ВВЕДЕНИЕ

Склонность сварных соединений к послесварочному самопроизвольному деформированию была обнаружена около четверти века назад [1, 18, 19]. Однако практического выхода результаты этих работ не имели, так как с точки зрения требований к точности техника того времени находились еще на низком уровне. Деформаций во времени считались малыми и в расчет при проектировании и изготовлении сварных конструкций не принимались. Этим и объясняется тот факт, что последующее десятилетие, вплоть до конца 60-х годов, исследователи к этой проблеме, носившей в то время чисто теоретический характер, практически не возвращались.

Бурное развитие техники повысило требования к качеству и надежности деталей, сварных узлов и конструкций. В частности, за последнее десятилетие допустимые отклонения линейных размеров высокоточных сварных конструкций машино- и приборостроения в процессе эксплуатации достигли уровня 10-7—10-6 мм/мм, что на несколько порядков ниже величины самопроизвольных деформаций сварных конструкций во времени. В результате за этот период значительно увеличился объем научно-исследовательских работ по проблеме размерной стабилизации сварных конструкций, вставшей в один ряд с наиболее актуальными проблемами современной теории сварочных деформаций и напряжений.

К настоящему времени в СССР и за рубежом по этой проблеме накоплен значительный теоретический и практический опыт, позволяющий решать многие задачи как чисто научного, так и прикладного характера. Ретроспективный анализ работ по проблеме размерной стабилизации сварных конструкций целесообразно проводить по следующим основным направлениям:
1. Изучение закономерностей процесса самопроизвольного деформирования сварных соединений во времени.
2. Изучение физической природы явления размерной нестабильности сварных соединений.
3. Разработка методов прогнозирования размерной стабильности при расчете и проектировании и диагностики при изготовлении и эксплуатации сварных конструкций.
4. Изыскание путей повышения размерной стабильности сварных конструкций.

Закономерности процесса самопроизвольного деформирования. Изучению закономерностей процесса самопроизвольного деформирования сварных соединений с течением времени в той или иной мере посвящены работы [1, б, 8, 12, 17, 18, 23, 25, 30, 35]. В этих работах исследованы сварные соединения низколегированных, малоуглеродистых, аустенитных, хромистых сталей, среднеуглеродистой стали 35, алюминиевых и титановых сплавов.

Анализ результатов указанных работ позволяет сформулировать основные общие закономерности развития процесса самопроизвольного деформирования сварных соединений во времени:
деформации во времени присущи сварным соединениям всех исследованных конструкционных материалов;
деформирование наиболее интенсивно протекает в первые часы (сутки, недели, месяцы) с последующим монотонным затуханием и хорошо описывается экспоненциальной функцией;
знак и величина деформаций во времени сварных соединений определяются химическим составом материала, режимами сварки и температурой вылеживания (хранения).
Следует отметить, что процесс самопроизвольного деформирования, монотонно затухая с течением времени, не заканчивается за время исследований (до 1,5—2 лет). Максимальные деформации во времени для ряда конструкционных материалов могут достигать 50 % остаточных сварочных деформаций.

Физическая природа явления размерной нестабильности. Первые шаги по изучению механизма деформирования сварных соединений во времени были сделаны в работе [19]. Применительно к низколегированным сталям было показано, что основной причиной изменения геометрических форм и размеров является превращение остаточного аустенита в мартенсит. В дальнейших исследованиях авторам удалось существенно расширить представления о природе явления размерной нестабильности. К основным причинам, вызывающим самопроизвольное деформирование, они относят:

фазовые превращения, связанные с распадом метастабильных составляющих структуры;
старение неустойчивых структур;
релаксацию остаточных сварочных напряжений I рода;
ползучесть материала сварного соединения под действием остаточных напряжений.

