3. Оборудование, материалы и оснастка

• Оборудование сварочное. Трактор сварочный АДФ-1002 с источником питания ТДФЖ-1000.

• Оснастка. Кондуктор сварочный. Деформометр.

• Инструмент. Индикаторная головка часового типа, штангенциркуль, линейка стальная, угольник слесарный, инструмент слесарный, спецодежда.

• Материалы. Одна пластина из малоуглеродистй стали размерами 200х100х8 на одну лабораторную работу. Сварочная проволока Св-08А, сварочный флюс АН-347.

1. Порядок выполнения работы

1. Подготовка пластины.

   1. Получить пластину размером 100х200хδ; δ=5-8мм.

   2. Очистить пластину с лицевой и обратной сторон металлической щеткой от ржавчины.

   3. Нанести на пластине керном измерительные базы в соответствии с Рис. 9.

Рис. 9 – К измерению размеров пластины.

4. Произвести измерения баз №1, №2, №3 деформометром. Измерения каждой базы произвести по три раза.

Результаты занести в Табл. 4.

Табл. 4 – Результаты замера размеров пластины.

№ базы	Начальные замеры, мм	Среднее, мм	Замеры после сварки, мм	Среднее, мм

5. Вычислить среднее значение из трех измерений.

1. Наплавка валика.

   1. Подготовить установку к наплавке, настроить сварочный трактор и источник питания.

   2. Произвести наплавку валика. Во время наплавки вести наблюдения за показаниями вольтметра и амперметра. Основные параметры режима наплавки занести в Табл. 5.

Табл. 5 – Основные параметры режима наплавки валика на пластину.

I, А	U, В	VСВ, м/ч	dэ, мм	VП, м/ч

3. Расчет коэффициента поперечной усадки.

   1. Вычислить эффективную мощность источника тепла Дж/с, полагая КПД η=0.85-0.95.

   2. Вычислить 2 Vмах по формуле (3.1), используя следующие значения величин α=12*10^-5град^-1 ; сρ=4.9 Дж/см³*град; λ=0.4Вт/см*град.

   3. После полного остывания пластины произвести повторные измерения баз, результаты занести в таблицу 3.1 и получить экспериментальное значение.

   4. Пользуясь формулой (3.2), вычислить коэффициент А.

   5. Полученные значения коэффициента А сравнить с имеющимися в справочной литературе. Значения коэффициента А для поперечной усадки представлены в Табл. 6.

Табл. 6 – Справочные значения коэффициента поперечной усадки.

вид сварки	q/vC, Дж/см2	qУ.П=q/(vC*δ), Дж/см2	2А
Под флюсом при переменном токе	~57500 ~57500 10500 – 22000 10500 – 22000	≤46300 >46300 ≤31200 >31200	0.06+0,203*10-4qУ.П 1,00 0,15+0,272*10-4qУ.П 1,00

5. Требования к отчету

Отчет по лабораторной работе должен включать цель работы, краткие теоретические сведения, расчетную часть и выводы.

Расчетная часть отчета по лабораторной работе должна содержать:

1. Описание проведенного эксперимента с заполненными Табл. 4 и Табл. 5.

2. Расчет коэффициента поперечной усадки А.

Выводы по лабораторной работе должны содержать:

• полученное в эксперименте значение коэффициента поперечной усадки;

• сравнение величины экспериментально полученного значения коэффициента со справочными данными.

Контрольные вопросы

1. Что такое термический цикл?

2. От чего зависит поперечная усадка?

3. Объясните различие в величине поперечной усадки при сварке различных материалов?

4. Назовите пути уменьшения поперечной усадки.

4. Релаксация напряжений при высоких температурах

   1. Задачи работы

В процессе выполнения лабораторной работы изучить методы регулирования остаточных сварочных напряжений и деформаций, оценить эффективность термической для снятия остаточных напряжений.

2. Теоретическая часть

Наиболее распространенным методом снижения остаточных напряжений является высокий отпуск. Основное его преимущество заключается в том, что снятие напряжений происходит во всей сварной конструкции, независимо от сложности ее формы.

Степень снятия напряжений при отпуске может достигнуть 85-90% от исходного уровня. Высокий отпуск – практически единственный способ, когда одновременно с напряжениями первого рода снимается наклеп и напряжения второго и третьего родов.

