Влияние процесса сварки и остаточных напряжений на точность и стабильность размеров

Точность изготовления сварных деталей необходима при изготовлении приборов, станков и машин. В двигающихся частях малое отклонение размеров приводит к изменению зазоров, возрастанию трения, повышенному шуму, заеданию в кинематических парах, появлению дисбаланса, что приводит к ускоренному износу или разрушению деталей.

На точность и стабильность размеров сварных конструкций могут влиять различные причины.

1. При механической обработке. В процессе механической обработки детали с остаточными напряжениями точные размеры могут быть не получены из-за деформации детали непосредственно во время обработки; из-за различия механических свойств металла в различных зонах сварного соединения.

Во время обработки детали удлиняется металл с остаточными напряжениями, и происходит перераспределение внутренних усилий. Величина деформаций зависит от объёма срезаемого металла, величины остаточных напряжений, жесткости деталей, характера её закрепления в станке. Расчётное определение деформаций затруднительно и часто не актуально. Размеры жестких сварных деталей после механической обработки имеют незначительное отклонение от допуска. Нежесткие протяженные детали с большим количеством наплавленного металла могут существенно изменять свои размеры. Для массивной сварной детали с центральным отверстием может быть утеряна прямолинейность внутреннего отверстия, вследствие несимметричности распределения напряжений в V-образной разделке. При обточке возникает изгиб вала. При обработке тонкостенных сварных обечаек ранее обработанная внутренняя поверхность приобретает бочкообразность вследствие среза металла в зоне кольцевого шва. Необходимую точность можно получить применяя многопроходную обработку, давая возможность обечайке свободно деформироваться после каждого прохода

При обработке закрепленных нежестких деталей деформирование в процессе обработки может не возникать, из-за большой жесткости станка. После обработки и освобождения от закрепления деталь может терять форму.

Сварной шпангоут при обточке не деформируется, т.к. закреплен по периметру, после освобождения теряет форму круга. При освобождении конструкции балочного типа, касательная сила Т создает изгиб балки и искривление обрабатываемой поверхности.

После процесса сварки шов и околошовная зона в зависимости от химического состава и скорости охлаждения получает термическое воздействие, по характеру близкое к закалке или нормализации. Металл в этих участках может иметь повышенную твердость и прочность, а в зонах, где нагрев был до 500-700С твердость металла может понизиться. В процессе мех. обработки резец в зонах закалки отжимается с большей, а в мягких зонах с меньшей силой, что приводит к волнистости поверхности и колебанию размеров.

2. С течением времени. С течением времени возможно изменение размеров вследствие релаксации напряжений или распада неустойчивых структур.

В естественных условиях ползучесть невелика, и возникает только в небольших зонах, где ~т. Измерения остаточных напряжений показывают, что для малоуглеродистых сталей релаксация составляет 1,52,5% от начального уровня. Незначительное деформирование возможно в процессе вылёживания после механической обработки. Такое возможно, когда перераспределение напряжений при обработке сопровождается пластической деформацией и остаточные напряжения к моменту окончания обработки близки к т. При естественных колебаниях температуры возникает дополнительная ползучесть металла, увеличивающая общую деформацию. Если остаточные напряжения после сварки невелики и их перераспределение при механической обработке протекало упруго, то размеры деталей сохраняются неизменными.

Длительное развитие деформаций отмечено при распаде остаточного аустенита. Наиболее интенсивно процесс деформирования происходит в первые дни после сварки, затем монотонно затухает. Величина деформаций зависит от количества остаточного аустенита, которого много при больших скоростях охлаждения. При сварке на больших погонных энергиях и при малой скорости охлаждения или сварке с подогревом остаточные деформации вследствие распада аустенита уменьшаются.

С повышением температуры ускоряются процессы распада неустойчивых структур, что сопровождается ростом деформаций. Установлено, что в образцах из ст. 35 с повышением температуры и превращением мартенсита закалки в мартенсит отпуска, идущим с уменьшением объема наблюдается рост деформаций.

Во время эксплуатации изделия при высоких температурах могут возникнуть пластические деформации вследствие понижения предела текучести металла. Такие процессы влияют на точность в тех случаях, когда остаточные напряжения велики. В образце из стали 3 при различных температурах в течении 2 месяцев зафиксированы различные величины пластических деформаций.

Т, С	20	100	150
пл, (м)	0,310-4	1,7410-4	1,4310-4

В сварных соединениях разнородных металлов возможны изменения первоначальных размеров из-за различия коэффициентов линейного расширения. Температурные напряжения складываются с остаточными, и могут превышать _т.

3. В процессе эксплуатации под нагрузками. При суммировании остаточных напряжений с рабочими напряжениями пластические деформации возникают тогда, когда в какой либо зоне сварной детали эквивалентное напряжение превышает предел текучести.

При статическом нагружении те зоны свариваемой детали, которые перешли в пластическое состояние, при росте нагрузки не оказывают сопротивления деформациям, т.е. выключаются из работы. Жесткость детали в период нагружения оказывается меньше расчетной. Разгрузка детали происходит упруго, поэтому деформация при разгрузке меньше, чем при нагружении, т.е. появляются остаточные деформации.

Растягивающие рабочие напряжения, суммируясь с остаточными, вызывают пластические деформации в свариваемом узле нижнего пояса. После снятия напряжений остается остаточный прогиб.

Установлено, что время воздействия играет определенную роль в развитии пластических деформаций. Кратковременное воздействие в пределах нескольких секунд не позволяет пластической деформации развиться в полной мере, и тогда последующие кратковременные нагружения дают приращение деформаций. Если нагружение действует долго, в течении нескольких минут, то дальнейший рост пластических деформаций может происходить лишь при больших нагрузках.

Деформации в сварных конструкциях могут возникать при воздействии вибрации. С повышением уровня вибрации собственные остаточные напряжения снижаются. Упругие волны в металле конструкции создают условия для существенного снижения предела текучести. Иногда вибрация применяется как технологическая операция для предотвращения деформации при дальнейшей эксплуатации.