рых в зоне значительных градиентов напряжений должна быть как можно меньше. По разности замеров на базе Б до и после разрезки определяют напряжение по формуле
бост
L— ф
ОЮ О]Пф1Ш ]ПОи]
Рис. 4.13. Измерение остаточных на пряжений методом разрезки пластины:
а — распределение продольных оста точных напряжений по ширине пла
стины; |
б — разрезка |
на |
продольные |
|||
полосы |
при |
определении |
одноосных |
|||
напряжений; |
в — разрезка |
на |
попереч |
|||
ные полосы; |
г — разрезка |
на |
клетки; |
|||
2Ь п— ширина |
зоны |
пластических |
де |
|||
формаций; Б — база |
измерения.; |
L — |
||||
|
ширина полосы |
|
|
|
||
а ост= |
— ЕЬБ/Б . |
|
(4.26) |
|
Другой способ — вырезка по |
||||
лоски |
поперек шва (рис. 4.13,в). |
|||
Ширина |
полоски |
должна |
быть |
|
менее |
половины |
ширины |
зоны |
|
пластических деформаций. |
Свар |
|||
ная балка также может быть разрезана на полосы. Возможно также последовательное сострагивание слоев металла.
Для определения двухосных напряжений пластину разрезают на клетки, каждая из которых имеет две перпендикулярные базы измерения деформаций (рис. 4.13, г)\ Вместо нанесения
баз |
возможно |
наклеивание |
тен |
|
зодатчиков. |
По деформациям |
|||
при |
разрезке |
определяют |
нор |
|
мальные |
компоненты напряже |
|||
ния: |
|
|
|
|
^ост и — |
—’ |
М®//) 2б/(1 |
р), |
|
|
|
|
|
(4.27) |
Рис. 4.14. Измерение остаточных напряжений у поверхности массивного тела методом рас сверливания отверстия или углубления коль цевой канавкн: аи dit d3, dA— последователь ное увеличение диаметра отверстия; /*, /2, ho U — увеличение глубины канавкн; Б ■—базы
измерения перемещений
где |
/'= 1, |
2; |
1Ф}\ р — ко |
|
эффициент |
Пуассона, |
р = |
||
^ |
_пQ |
|
|
|
— - |
— ■.Для определения |
|||
касательных |
|
напряжений |
||
добавляют |
еще одну |
или |
||
две |
базы |
измерений |
под |
|
углом 45° |
|
напряжений |
||
Измерения |
||||
в массивных |
деталях, |
как |
||
правило, |
|
производятся |
||
только у поверхности. При этом вокруг баз измерения производится вырезка коль цевой канавки или после довательное рассверлива ние отверстия внутри базы (рис. 4.14).
4.4. Уменьшение сварочных деформаций, напряжений и перемещений
4.4.1. Рациональное конструирование
За счет выбора размеров и расположения сварных швов можно добиться существенного уменьшения коробления конструкции. Для этого следует назначать минимальные, получающиеся из расчета на прочность катеты угольных швов; обеспечивать мак симальную жесткость конструкции к моменту сварки швов; рас полагать швы симметрично для взаимной компенсации переме щений от отдельных швов.
Некоторые из перечисленных приемов могут приводить к ро сту напряжений (сварка в жестком контуре) или снижать каче ство металла шва (сварка с минимальным катетом шва).
В некоторых случаях можно компенсировать перемещения при сварке за счет предварительных искажений формы деталей противоположного знака. В случае неизбежности перемещений при сварке в конструкции должен быть обеспечен доступ для последующей правки (см. 4.4.3, 4.4.4).
4.4.2. Рациональная технология сборки и сварки
Существенное уменьшение остаточных перемещений может быть достигнуто за счет сборки в жестком приспособлении или на прихватках перед началом сварки, за счет рациональной после довательности наложения швов, а также за счет выбора способа и режима сварки с минимальной погонной энергией. При много проходной сварке погонная энергия существенно ниже, чем при однопроходной сварке такого же шва, а при контактной, лазер ной и электронно-лучевой — ниже, чем при дуговой. Следует задавать размеры заготовок с учетом последующей усадки или предварительно создавать в заготовках деформации противопо ложного знака.
4.4.3. Пластическое деформирование после сварки
Этот прием применяется в основном для правки конструкции. Чаще всего деформация осуществляется за счет сжатия шва и околошовной зоны в направлении толщины сваренных пластин. При этом уменьшается усадка шва, образовавшаяся после сварки. Одновременно снижаются продольные остаточные на пряжения в шве. Применяются различные способы деформиро вания: прокатка роликами, проковка, обработка взрывом [5].
Обработка может быть осуществлена как после полного остывания, так и сразу после сварки (например, роликом, дви жущимся вслед за дугой или сварочным электродом при точеч ной контактной сварке).
Недостатком всех указанных методов является снижение пластичности деформируемой зоны.
Усилие, которое необходимо приложить к роликам для сни жения до нуля остаточных растягивающих напряжений, близких к пределу текучести, определяется по формуле
Р = s - у / 10, U 60*/Е |
(4.28) |
где s, d — ширина и диаметр |
рабочей поверхности ролика; <тТ) |
Е, б — предел текучести, модуль упругости и толщина прокаты ваемого материала.
В случае невозможности прокатать шов и околошовную зону за один проход ролика прокатку осуществляют более уз ким роликом начиная со шва, с переходом на околошовную зону. Если шов или часть околошовной зоны недоступны для про катки, то можно добиться устранения усадки шва за счет уве личения усилия прокатки доступной части. При этом в прока танной части создаются напряжения сжатия, а в непрокатанной части сохраняются растягивающие напряжения.