Высокий отпуск по объему применения в машиностроении далеко превосходит все остальные способы борьбы с остаточными напряжениями, вместе взятые.

Высокий отпуск изделий из конструкционных сталей при температуре 600-800 °С предназначен в основном для устранения возможной деформации в процессе механической обработки и эксплуатации конструкции, а также для повышения сопротивляемости их хрупким разрушениям.

Повышение сопротивляемости сварных конструкций хрупким разрушениям в процессе высокого отпуска достигается в основном по двум причинам. Во-первых, восстанавливается пластичность металла в местах, где в значительной степени произошли подкалка, пластические деформации, старение, и были подготовлены условия для начала разрушения. После высокого отпуска для начала разрушения металл должен вновь претерпеть значительную пластическую деформацию, которую одними эксплуатационными нагрузками даже при наличии концентраторов вызвать в пластичном металле довольно трудно. Во-вторых, снижаются остаточные напряжения и запас накопленной потенциальной энергии, что приводит к устранению факторов, способствующих началу и распространению хрупких разрушений.

Восстановление пластичности металла при высоком отпуске происходит сравнительно быстро. Например, на образцах с надрезами из стали 3 прочность и пластичность восстанавливаются после полуторачасовой выдержки при температуре отпуска 800 °С.

Важным является вопрос о допустимом уровне остаточных напряжений после отпуска сварных конструкций. Если не касаться влияния остаточных напряжений на прочность при переменных нагрузках, то можно дать следующие рекомендации.

Так как в большинстве машиностроительных конструкций напряжения от рабочих нагрузок не превышают 2/3 σ_T, то остаточные напряжения могут составлять примерно 1/3 σ_T, если ставится условие отсутствия пластических деформаций в детали при ее нагружении.

Действительно, остаточные и рабочие напряжения составят в сумме величину, меньшую σ_T, и никаких пластических деформаций не произойдет.

При нормальном припуске на механическую обработку деформации от нее невелики и укладывается в допуски на точность, если даже обработку вести по металлу, в котором остаточные напряжения близки к σ_T. Это, разумеется, не относится к гибким и протяженным конструкциям.

Поэтому для большинства машиностроительных конструкций из тех, которые подвергаются отпуску и должны отвечать обычным требованиям по точности и жесткости, можно ставить условие, чтобы остаточные напряжения не превышали 0,3 σ_T.

Хрупкие разрушения при низких температурах в большинстве случаев начинаются от концентраторов и являются следствием не столько остаточных напряжений, сколько следствием пластических деформаций в надрезе и свойств металла, изменившихся под влиянием сварки. Путем восстановления пластичности при отпуске значительно повышают сопротивляемость хрупким разрушениям. Если, однако, предположить, что разрушение может начаться по каким-либо причинам, то возможность его распространения будет зависеть главным образом от уровня рабочих, а не остаточных напряжений. Известные в литературе данные о хрупких разрушениях связаны с напряжениями большими, чем 0,25 - 0,3 σ_T. Можно ориентироваться на уровень остаточных разрушающих напряжений по пробе Робертсона, который до Т > - 60 °С не превышает 0,15 - 0,25 σ_T.

Термический цикл отпуска состоит из четырех стадий: нагрева, выравнивания температур по сечению и по длине детали, выдержки и охлаждения.

На практике в большинстве случаев продолжительность периода выдержки, так же как и периодов нагрева и выравнивания температуры, назначают пропорционально сечению детали, то есть без учета тех физических процессов, которые на самом деле определяют необходимую продолжительность выдержки при отпуске.

Отпуск является процессом изменения собственных напряжений, протекающим в соответствии с законами теории ползучести. Это означает, что к нему могут быть применены известные положения теории ползучести с учетом тех особенностей, которые присущи отпуску. Основная особенность процесса изменения напряжений при отпуске заключается в том, что отпуск на первой стадии протекает при переменной температуре, в то время как гипотезы ползучести в основном занимаются явлениями, происходящими при постоянной температуре. Вторая особенность состоит в том, что изменение напряжений при отпуске весьма близко к процессу простой релаксации. Под простой релаксацией понимается самопроизвольное изменение напряжений при постоянных полных деформациях:

,

где - полные деформации;

- упругая составляющая полной деформации;

- пластическая деформация;

- напряжения, которые снижаются при отпуске.