Причем вклад каждого из перечисленных факторов в самопроизвольное деформирование зависит от химического состава материала, режимов сварки, температуры вылеживания и т. п. Так, в работе [23] авторами сделан вывод о том, что для материалов, не претерпевающих аллотропических превращений (например, Д19, В95), главной причиной являются процессы старения. В работе [26] установлено, что в малоуглеродистых сталях размерная нестабильность определяется в первую очередь процессами релаксации остаточных напряжений и ползучести.

Однако сделанные в указанных работах выводы по качественной стороне механизма размерной нестабильности сварных соединений сами по себе не позволяют вооружить конструкторов и технологов какими-либо универсальными аналитическими или эмпирическими методами расчета, прогнозирования и предупреждения деформаций сварных конструкций, наблюдаемых с течением времени. Дело в том, что функциональная взаимосвязь процессов релаксации остаточных напряжений и фазоструктурных превращений столь сложна и многогранна, что выразить ее в достаточно простой для инженерных расчетов математической форме на сегодняшний день не представляется возможным. Естественно, что задачей исследователей является детальное изучение этой взаимосвязи для сварных соединений конструкционных материалов различного химического состава. В научном плане экспериментально-теоретическое изучение обобщенной модели явления размерной нестабильности сварных соединений может быть отнесено к числу фундаментальных проблем теории сварочных напряжений и деформаций.

За последние 5—10 лет разработаны методики регистрации деформаций сварных соединений на базе автоколлимации, интерферометрии, голографии и т. д. Все это позволило перейти на качественно новую ступень как в решении теоретических, так и прикладных аспектов проблемы. В частности, по новой методике во всем цикле вылеживания сварных соединений проводится комплексное исследование процесса самопроизвольного деформирования во времени. При этом параллельно оценивается стабильность как геометрических размеров и форм сварных соединений, так и исходных полей остаточных напряжений и фазоструктурного состояния. Применение комплексного изучения размерной нестабильности на базе тонких физических исследований структурно-напряженного состояния дифференцированных зон сварного соединения с одновременной регистрацией наблюдаемых во времени деформаций на уровне до сотых долей микрона и десятых долей угловой секунды позволило четко проследить динамику развития в микрообъемах внутренних физических процессов и генерируемых ими внешних микрообъемных реакций сварного соединения [6].

Полученные результаты показывают, что напряжения I рода в зоне метастабильных фазоструктурных составляющих сварного соединения могут играть как отрицательную, так и положительную роль с точки зрения повышения их устойчивости, а следовательно, и размерной стабильности. Результирующий эффект зависит от соотношения знака напряжений и деформаций, от объемного эффекта фазоструктурного превращения. При их совпадении устойчивость и размерная стабильность понижаются и, наоборот, при противоположных знаках превращение подавляется, а размерная стабильность повышается. Важным является вывод о том, что при наличии метастабильных структур главной причиной размерной нестабильности является распад неустойчивых структур, а релаксация напряжений является следствием этого процесса. Остаточные же напряжения влияют лишь на его интенсивность.

С точки зрения количественного вклада каждого фактора, влияющего на размерную стабильность, в этих работах отмечается, что с повышением структурной стабильности свариваемого материала доля микропластического деформирования дислокационного характера возрастает и с некоторого момента этот процесс может стать превалирующим и даже подавляющим. Однако качественная роль инициатора остается за фазоструктурными превращениями. Например, для сварных соединений стали 35 при повышенных температурах вылеживания (до 100 °С) доля структурных деформаций за счет старения мартенсита в зоне полной закалки составляет 80—90 %, а для стали 12Х18Н10Т за счет мартенситного превращения аустенита в области пониженных температур (до —60 °С) вылеживания 15%. При этом абсолютные величины деформаций этих сталей во времени близки, хотя и различны по знаку. Если температурная зависимость деформаций во времени для сварных соединений стали 35 находится в соответствии с известными положениями современной теории сварочных напряжений и деформаций, то для аустенитной стали 12Х18Н10Т вследствие резкого возрастания уровня деформаций при пониженных температурах она носит аномальный характер. Эта аномалия деформационных свойств объясняется инициированием так называемого эффекта сверхпластичности за счет фазового мартенситного превращения аустенита, интенсифицирующегося в области пониженных температур под действием высоких остаточных напряжений I рода в зоне сварного шва и в околошовной зоне.

