварке фланцев в обечайку толщиной 1,5 мм из сплава МА2-1 не уда лось получить соединения хорошего качества, появлялись тре щины в околошовной ‘зоне вследствие большой жесткости конст рукции, препятствующей пластическому течению металла и при водящей к значительным сварочным напряжениям (рис. 70).
Некоторые |
технологи |
|
|
|
|
|
||||||
ческие «приемы позволили |
|
|
|
|
|
|||||||
изготовить работоспособ |
|
|
|
|
|
|||||||
ную |
конструкцию. |
|
Про |
|
|
|
|
|
||||
цесс |
|
сварки |
|
фланцев |
|
|
|
|
|
|||
встык |
(в |
последователь |
|
|
|
|
|
|||||
ности, |
|
указанной |
на |
|
|
|
|
|
||||
рис. |
70) |
вели |
с местным |
|
|
|
|
|
||||
сопутствующим |
подогре |
|
|
|
|
|
||||||
вом и медленным охлаж |
|
|
|
|
|
|||||||
дением, а также с приме |
|
|
|
|
|
|||||||
нением |
|
промежуточных |
|
|
|
|
|
|||||
отжигов всего узла после |
|
|
|
|
|
|||||||
приварки |
каждых |
четы |
|
|
|
|
|
|||||
рех фланцев |
при |
темпе |
|
|
|
|
|
|||||
ратуре |
250°С |
в |
течение |
|
|
|
|
|
||||
30 |
мин. |
Подогрев |
до |
Рис. 70. Пример сварной конструкции из |
||||||||
150°С осуществляли газо |
||||||||||||
вой горелкой. Медленное |
сплава |
МА2-1: |
|
|
||||||||
1—7 — последовательность |
приварки |
фланцев |
||||||||||
охлаждение, |
заключаю |
к обечайке |
толщиной |
1,5 мм |
||||||||
щееся |
в |
подогреве |
|
узла |
осуществляли |
с помощью |
газового |
|||||
сразу после сварки, |
также |
|||||||||||
пламени. Температуру определяли термокарандашами. |
течение |
|||||||||||
Термообработка: нагрев |
до температуры 250°С |
в |
30 мин полностью снимает остаточные сварочные напряжения, что подтверждено специальными замерами. Неполный отжиг (120°С, 30 мин) снижает остаточные напряжения примерно вдвое и в некоторых случаях вполне достаточен для получения конструкции хорошего качества (рис. 71).
Применение термообработки после сварки для большинства магниевых сплавов, не является обязательным, но необходимо для тех сварных узлов, в которых много сварных швов и кото рые подвергаются деформированию при механической обработ ке, например правке, обкатке и т. п. В этих случаях термообра ботка после сварки необходима для снятия внутренних напря жений и сохранения тем самым размеров и конфигурации свар ного узла во времени. Остаточные напряжения могут вызывать коррозионное растрескивание даже в цеховых условиях. На рис. 72 показаны участки сварных соединений с трещинами, образо вавшимися в течение 2—7 суток после сварки штампо-сварной конструкции из сплава МА2-1 с толщиной металла около 3 „иле. Для предупреждения появления подобных трещин остаточные
109