Работами Винокурова В.А. было показано, что изучение и расчет релаксации напряжений при отпуске возможно и целесообразно проводить не по кривым ползучести, а по кривым простой релаксации. На рисунке 5.1 показаны релаксационные кривые для стали 30.

Процесс релаксации напряжении при отпуске можно формально представить как два одновременно протекающих процесса:

а) изменение напряжений при постоянных полных деформациях, то есть - процесса простой релаксации;

б) перераспределение напряжений, вызванное нарушением постоянства деформаций.

Особенностью релаксации напряжений при отпуске является то, что влияние второго процесса, как правило, мало и напряжение изменяется в основном за счет простой релаксации.

Таким образом, снижение остаточных напряжений во время отпуска можно определять, используя кривые простой релаксации. Определение релаксации напряжений для различных случаев позволило установить следующие закономерности:

а) характер снижения остаточных напряжений во времени зависит от схемы напряженного состояния. Схема напряженного состояния оказывает влияние лишь на величину остаточных напряжений после релаксации. Это означает, что замедление снижения напряжений, обнаруживаемое на кривых простой релаксации, совпадает по времени с замедлением процесса снижения напряжений во всей сварной конструкции. После стабилизации напряжений дальнейшая выдержка сварных конструкций в печи, как правило, теряет смысл, так как к этому времени пластичность уже восстановлена, а снижение напряжений происходит чрезвычайно медленно;

б) в массивных конструкциях, например, с электрошлаковыми соединениями толщиной более 250 мм, где имеют место трехосные растягивающие остаточные напряжения, снижение этих напряжений происходит по характеру так же, как и одноосных, однако величина максимальных объемных напряжений остается: в 2 - 2,5 раза выше, чем соответствующих одноосных или двухосных напряжений;

в) для каждой скорости роста температуры в процессе нагрева не обязательно определять кривые простой релаксации. Уровень напряжений к моменту достижения постоянной (максимальной) температуры отпуска меньше в случае малых скоростей нагрева по сравнению с большими скоростями или оказывается тем же самым;

г) толщина металла или размер сечения детали сами по себе не влияют на необходимую продолжительность выдержки при отпуске. Характер снижения остаточных напряжений во времени зависит от релаксационных свойств металла, а уровень их после отпуска - от схемы напряженного состояния. В теплоустойчивых сталях напряжения снижаются медленнее, а уровень их после одинакового режима отпуска выше, чем у сталей, менее теплостойких;

д) в зависимости от сечения детали или толщины металла назначают, продолжительность нагрева и выравнивания температуры по сечению детали. Продолжительность же выдержки следует назначать по релаксационным кривым конкретного металла в зависимости от необходимой степени снижения остаточных напряжений. Ввиду того, что продолжительность выдержки для массивных конструкций, с различными сечениями оказывается одинаковой, предоставляется возможность, назначаемую обычно в зависимости от толщины металла продолжительность выдержки в печи уменьшить. Этим самым можно получить ощутимую экономию стоимости производства толстостенных сварных конструкций.

Таким образом, установившееся правило назначать массивным деталям выдержку при отпуске пропорционально толщине (например, 1 час на 25 мм) необоснованно. Продолжительность выдержки может меняться в зависимости от марки стали и предыдущей термической обработки, которая влияет на релаксационные свойства металла.

Так как снятие напряжений при высоком отпуске происходит как в области растягивающих, так и в области сжимающих напряжений, то отпуск практически не устраняет коробление сварной конструкции, а в ряде случаев в зависимости от геометрии изделия коробление может возрасти. В некоторых случаях, когда другие способы устранения деформаций являются неэффективными, применяют отпуск в зажимных приспособлениях, с помощью которых конструкции придают требуемую форму. Поскольку требуемая форма придается путем упругого деформирования, то в конструкции возникают дополнительные напряжения, которые также релаксируют при отпуске. Таким образом, после отпуска в конструкции исчезает силовой фактор, способный деформировать конструкцию.