Применяются также растяжение вдоль оси шва, изгиб (для балок) и другие схемы деформирования. Уменьшение напряже ний может быть достигнуто за счет вибрационной обработки сварного изделия [5].
4.4.4. Термическая обработка
Для снижения остаточных напряжений и перемещений приме няют как общий нагрев конструкции (отпуск или отжиг), так и местный неравномерный нагрев. Достоинством отпуска явля ется снижение напряжений во всех точках тела независимо от сложности его формы, без снижения пластичности металла.
Термический цикл отпуска состоит из нагрева, выравнива ния температур, выдержки при заданной температуре и охлаж дения. Большая часть снижения напряжений происходит уже на стадии нагрева и определяется температурой отпуска. Чем выше температура отпуска, тем полнее устраняются напряже ния, однако при этом снижается прочность металла.
Температуры отпуска, обеспечивающие существенное сни жение остаточных напряжений для углеродистых сталей 580— 680 °С, для аустенитных сталей 850—1050 °С, для сплавов магния и алюминия 250—300 °С, для титановых сплавов 1100—1200 °С. Виды отпуска и закономерности снижения на пряжений подробно рассмотрены в работе [6]. Если отпуск или отжиг детали осуществляются в зажимном приспособлении, то одновременно со снятием напряжений осуществляется правка.
Местные нагревы и охлаждения различных зон сварного соединения применяют как для правки, так и для перераспреде ления напряжений. Этот метод аналогичен пластическому де формированию детали.
Гл а в а 5. ФА3ОВЬ«Е И СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ (МакаР°в Э. Л.)
5.1. Характерные зо*ы сваРных соединений
Сварные соединений* выполненные сваркой плавлением, можно разделить на неск^^^^о зон, отличающихся макро- и микро
структурой, химическим состав°м, механическими свойствами и
другими п ризн ака^ |
сваРн°й |
||
шов, зону |
сплавления> зоНУ |
||
термического влияУия |
и |
ос~ |
|
новной металл (рис- o-U- |
Ха |
||
рактерные |
признак 30н |
свя‘ |
|
заны с фазовыми Я структур ными превратениЯми> К0Т0‘ рые претерпевают ЯРИ сварке
металл в каждой з0не-
Сварной шов характеризу
ется литой макростРУктурой металла. Ему присуща пер вичная микроструКтУРа кри-
сталлизации, тип к0Т0Р°® за' висит от состава щва и усло
вий фазового перех°Да из жидкого состояния в твер
дое.
Зона термическо20 влияния
(ЗТВ) — участок основного Металла, примыкающий к сварному шву, в предках ко торого вследствие теплового воздействия сварочного источ
ника нагрева протекают фазовые и структурные превращения в твердом металле. В результате этого ЗТВ имеет отличные от основного металла величину зерна и вторичную микроструктуру. Часто выделяют околошовный участок ЗТВ или околоШовную зону (ОШЗ). Она располагается непосредственно у сварного шва и включает несколько рядов крупных зерен. Металл шва, имеющий литую макроструктуру, и ЗТВ в основ ном металле, имеющая макроструктуру проката или рекристаллизованную макроструктуру литой или кованой заготовки, разделяются друг от друга поверхностью сплавления. На по верхности шлифов, вырезанных из сварного соединения и под вергнутых травлению реактивами, она при небольших увеличе ниях наблюдается как линия или граница сплавления.
Зона сплавления (ЗС) —это зона сварного соединения, где происходит сплавление наплавленного и основного металла.
В нее входит узкий участок шва, расположенный у линии сплав ления, а также оплавленный участок ОШЗ. Первый участок образуется вследствие недостаточно эффективного переноса, расплавленного основного металла в центральные части свароч ной ванны. Здесь имеет место перемешивание наплавленного и основного металлов в соизмеримых долях. Наоплавленном участке ОШЗ возможно появление между оплавленными зер нами жидких прослоек, имеющих аналогичный состав. В слу чае применения разнородных наплавленного и основного ме таллов (например, аустенитного и перлитного) ЗС отчетливо наблюдается в виде переходной прослойки. Она имеет часто су щественно отличающиеся от металла шва и ЗТВ химический состав, вторичную микроструктуру и свойства. Распределение элементов по ширине ЗС имеет сложный характер, который определяется процессами перемешивания направленного и ос новного металла, диффузионного перераспределения элементов между твердой и жидкой фазами и в твердой фазе на этапе охлаждения.
Основной металл располагается, за пределами ЗТВ и не пре терпевает изменений при сварке. Может влиять на превращения в ЗТВ в зависимости от его макро- и микроструктуры, опреде ляемых способом первичной обработки металла (прокат, литье, ковка, деформирование в холодном состоянии) и последующей термообработкой (отжиг, нормализация, закалка с отпуском, закалка со старением и т. п.).
5.2.Понятие о фазовых и структурных превращениях
Впроцессе нагрева и охлаждения металла при сварке получает развитие целый ряд фазовых и структурных превращений. Под
фазовыми превращениями (переходами I рода) понимают пре вращения с образованием новых фаз, отличающихся от исход ных атомно-кристаллическим строением, часто составом, свой ствами и разграниченных с ними поверхностями раздела (меж фазными границами). При образовании новой фазы в ее объеме меняется свободная энергия, скачкообразно изменяются энтро пия, теплосодержание и в момент превращения теплоемкость стремится к бесконечности [1]. В связи с этим фазовое превра щение сопровождается выделением или поглощением теплоты. При структурных превращениях (переходах II рода) проис ходит перераспределение дефектов кристаллической решетки, легирующих элементов и примесей и изменение субструктуры существующих фаз. Структурные превращения сопровождаются плавным изменением свободной энергии, энтропии и теплосодер жания и скачкообразным — теплоемкости и не сопровождаются выделением теплоты.