Сварные конструкции, не прошедшие термообработки для снятия напряжений и стабилизации неустойчивых структур, могут изме­нять свои размеры под воздействием различных факторов. В зави­симости от требований точности эти изменения могут быть несуще­ственны или, наоборот, недопустимы.

Различают деформирование в процессе механической обработки, в процессе вылеживания, при изменении температурных условий, а также в процессе эксплуатации вследствие действия нагрузок. Во многих случаях назначение термообработки продиктовано исклю­чительно требованиями точности. Так как термообработка удлиняет срок изготовления изделий, увеличивает стоимость, а в некоторых случаях требует кооперирования с другими предприятиями из-за отсутствия необходимых печей, назначение термообработки должно производиться на основе конкретного анализа необходимости этой операции. Ниже рассмотрены основные случаи и приемы опреде­ления деформаций сварных конструкций, не прошедших термо­обработки.

Деформирование в процессе механической обработки возникает вследствие удаления напряженного металла и вследствие наклепа металла режущим инструментом. При большой толщине снимаемого слоя влияние напряжений сжатия в наклепанном слое незначи­тельно по сравнению с перераспределением сварочных напряжений.

Наибольшие трудности в подсчете деформаций при механиче­ской обработке вызывает определение величины напряжений в зо­нах обработки, характера приложения сил к детали и собственно расчет деформаций под действием этих сил. В сложных деталях такой подсчет практически выполнить невозможно. Поэтому иногда прибегают к экспериментальным методам определения деформаций деталей в результате механической обработки.

Расчетные приемы определения деформаций рассмотрим приме­нительно к сварным конструкциям из сталей.

В прямолинейных сварных швах и примыкающих к ним зонах термического влияния, где металл нагревался до температур свыше 200—250° С, можно приближенно полагать, что остаточные напря - жения являются растягивающими и равными пределу текучести металла аЛ. Если известна величина усадочной силы Рус, то площадь поперечного сечения, в котором действуют остаточные растягиваю­щие напряжения, равные ат, приближенно находят по формуле

F = (48)

За пределами зоны пластических деформаций остаточные напря­жения необходимо находить расчетным путем. Рассмотрим на при­
мере станины, показанной на рис. 22, порядок определения напря­жений в различных зонах. Пусть известны усадочные силы Рг и Р2> найденные по формуле (3). Размер а зоны пластических деформаций от шва 1 находим по формуле

а — io'k а • (49)

(2оп + ос) ат

Радиус г зоны пластических деформаций от шва 2 вычислим, решая следующее уравнение относительно г:

(50)

г8с + ^яг2)ог = РуСг.

Для определения напряжений за пределами зон пластических деформаций полагаем, что усадочные силы Рх и Р2 действуют по

Bf

2Рс

'ус2

2 Рус2

Т

/°с

.X

У

ҐУСГ

и^ Руе1

Рис. 22. Сварная станина — балка

(51)

границе стыка сваренных элементов. Центр приложения суммарной усадочной силы определим из условия

Р ус2^р — Р, ЛЬ ^р) •

Р^е

-z,

(52)

где F — площадь всего поперечного сечения станины; 1у — момент инерции относительно оси у — у г — координата рассматриваемой точки. При известных величинах напряжений в разных точках нетрудно определить расчетные силы, возникающие в результате механиче­ской обработки. Допустим, снимается слой металла толщиной А на

Сила Ps = 2PyCl + 2РУс2 вызывает сжатие и изгиб на плече е. Поэтому напряжения за пределами заштрихованных на рис. 22 зон пластических деформаций вычисляют по следующей формуле:
ширине Въ показанный на рис. 22. Найдя по формуле (52) напря­жение ад в снимаемом слое при г = 2д, вычисляем силу

/3д = стдВ1А. (53)

В тех случаях, когда в снимаемом слое напряжения в различных точках различны, силу необходимо вычислять с учетом этого обсто­ятельства. Например, если обрабатывается на глубину Дх вся нижняя поверхность станины, то собственные напряжения на уча­стках 2а будут растягивающими и равными ат, а на остальной части шириной (В — 4а) напряжения аДі должны быть вычислены по формуле (52) при г = гд,. Тогда суммарная сила запишется так:

PAt = сгт4аЛі + аАі (В — 4а) Дг. (54)

Силы РА и PAl создают моменты, каждая на своем плече. Прогиб станины, если ее рассматривать как балку длиной L, определяют по формуле

(55)

Прогибы находят от каждой силы отдельно, полагая Л* равной Рд или Ра1у а Єі равной соответственно гд или zAl.

