23-03-2020-Глава 7 Сварочные деформации и напряжения (841337), страница 12

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 12)

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 в процессе механической обработки. Снятие напряженного металла нарушает равновесие сварной конструкции и после каждой операции происходят новые перемещения, искажающие ее форму и размеры.

7.16.2. Влияние на 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

. (7.64)

Из формул (7.2) и (7.3) 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, этот уровень существенно ниже предельной пластичности материала, тогда 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. 7.52).

Рис. 7.52. 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 (7.3), температурное сокращение металла ( ). При жестком закреплении , поэтому, из (7.2) 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

. (7.65)

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 (7.64).

7.16.3. Влияние 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.

7.17. 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.

1) При проектировании конструкции общие рекомендации включают выбор способов сварки с минимальным тепловложением, переход на многослойную сварку, уменьшение длины и катета швов, их расположение на жестких элементах и симметричное расположение, обеспечивающее компенсацию действия отдельных швов.

2) При разработке технологии рекомендуется такая последовательность сборочно-сварочных операций, при которой на каждом этапе обеспечивается максимальная жесткость конструкции (лучше всего полная сборка, а затем сварка). При невозможности полной сборки следует обеспечить возможность промежуточной правки сваренных частей. Зажимные приспособления также служат для увеличения жесткости, для жестких конструкций они неэффективны. Приспособления изменяют временные деформации и напряжения и слабо влияют на остаточные, поэтому выдержка сваренной конструкции в приспособлении до полного остывания малоэффективна.

3) Форму и размеры заготовок целесообразно изменять с учетом ожидаемой усадки, так, чтобы они принимали проектную форму после завершения сварки. Тот же эффект может дать создание в заготовках деформаций противоположного знака. Создание в зоне укладки шва продольных растягивающих напряжений уменьшает усадочную силу. В процессе сварки можно регулировать напряжения и деформации с помощью сопутствующего нагрева и охлаждения зон вблизи сварочного источника, а также прокаткой шва роликом, движущимся вслед за дугой.

4) Правка после сварки применяется в тех случаях, когда предотвратить нежелательные деформации вышеперечисленными мерами не удалось. Правка сварочных деформаций происходит за счет создания в конструкции пластических деформаций противоположного знака. При этом в процессе правки возможны дополнительные нежелательные деформации, а также разрушение конструкции.

Одним из методов правки листовых конструкций является прокатка зоны шва роликами. За счет сжатия по толщине происходит расширение металла в плоскости пластины, при этом можно устранить последствия продольной и поперечной усадки (как деформации, так и напряжения). Эксперименты показывают, что 70% объема от сжатия идет на расширение пластины в направлении прокатки и 30% - в поперечном направлении. Для устранения напряжений, близких к пределу текучести требуется небольшая деформация сжатия (менее 0,5%). Диаметр ролика d должен не менее чем в15 раз превосходить толщину листа s во избежание наклепа и неравномерности деформации. В зависимости от усилия сжатия роликов, можно получить любое изменение остаточного напряжения σ_нач, в том числе создать напряжение σ_кон противоположного знака. Требуемое усилие P можно рассчитать по формуле

. (7.66)

Из формулы ясно, что требуемое усилие можно уменьшить, если выбрать ролик небольшой ширины (от 5 до 15 мм) и прокатывать зону шва за несколько приемов. Прокатки требует активная зона, в которой при сварке возникли растягивающие остаточные напряжения. Для эффективной правки необходимо определить расчетным или экспериментальным путем уровень этих напряжений и ширину активной зоны. Если остаточные напряжения σ_нач ≈ σ_т, то для их полного снятия σ_кон ≈ 0

. (7.67)

Характеристики

Список файлов лекций