td21 (1) (Лекции в формате Word), страница 3

Во время сварки могут происходить все перечисленные явления, и зазор между кромками при этом изменяется сложным образом. Расчет изменения зазора, особенно на начальном участке шва, целесообразно проводить с помощью МКЭ на компьютере. Расчет позволяет разработать меры поддержания зазора в заданных пределах. Следует иметь в виду, что сухари и скобы, скрепляющие пластины, способны зафиксировать их только на первых дециметрах шва. При длине шва более полуметра никакие механические приспособления не помогают, действуют только изменение режима сварки, а также сопутствующие подогревы и охлаждения.

Кроме изменения сварочного зазора, серьезной проблемой является высокий уровень временных и остаточных напряжений. Условия охлаждения при электрошлаковой сварке таковы, что вначале остывают поверхности, и, в последнюю очередь, металл в середине толщины. Этот металл оказывается как бы в жесткой камере, поэтому при остывании в нем возникают трехосные растягивающие напряжения, причем компоненты напряжений могут существенно превышать предел текучести металла. Эти напряжения при неправильно выбранной технологии сварки могут привести к образованию продольных трещин в шве, вплоть до его полного разрушения.

Остаточные напряжения могут суммироваться с рабочими и вызвать хрупкое разрушение при эксплуатации. Термическая обработка крупных деталей для снятия остаточных напряжений является весьма длительной операцией и по стоимости может превосходить саму сварку.

28. Влияние сварочных напряжений, деформаций и перемещений на технологию производства сварных конструкций

Как правило, деформационные процессы приводят к усложнению производства. Ряд дополнительных проблем возникает непосредственно в процессе сварки. Кроме отмеченных в разделе 27 трудностей, связанных с изменением ширины разделки (эти явления возникают при электрошлаковой сварке и при первом проходе дуговой сварки), при сварке тонких листов встык бывает трудно обеспечить правильное взаимное расположение свариваемых кромок.

Расширение при нагреве вызывает временные сжимающие напряжения в зоне сварки. В результате происходит потеря устойчивости, а также смещение кромок, приводящие к прожогам и нарушениям требуемой формы сварного соединения. Основные меры борьбы с этими явлениями – зажимные приспособления. Зажимные планки должны быть установлены как можно ближе к шву, но при этом надо оставить место для прохождения сварочной горелки.

Потеря устойчивости происходит до начала плавления шва, при достаточно высоких поперечных сжимающих напряжениях, близких к пределу текучести металла. Из условия устойчивости, допустимое расстояние от края листа до зажимного приспособления (рис. 51)

. (63)

Для низкоуглеродистой стали это соответствует .

Рис. 51. Потеря устойчивости тонких листов в процессе сварки

При сварке тонколистовых обечаек увеличивается при нагреве длина окружности шва, что приводит к большим радиальным перемещениям. За счет отхода кромок от подкладки возникает излишняя выпуклость шва с обратной стороны. С лицевой стороны образуется «домик» - угловое перемещение кромок β углом наружу. При неодинаковых перемещениях кромок образуется ступенька Δ_z. Для уменьшения этих искажений используют прижимной ролик, движущийся вместе со сварочной головкой впереди нее.

Изменение формы и размеров от сварочных перемещений создает серьезные проблемы при сварке сложных пространственных конструкций с большим количеством привариваемых деталей. Требуются сложные зажимные приспособления и прихватка деталей перед сваркой.

Серьезные трудности для производства создает отсутствие повторяемости перемещений при изготовлении партии одинаковых изделий, в особенности при применении ручной сварки. В случае роботизированной сварки перемещения получаются каждый раз одинаковыми и можно разрабатывать меры по взаимной компенсации перемещений от отдельных швов. В результате можно обеспечить необходимую точность размеров сварной конструкции даже при большом количестве сварных швов. Недостаточная точность приводит к увеличению допусков и расходов на последующую обработку сваренной конструкции.

Сварочные остаточные напряжения также создают проблемы при обеспечении точности готовых конструкций. Снятие напряженного металла в процессе механической обработки нарушает равновесие сварной конструкции и после каждой операции происходят новые перемещения, искажающие ее форму и размеры.

29. Образование дефектов при сварке

Сварочные деформации и напряжения могут приводить к образованию дефектов (трещин), вплоть до полного разрушения конструкции в процессе ее сварки, последующей термообработки и вылеживания. Условие образования дефектов – превышение сварочными деформациями ε_с предельной пластичности материала ε_кр

. (64)

Из формул (2) и (3) следует, что при сварочном термодеформационном цикле с перепадом температур ΔT порядка тысячи градусов и свойствах материала, характерных для конструкционных сталей, ε_с не превышает 2%. Как правило, это уровень существенно ниже предельной пластичности материала, и дефекты не образуются. Причиной их образования является либо концентрация деформаций, либо понижение пластичности в отдельные моменты технологического процесса и в отдельных зонах сварного соединения. Часто оба этих фактора действуют совместно.

Явление концентрации деформаций связано с тем, что узкая зона сварного соединения (мягкая прослойка) имеет пониженный предел текучести. Рассмотрим сварку встык в условиях жесткой заделки (рис. 52).