Конечные прогибы следует определять с учетом последователь­ности механической обработки и характера закрепления станины на станке. Если обрабатываемая деталь, в данном случае станина, нежесткая, а крепление ее на столе жесткое и не позволяет ей перемещаться в процессе механической обработки, то в результате обработки возникнут реакции в закреплении, которые после. осво­бождения детали вызовут ее деформацию. Допустим, слои А и Дх снимают за одну установку без перекрепления. Тогда прогибы /д и /Ді необходимо сложить с учетом их знака. Если после механи­ческой обработки по слою Ах станина освобождается, а затем про­водится обработка слоя А, то прогиб по плоскости обработки А будет /д, а по плоскости Дх запишется как сумма /д и /Ді с учетом знаков.

Если закрепления не способны обеспечить жесткое крепление детали на станке, то прогибы ее будут возникать сразу после оче­редного прохода. В этом случае остаточный прогиб может быть уменьшен за счет увеличения числа проходов механической обра­ботки.

Если снятие напряжений при отпуске сварной конструкции неполное вследствие недостаточной температуры отпуска, то при механической обработке будет также происходить деформирование обрабатываемой детали. Методика вычисления деформаций в этом случае ничем не отличается от изложенной выше, за исключением определения собственных напряжений перед механической обра­боткой.

Все найденные после сварки напряжения, как в зоне пластиче­ских деформаций, так и за ее пределами, должны быть умножены на коэффициент снижения напряжений при отпуске Х< 1. Вели­чина X представляет собой отношение конечного напряжения акон после отпуска к начальному напряжению ат. Величина К должна находиться по релаксационной кривой, снятой от а0 = ат (см. стр. 82—83);

К =^2». (56)

ат

Деформирование в процессе вылеживания и при изменении тем­пературных условий. В процессе вылеживания может происходить деформирование вследствие: релаксации остаточных напряжений, распада неустойчивых структур, а также пластических деформа­ций, вызванных изменением температурных условий.

Ползучесть металла при комнатных температурах крайне незна­чительна. При уровне начальных напряжений 10—20 кгс/мм2 в сталях с 0,025—0,39% С снижение их составило через несколько десятков тысяч часов 1,5—2,5% начального уровня. По данным К. Д. Басиева в стали СтЗ произошла релаксация напряжений, равных ат = 2400 кгс/см2, на 2,5% в течение 2 месяцев.

Деформации могут возникать вследствие распада неустойчивых структур. Таковыми в сварных соединениях являются остаточный аустенит и мартенсит закалки. При распаде остаточного аустенита в зонах, нагревавшихся при сварке выше 800—850° С, будет про­исходить увеличение объема металла. О величине объемного прев­ращения можно судить по данным, полученным при обработке экспериментальных данных А. В. Мордвинцевой. Относительная деформация єаус за 6 месяцев составила

Сталь 12Х5МА 20ХГСНА ЗОХГСА 25 X ГС А 23Х2НВФА

еаус-10* 17,6 15,8 12,0 12,6 11,3

Так как в дальнейшем распад остаточного аустенита сильно затухает, то приведенные данные могут служить ориентировочной величиной для определения сил Ру возникающих в зонах, нагре­вавшихся выше 800° С:

■^аус -^вОО^^аус»

где F8oo — площадь зоны, нагревавшейся выше 800° С, в которой происходит увеличение объема металла при распаде.

Деформирование в сварных деталях из стали 35 при комнатной температуре возможно по причине превращения мартенсита за­калки в мартенсит отпуска. Такие условия создаются при сварке на режимах, вызывающих большие скорости охлаждения металла. Этот процесс идет с уменьшением объема металла.

Изменение температуры может влиять по-разному. Равномерное повышение температуры приводит к интенсификации процесса пол­зучести. Ниже в качестве примера приведены величины пластиче­ской деформации єпол, возникшие в СтЗ при различных температу­рах в течение 2 месяцев от начальных напряжений, равных пре­делу текучести:

Т° с +20 +100 +150

Єпол‘104 0,3 1,43 1,74

Равномерное понижение или повышение температуры в сварных соединениях, имеющих в своем составе металлы с различными коэф­фициентами линейного расширения, может привести к возрастанию напряжений в тех зонах, где они близки к ат. Это вызовет протека­ние пластических деформаций и изменение геометрических разме­ров конструкции.

При неравномерном изменении температуры в отдельных объе­мах детали происходит возрастание напряжений. Если при этом максимальные напряжения, близкие к ат, суммируются с возник­шими от неравномерного нагрева, то протекает пластическая дефор­мация, в результате которой изменяется геометрическая форма дета­лей, нарушается их точность.

