Деформации сварных металлоконструкций при мехобработке и эксплуатации, использование радиостанций при оценке деформаций

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. Большое значение имеет изменение размеров вследствие эксплуатационной деформации таких ответственных и больших металлоконструкций как мосты, фермы и т.д. Оценка размеров таких сооружений непростое дело и обычно осуществяются с использованием лазерных измерительных устройств, а для связи и координации действий команды инженеров понадобятся рации, проще всего использовать недорогие модели, к примеру, можно купить любительскую радиостанцию цифрового типа.

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 напряжения являются растягивающими и равными пределу текучести металла σ_т. Если известна величина усадочной силы Р_ус, то площадь поперечного сечения, в котором действуют остаточные растягивающие напряжения, равные от, приближенно находят по формуле

За пределами зоны пластических деформаций остаточные напряжения необходимо находить расчетным путем. Рассмотрим на примере станины, показанной на рис. 1, порядок определения напряжений в различных зонах.

Рис. 1. Сварная станина - балка

Пусть известны усадочные силы Р1 и Р₂. Размер а зоны пластических деформаций от шва 1 находим по формуле

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

Для определения напряжений за пределами зон пластических деформаций полагаем, что усадочные силы Р₁ и Р₂ действуют по границе стыка сваренных элементов. Центр приложения суммарной усадочной силы Р_∑ определим из условия

Сила Р_∑ = 2Р_ус1 + 2Р_ус2 вызывает сжатие и изгиб на плече е. Поэтому напряжения за пределами заштрихованных на рис. 1 зон пластических деформаций вычисляют по следующей формуле:

где F - площадь всего поперечного сечения станины; I_y - момент инерции относительно оси у - у; z - координата рассматриваемой точки. При известных величинах напряжений в разных точках нетрудно определить расчетные силы, возникающие в результате механической обработки. Допустим, снимается слой металла толщиной Δ на ширине B₁ показанный на рис. 1. Найдя напряжение σ_Δ в снимаемом слое при z = z_Δ, вычисляем силу

В тех случаях, когда в снимаемом слое напряжения в различных точках различны, силу необходимо вычислять с учетом этого обстоятельства. Например, если обрабатывается на глубину Δ₁ вся нижняя поверхность станины, то собственные напряжения на участках 2а будут растягивающими и равными σ_т, а на остальной части шириной (В - 4а) напряжения σ_Δ, должны быть вычислены при z = z_Δ1. Тогда суммарная сила запишется так:

Силы Р_Δ и P_Δ1, создают моменты, каждая на своем плече. Прогиб станины, если ее рассматривать как балку длиной L, определяют по формуле

Прогибы находят от каждой силы отдельно, полагая Р_i - равной Р_Δ или P_Δ1, a e_i равной соответственно z_Δ или z_Δ1.

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 Δ и Δ₁ снимают за одну установку без перекрепления. Тогда прогибы f_Δ и f_Δ1, необходимо сложить с учетом их знака. Если после механической обработки по слою Δ₁ станина освобождается, а затем проводится обработка слоя Δ, то прогиб по плоскости обработки Δ будет f_Δ, а по плоскости Δ₁ запишется как сумма f_Δ и f_Δ1, 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 λ < 1. Величина λ представляет собой отношение конечного напряжения σ_кон после отпуска к начальному напряжению σ_т. Величина λ должна находиться по релаксационной кривой, снятой от σ₀ = σ_т ;

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 Ст3 произошла релаксация напряжений, равных σ_т = 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 ε_аус за 6 месяцев составила

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

где F₈₀₀- 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 ε_пол, возникшие в Ст3 при различных температурах в течение 2 месяцев от начальных напряжений, равных пределу текучести:

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 σ_т. 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 стт, 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. Для точного измерения степени деформации больших металлоконструкций привлекаются инжинеры с соответствующим оборудованием и им необходимо связываться друг с другом для координации работы. Но при работе вдали от городов не всегда есть возможность пользоваться сотовыми телефонами, потому что может не быть связи, поэтому они могут посетить магазин раций и выбрать нужные средства связи.

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 σ_ост ≈ σ_т, то, как правило, достаточно знать лишь размеры и положение зон, где σ_ост ≈ σ_т.

Выше была рассмотрена методика определения размеров зон сварочных пластических деформаций (см. рис. 1). Полагают, что при нагружении металл ведет себя в этих зонах как идеально пластичный, 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. 1). 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 I_у′ и запишем разность прогибов разгрузки f_р и нагрузки f_н:

Рис. 2. Изменение ширины зоны протекания

пластических деформаций от 2b_п1 при

напряжении от нагрузки σ_н1 до 2b_п2 при σ_н2

Остаточный прогиб зависит от момента М, длины балки L и отношения разности моментов инерции к их произведению. Если максимальные остаточные напряжения аост. max понижены отпуском сварной конструкции, то пластическая деформация не будет наступать до тех пор, пока σ_{ост. max} + σ_н < σ_т. После достижения суммарным напряжением величины σ_т начнется процесс пластической деформации.

Следует иметь в виду погрешности, вносимые неточностью-расчетов Δf по формуле выше. Они состоят по крайней мере в том, что эпюра собственных напряжений растяжения, имеющая в действительности вид трапеции (рис. 2, кривая 1) заменена в расчетной схеме прямоугольной эпюрой (кривая 2). Это приводит к нелинейной зависимости f и Δf от момента М, потому что с ростом напряжений от нагрузки, например от σ_н1до σ_н2, ширина зоны, где идут пластические деформации, увеличивается с 2 b_п1, до 2 b_п2. Кроме того, естественное колебание режимов сварки влияет на величину 2 b_п.

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 нагру-жения. В приближенных расчетах можно ориентироваться на формулу выше, 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 σ_н = (0,1 - 0,15) σ_т. В некоторых случаях перед механической обработкой специально применяют вибрацию, чтобы она в последующем не могла вызвать искажение размеров после механической обработки.

Автор: Администрация