Рис. 52. Мягкая прослойка в стыковом сварном соединении

Мягкой прослойкой может оказаться высокотемпературная зона, зона структурных превращений или зона, отличающаяся от окружающего металла по содержанию примесей. При остывании сварного соединения (ΔT < 0) происходит, согласно (3), температурное сокращение металла ( ). При жестком закреплении , поэтому, из (2) следует , т. е. температурное сокращение компенсируют собственные деформации удлинения. Но так как напряжения не превосходят предела текучести мягкой прослойки, металл за пределами прослойки остается упругим и деформируется незначительно. Пластические деформации концентрируются в прослойке

. (65)

Если толщина мягкой прослойки d существенно меньше расстояния между закреплениями L, то деформации в ней могут многократно превышать ожидаемую деформацию 2% и приводить к образованию трещин.

Снижению предельной пластичности металла способствуют два основных фактора. Во-первых, это объемное напряженное состояние с всесторонним растяжением. Такое состояние возникает в глубине массивных деталей при их остывании после сварки или термообработки. При этом пластичность любого материала резко падает, так как все образовавшиеся в процессе пластической деформации микродефекты неуклонно растут. Во-вторых, каждый материал имеет характерные для него температурные интервалы пониженной пластичности, связанные, как правило, с описанной выше концентрацией деформаций, но на микроуровне. Как правило, мягкими прослойками оказываются границы зерен. Поскольку толщина этих прослоек мала по сравнению с размерами зерен, пластичность материала снижается на порядок и более. Если при прохождении металла в процессе остывания через такой температурный интервал он испытывает хотя бы небольшое растяжение, то возможно образование дефекта в соответствии с формулой (64).

30. Влияние сварочных напряжений, деформаций и перемещений на качество сварных конструкций

Наиболее наглядным является влияние сварочных деформаций. Они приводят к искажению формы и размеров конструкции и могут ухудшать не только ее внешний вид, но также эксплуатационные показатели, в том числе жесткость, устойчивость и прочность. Эти искажения можно обнаружить и устранить до начала эксплуатации конструкции.

Присутствие остаточных напряжений до начала эксплуатации внешне, как правило, не проявляется. Но при этом в конструкции, даже ненагруженной, имеется запас потенциальной упругой энергии, которая может поддерживать протекание различных нежелательных процессов. Как известно, компоненты остаточных напряжений могут достигать предела текучести, а при всестороннем растяжении превосходить его. Важно иметь в виду, что речь идет не о пределе текучести основного металла, а о пределе текучести конкретной зоны сварного соединения. В процессе сварки в зоне шва иногда образуются закаленные твердые прослойки, предел текучести которых может в несколько раз превышать предел текучести основного металла. Таким образом, остаточные напряжения могут оказаться существенно выше напряжений от рабочей нагрузки.

1) Остаточные напряжения могут стать причиной пластических деформаций. Это происходит, например, при сложении эксплуатационной нагрузки с остаточными напряжениями, если их сумма превышает предел текучести. При этом равновесие остаточных напряжений нарушается и происходит изменение формы и размеров конструкции, что может повлиять на ее работоспособность. При последующих нагружениях до того же уровня нагрузки эти изменения не повторяются, однако при перегрузке они могут произойти вновь. То же самое происходит при релаксации остаточных напряжений в процессе длительной эксплуатации. В этом случае размеры конструкции постепенно изменяются даже при отсутствии эксплуатационных нагрузок.

2) Запасенная дополнительная энергия может способствовать появлению и росту трещин. Рост усталостных трещин ускоряется при прохождении зоны растягивающих остаточных напряжений, направленных по нормали к плоскости трещины и замедляется в зоне сжимающих. Поэтому в некоторых случаях собственные напряжения могут играть положительную роль, и они используются в некоторых технологиях торможения усталостного разрушения. Следует иметь в виду, что собственные напряжения уравновешены по сечению, и невозможно создать сжатие в одной части сечения без появления растяжения в другой части. Поэтому рост трещины, после того как она пройдет зону сжатия, снова резко ускорится.

Коррозионное разрушение сопровождается образованием продуктов коррозии, которые скапливаются на поверхности и затрудняют доступ к ней новых порций коррозионной среды, в результате чего процесс коррозии замедляется. Растягивающие напряжения раскрывают образовавшийся дефект и обеспечивают продолжение коррозии, а сжимающие тормозят коррозию. Для каждой пары металл-среда существует пороговый уровень напряжений, ниже которого коррозия не развивается. Остаточные напряжения или их сумма с эксплуатационными напряжениями могут превысить этот пороговый уровень и вызвать появление коррозионных дефектов.

Большую опасность представляют растягивающие напряжения (особенно всесторонние) при хрупком разрушении, в частности, при низкой температуре, а также при динамических и ударных нагрузках. Опасный размер дефекта для такой зоны может оказаться существенно меньше, чем для остальной конструкции. Даже если зона растягивающих напряжений невелика, трещина от дефекта, выросшая в этой зоне, может продолжить свой рост под действием более низких эксплуатационных напряжений.

3) Сжимающие остаточные напряжения могут повлиять на устойчивость гибких конструкций. Остаточные напряжения могут быть близки к критическим. В этом случае потеря устойчивости происходит при невысоких эксплуатационных нагрузках.

31. Методы уменьшения сварочных напряжений, деформаций и перемещений

Меры по обеспечению формы и размеров сварной конструкции могут быть приняты при ее проектировании, разработке технологии сварки, при сварке и последующей термической и механической обработке. Если эти меры разрабатываются на основе понимания процессов образования сварочных деформаций и напряжений и расчетной оценки их характера и уровня в конкретной конструкции, то это позволяет добиться требуемой точности с минимальными затратами.