Рассмотренные здесь причины деформирования сварных дета­лей не относятся к категории главных факторов. Их влияние, как правило, незначительно и в обычных машиностроительных конст­рукциях во внимание не принимается. Однако в некоторых случаях, когда имеют дело с объектами весьма высокой точности, эти фак­торы могут оказаться существенными. Такими объектами являются корпусы и станины точных приборов, измерительные средства, станки и машины высокой точности. Разработанных методов расчет­ного определения величин деформаций от перечисленных выше причин пока не имеется. Для установления количественных зависи­мостей в случае необходимости прибегают к экспериментальным методам исследования.

Деформирование под действием внешних нагрузок. Внешние на­грузки могут вызвать остаточное изменение размеров лишь в тех случаях, когда в процессе их действия возникает пластическая деформация. Различают действие статических и вибрационных на­грузок.

Статические нагрузки. Вычисление остаточных де­формаций после приложения и снятия статических нагрузок воз­можно в тех случаях, когда известно распределение собственных напряжений и напряжений от внешней нагрузки. Так как пласти­ческие деформации обычно протекают только в зонах, где аост ^ ат, то, как правило, достаточно знать лишь размеры и положение зон,

ГДЄ О'ост 0ГТ*

Выше была рассмотрена методика определения размеров зон сварочных пластических деформаций (см. рис. 22). Полагают, что при нагружении металл ведет себя в этих зонах как идеально пла­

стичный, т. е. не упрочняется. Тогда те зоны сварочных пластиче­ских деформаций, которые попадают в область растягивающих рабочих напряжений, не сопротивляются деформациям. Сечение работает при приложении нагрузок без участия этих зон. При разгрузке процесс является упругим, сечение работает полностью. Разность деформаций, возникших при нагрузке и разгрузке, яв­ляется остаточной деформацией. Рассмотрим сказанное на при­мере станины (см. рис. 22). Допустим, что она испытывает равно­мерный по длине изгибаю­щий момент М, вызываю­щий растягивающие напря­жения в нижней части ста­нины. Обозначим момент инерции сечения без ниж­них зон пластических де­формаций 1у' и запишем разность прогибов разгруз­ки /р и нагрузки /н:

Рис. 23. Изменение ширины зоны протекания пластических деформаций от 26Пі при напря­жении от нагрузки aHj до 2Ьп^ при aHjj

л/=/р-/„ =

ML2 ML?

8 Ely ML2 = ~W

8Ely,

v-'.

І „І.,

(58)

Остаточный прогиб за­висит от момента М, дли­ны балки L и отношения разности моментов инерции к их произведению. Если максимальные остаточные напряжения 0Ост. шах понижены отпуском сварной конструкции, то пластическая деформация не будет настут пать до тех пор, пока аост. шах + стн <ат. После достижения сум­марным напряжением величины ат начнется процесс пластической деформации.

Следует иметь в виду погрешности, вносимые неточностью расчетов по формуле (58). Они состоят по крайней мере в том, что эпюра собственных напряжений растяжения, имеющая в дей­ствительности вид трапеции (рис. 23, кривая 1) заменена в расчет­ной схеме прямоугольной эпюрой (кривая 2). Это приводит к нели­нейной зависимости / и А/ от момента М, потому что с ростом напря­жений от нагрузки, например от aHl до аН2, ширина зоны, где идут пластические деформации, увеличивается с 2 ЬП1 до 2 ЬП2. Кроме того, естественное колебание режимов сварки влияет на величину 2 Ьп.

Вибрационные нагрузки. Действие вибрационных нагрузок аналогично действию статических за исключением того, что предел текучести металла снижается под воздействием перемен­ных высокочастотных напряжений. Вибрационные нагрузки, оди­наковые по величине со статическими, производят действие, анало­гичное приложению сил или моментов несколько большей вели­чины, чем это есть на самом деле. Точные количественные зависи­мости установлены лишь для простейших конкретных схем нагру­жения. В приближенных расчетах можно ориентироваться на фор­мулу (58), увеличивая М или Р на 15—20%.

Вибрационные нагрузки могут возникать при перевозках изде­лий. Учет их крайне сложен. По-видимому, снижение напряже­ний ат в области пластических деформаций под действием вибра­ции от транспортных средств не должно превышать ан = = (0,1 —0,15) ат. В некоторых случаях перед механической обра­боткой специально применяют вибрацию, чтобы она в последующем не могла вызвать искажение размеров после механической обра­ботки.