Прогнозирование и диагностика размерной нестабильности. Научные результаты проведенных исследований явились хорошей базой для разработки и внедрения в производство широкого круга прикладных идей, в частности методов расчетного прогнозирования и экспресс-диагностики размерной нестабильности точных сварных конструкций. Расчетно-экспериментальные методы прогнозирования основаны на расчленении сварного соединения на характерные области активной зоны, замене исходных силовых факторов их значениями после заданного периода при соответствующей температуре, последующем упругом сопряжении расчлененных частей и определении деформации за данный период вылеживания. Расхождение между расчетными и экспериментальными данными не превышает 10—20 %.

Основой для разработки метода экспресс-диагностики явился вывод о том, что независимо от химического состава материала, конструктивных параметров сварных соединений и конструкций, режимов сварки и т. п., процесс деформирования во времени протекает по экспоненциальному закону. Перечисленные факторы могут менять (и причем существенно) количественные характеристики процесса, а в некоторых случаях и знак деформаций во времени. Но характер деформирования не меняется. Для каждого материала при неизменности внешних факторов (геометрии сварной конструкции, режима сварки, условий эксплуатации) в пределах естественного разброса постоянны и количественные характеристики процесса деформирования, т. е. экспоненты, описывающей этот процесс во времени. За критерий оценки размерной стабильности принята скорость деформирования во времени сварного соединения ξ″ = dε/dtxp после полного охлаждения сварной конструкции, т. е. с момента установившейся записи кривой деформирования. Внедрение экспресс-диагностики позволяет быстро, надежно и качественно осуществлять как межоперационный, так и выходной контроль готовой продукции.

Пути повышения размерной стабильности. Углубленное изучение физической природы явления размерной нестабильности сварных соединений позволило авторам выработать четкие, теоретически и практически обоснованные требования к методам размерной стабилизации. В основном эти требования сводятся к следующему:
стабилизации неустойчивых фазоструктурных составляющих;
перераспределению эпюры остаточных напряжений, обеспечивающему
минимальную активность релаксационных процессов.
Стабилизации неустойчивых фазоструктурных составляющих можно достичь двумя путями. Во-первых, путем перевода метастабильных фазоструктурных составляющих в устойчивые модификации в результате их распада или аллотропического превращения. Наиболее радикальный способ в этом случае — термообработка (отпуск, отжиг и т. д.). При этом параллельно удовлетворяется и второе условие, касающееся перераспределения остаточных напряжений. Второй путь заключается в механической стабилизации неустойчивых структур за счет искусственного создания в зоне их распространения поля остаточных напряжений, подавляющих их распад или аллотропическое превращение. В литературе показано, что для размерной стабилизации сварных соединений среднеуглеродистой стали 35 достаточным условием является создание в зоне сварного шва уровня остаточных напряжений + 150 МПа без изменения фазоструктурного состава, зафиксированного после сварки. В остальных же зонах сварного соединения величина остаточных напряжений не должна превышать предела релаксации σr для данного материала.

Практическая реализация теоретических положений осуществляется путем наложения на сварное соединение (главным образом после сварки) различных внешних возмущений:

локальных или объемных полей повышенных температур;
вибрационных колебаний;
ультразвуковых колебаний;
обработки холодом;
обкатки сварного соединения.

Режимы и параметры стабилизирующих обработок выбирались с учетом полученных теоретических предпосылок. Результаты апробации разработанных авторами методов обработки показали их высокую эффективность и тем самым подтвердили правильность сделанных ими выводов по экспериментально-теоретическому изучению физическойприроды явления размерной нестабильности.

Разработанные методы позволяют снижать деформации сварных конструкций во времени на 80—100 %.

Назад на страницу описания