И эксплуатации

Для сварных деталей и конструкций разных категорий значимость изменения размеров в отношении их эксплуатационных характеристик весьма различна. Если для некоторых конструкций допустимы большие изменения размеров, то для других невозможны изменения даже на 2 - 3 порядка меньшие.

Значимость тех или иных изменений размеров, возникающих под влиянием процесса сварки, следует устанавливать путем сопоставления их в первую очередь с теми изменениями размеров, которые возникают при действии эксплуатационных нагрузок.

Если остаточные изменения размеров, хотя и значительны по абсолютной величине, но составляют небольшую долю от эксплуатационных, то они несущественны. Например, в конструкциях перекрытий и подкрановых балок прогибы от пластической деформации могут составлять несколько миллиметров, что по сравнению с десятками миллиметров эксплуатационного прогиба несущественно.

Если эксплуатационные нагрузки отсутствуют или незначительны, то значимость возникающих отклонений размеров следует устанавливать, ориентируясь на технические требования в отношении точности при механической обработке или на паспортные данные точности при работе.

Ориентируясь на существующие требования точности, сварные детали и конструкции в первом приближении можно разделить на три группы:

- строительные и транспортные конструкции обычного назначения;

- детали машиностроительных конструкций, предназначенные для машин механизмов и станков обычного исполнения;

- детали мерительных устройств, прецизионных приборов, машин и станков.

По абсолютной величине наименее значительны изменения размеров деталей в процессе вылеживания; затем следуют изменения, возникающие при механической обработке; наибольшими могут быть изменения размеров, возникающие вследствие суммирования собственных и рабочих напряжений.

Изменение размеров во времени происходит под влиянием ползучести и релаксации напряжений, а также вследствие структурных превращений, сопровождающихся изменением плотности металла.

Ползучесть при нормальной температуре возникает в основном в зонах, где σ _ост.< σ _т. Наблюдения показали, что изменения остаточных напряжений в результате ползучести и релаксации в материалах со стабильной структурой (Ст.3, Э12, 1Х16Н25АМ6) незначительны и составляют 1, 5 - 2, 5 % за несколько лет. Причем изменение напряжений не пропорционально изменению деформаций. Процесс деформирования интенсивно происходит в течение первоначального периода, который для большинства материалов соответствует одному месяцу. В дальнейшем, в течение весьма длительного периода времени наблюдается монотонное изменение размеров.

Деформации во времени сварных образцов в значительной степени зависят от температуры хранения. Повышение температуры до 100 °С приводит в большинстве случаев к увеличению деформаций материалов в 3 - 5 раз по сравнению с комнатной температурой. Для структурно стабильных материалов это объясняется понижением их предела текучести.

Изменение размеров сварных конструкций из структурно нестабильных материалов в процессе вылеживания может происходить в результате распада остаточного аустенита, находящегося в закаленных участках, и превращения его в мартенсит. Процесс идет с увеличением объема металла и соответствующим уменьшением усадочной силы. Это характерно для таких сталей, как 25ХГС, 30ХГСА, 12Х5МА и др.

В некоторых материалах (сталь 35, 4X13), когда в процессе сварки в результате быстрого переохлаждения, аустенит практически полностью превращается в мартенсит закалки, с течением времени мартенсит закалки превращается в мартенсит отпуска. Этот процесс идет с уплотнением структуры и соответствующим увеличением усадочной силы.

Таким образом, в зависимости от материала с течением времени сварные соединения могут менять свои размеры либо в том же направлении, в котором происходят деформации от сварки, либо в противоположном направлении.

Деформации с течением времени под влиянием релаксации напряжений и структурных превращений для первых двух групп конструкций в количественном отношении несущественны. Для конструкций третьей группы, особенно если нагрузки отсутствуют, деформирование во времени является одной из основных причин потери ими необходимой точности.

Деформирование при механической обработке возникает вследствие нарушения уравновешенности поля остаточных напряжений при удалении напряженного металла. Для массивных и жестких деталей это деформирование обычно мало и практического значения не имеет. Важно здесь также и то, что возникающая деформация жесткой детали не может быть предотвращена путем закрепления ее на столе станка ввиду малой жесткости закреплений по сравнению с жесткостью самой детали.

При механической обработке нежестких деталей их деформирование может быть значительным. Положение усугубляется тем, что обычно деформирование проявляется не сразу из-за жесткого закрепления детали в станке. Удаление металла приводит лишь к возникновению силовых реакций между деталью и станком в местах закреплений. Жесткость стола или станка достаточны, чтобы в процессе обработки не возникали деформации детали. Во время снятия закреплений деталь деформируется вследствие устранения реакций связей. Примером, иллюстрирующим это, может служить снятие припуска на высоту стенки в сварной балке таврового профиля. Балка плоскостью полки крепится в нескольких местах к столу станка, и часть высоты стенки убирается строганием. После окончания операции строгания и снятия балки со стола она приобретает некоторый изгиб. Аналогичные явления происходят при снятии припусков на толщину стенки цилиндрических оболочек сваренных из двух половин продольными швами или кольцевым швом. В первом случае возникает овальность оболочки, во втором бочкообразность или корсетность.

Количественные изменения размеров при механической обработке зависят от жесткости детали, уровня напряженности металла в местах обработки, объема снимаемого металла, характера и жесткости крепления на столе.

Конструкции второй группы перед механической обработкой необходимо подвергать отпуску для снятия остаточных напряжений. Однако многие детали, которые перед обработкой резанием на производстве подвергают отпуску для снятия напряжений с целью обеспечения более высокой точности, в этом не нуждаются.

Рис. 3.15

После снятия нагружения у такой балки появится остаточный прогиб.