Устранение остаточных напряжений при сварке: 6 эффективных методов

После сварки сосуда под давлением в зоне сварного шва образуются остаточные напряжения. Это происходит потому, что неравномерное температурное поле нагрева во время сварки приводит к тому, что внутреннее напряжение достигает предела текучести материала, что приводит к пластической деформации в локальных областях. Даже когда температура возвращается к исходному равномерному состоянию, внутреннее напряжение остается в конструкции, отсюда и термин "остаточное напряжение".

Пиковое значение и распределение сварочного остаточного напряжения оказывают прямое негативное влияние на усталостное разрушение и коррозионное растрескивание сосудов под напряжением.

Похожие статьи: Что такое сварочный стресс?

Исследование показало, что после сварки сосуда, остаточное напряжение неизбежно будет сопровождать его.

Хотя механизм генерации остаточное напряжение в сосудах, работающих под давлением, был предварительно изучен, уровень остаточных напряжений сильно варьируется из-за различий во внешних размерах, процессах сварки, процедурах сварки и размерах ограничений. Кроме того, распределение остаточных напряжений может быть очень сложным.

Поэтому необходимо разработать разумные контрмеры для устранения или снижения остаточных напряжений при сварке, чтобы обеспечить экономически обоснованное качество и безопасную работу в процессе эксплуатации, тем самым избегая несчастных случаев.

Похожие статьи: Окончательное руководство по сварке

Метод перегрузки

В контролируемых условиях один или несколько раз приложите к судну внешнюю нагрузку, немного большую, чем в рабочем состоянии.

Напряжение, возникающее под действием нагрузки, накладывается на остаточное напряжение от сварки, существующее в емкости.

Когда результирующее напряжение меньше, чем текучесть материала Предел, материал находится в упругом состоянии, и зависимость между напряжением и деформацией линейна.

Когда напряжение в композите достигает предела текучести материала, в локальных областях возникает пластическая деформация.

С увеличением величины внешнего напряжения увеличивается и диапазон достижения композитом предела текучести, соответственно увеличивается и диапазон пластической деформации, но величина напряжения не увеличивается или увеличивается незначительно.

Поскольку сам контейнер является непрерывным, при снятии внешней нагрузки область деформации текучести и область упругой деформации восстанавливаются в упругом состоянии одновременно. Сварочное остаточное напряжение, существующее в контейнере, частично устраняется, а величина устраненного остаточного напряжения равна величине напряжения, создаваемого внешней нагрузкой.

Встроенная термообработка

Весь сварной контейнер должен быть нагрет до температуры 500℃~Ac1 при определенной скорости нагрева и выдержан при этой температуре в течение определенного времени, чтобы обеспечить рекристаллизацию деформированного металла, что приведет к образованию новых равноосных зерен.

Этот процесс устраняет все виды дефектов кристалла, уменьшает прочность металлаи повышает вязкость, что, в свою очередь, расслабляет и снимает сварочные остаточные напряжения.

Поскольку сосуды под давлением обычно имеют большие размеры, их нельзя подвергать термообработке в печи, как более мелкое оборудование или механические детали.

Для решения этой проблемы внешняя стенка контейнера может быть покрыта теплоизоляционным слоем, или, в качестве альтернативы, контейнер может быть подвергнут термообработке с помощью электрического нагрева или впрыскивания топлива для создания высокой температуры внутри контейнера.

Местная термическая обработка

Принцип локальной термообработки аналогичен принципу общей термообработки. В настоящее время для нагрева зоны сварки чаще всего используются инфракрасные пластинчатые нагреватели или нагреватели сопротивления на гусеничном ходу.

Из-за локального нагрева устранение остаточных напряжений не так эффективно, как при общей термообработке. Локальная термообработка может только уменьшить пиковое значение внутреннее напряжениечто приводит к относительно мягкому распределению напряжения, но не к его полному устранению.

Тем не менее, локальная термообработка может улучшить механические свойства сварные соединения. Следует отметить, что такая обработка обычно ограничивается более простыми сварными соединениями.

Метод растяжения по разности температур

Тепловой эффект разницы температур может быть использован для устранения остаточных напряжений в зона сварки формируя обратное поле напряжений.

Ключ к успеху этого метода лежит в выборе подходящей разницы температур Δt, которая зависит от предела текучести материала σs, модуля упругости E и коэффициента теплового расширения β.

При правильном выборе зоны нагрева и Δt этот метод позволяет добиться эффективного снятия напряжения, не вызывая пластической деформации, потери пластического запаса и не влияя на металлографическую структуру металла.

Эффект снятия напряжения может быть значительным, от 50% до 70%.

Этот метод особенно полезен для пластинчатых и оболочечных конструкций с регулярными сварными швами и умеренной толщиной.

Молоток

При быстром и равномерном ударе молотком металл шва подвергается поперечному пластическому растяжению, которое может в некоторой степени компенсировать усадку шва. Кроме того, упругая деформация, вызванная растягивающим остаточным напряжением в этой области, может быть ослаблена, тем самым частично устраняя остаточное напряжение при сварке.

Взрывной метод

Приведение в действие взрывного пояса, расположенного вблизи сварной шовУдарная волна мгновенного взрыва взаимодействует с остаточным напряжением в металле, что приводит к соответствующему объему пластической деформации и релаксации остаточного напряжения в зоне сварного шва.

Взрывная обработка не только эффективно устраняет остаточные напряжения при сварке, но и создает определенное сжимающее напряжение в зоне обработки, тем самым повышая устойчивость сварного соединения к повреждениям при растяжении.

Поэтому термическая обработка неэффективна для достижения этого результата.

Метод взрыва уникален тем, что позволяет устранить остаточные напряжения при ремонте сварочных швов во время проверки сосудов под давлением в процессе эксплуатации.