книги из ГПНТБ / Сагалевич, В. М. Методы устранения сварочных деформаций и напряжений

становится пластической; б) остаточные напряжения, являющиеся результатом этой пластической деформа­ ции; в) остаточные перемещения концевых плит, к ко­ торым жестко прикреплены стержни. Очевидно, для воз­ вращения системы в исходное педеформироваиное и не­ напряженное состояние достаточно удлинить средний

_2 Если бы концы сред­ Т '

него стержня при изменении температуры не перемеща­ лись, то удлинение его, необходимое для снятия напря­

жений, равнялось бы ~ 1 .

Остаточные деформации, возникшие после охлажде­ ния, не привели к изменению формы системы. Если бы средний стержень нагревался только с одной стороны, например с правой, то возникли бы деформации изгиба и пластические деформации, неодинаковые по сечению. Тогда произошло бы не только поступательное переме­ щение концевых плит, но и их поворот относительно друг друга, т. е. изменение формы конструкции, а оста­ точные напряжения оказались бы неодинаковыми в крайних стержнях и неравномерными по сечению сред­ него стержня.

Между этим весьма распространенным примером и образованием напряжений при сварке имеется опреде­ ленная аналогия, выражающаяся в том, что неравномер­ ный нагрев сплошной детали подобен нагреву одного из элементов жесткой замкнутой системы, а напряже­ ния, возникающие при местном нагреве тела и уравно­ вешивающиеся в его объеме, уравновешены в любой замкнутой системе. Такие напряжения называются соб­ ственными или внутренними, так как они возникают без приложения внешних сил. Собственные остаточные напряжения подразделяются на напряжения первого рода, уравновешивающиеся в макрообъемах; напряже­ ния второго рода, уравновешивающиеся в пределах од­ ного или нескольких зереи; напряжения третьего рода, отражающие искажение кристаллической решетки.

Остаточные напряжения, возникающие при сварке, различают по направлению, в котором они действуют. Для прямолинейных швов: продольные ст.ѵ, действующие вдоль шва, и поперечные, из которых аи действуют в плоскости двух свариваемых пластин перпендикулярно шву, а Oz— в направлении толщины. При сварке кри-

10

волипениых, например круговых швов вместо оу- и сгу вводят напряжения а и оі — радиальные и тангенциаль­ ные— рассматриваемые в полярных координатах.

Ответственными за деформирование конструкций являются напряжения первого рода. Поэтому первооче­ редная задача при исправлении искаженной сваркой конструкции и снятии в ней напряжений— это устране­ ние напряжений первого рода. При этом очень часто устранение напряжений первого рода сопровождается увеличением напряжений второго и третьего рода, на­ пример при пластическом деформировании, однако это в редчайших случаях сказывается отрицательно на ра­ ботоспособности и долговечности сварной конструкции.

Ниже рассмотрены наиболее характерные виды де­ формаций сварных соединений и конструкций и различ­ ные случаи образования остаточных напряжений при сварке. Учитывая то обстоятельство, что изучению сва­ рочных деформаций и напряжений, методам их расчет­ ного и экспериментального определения посвящено зна­ чительное количество монографий и статей в специаль­ ной сварочной литературе, эти вопросы рассмотрены кратко.

ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ

Методы определения остаточных напряжений под­ разделяются на расчетные и экспериментальные. Ввиду сложности явлений, происходящих при сварке, единого расчетного метода определения напряжений как сопро­ вождающих сварочный процесс, так и остающихся в конструкции после сварки, в настоящее время нет. Мож­ но лишь отметить, что чем меньше допущений введено в расчетные предпосылки, тем сложнее техника выпол­ нения самих расчетов.

Основные задачи по определению продольных напря­ жений базируются на известных допущениях и гипоте­ зах, которые не всегда позволяют получить результат, подтверждаемый экспериментами [20, 21, 32, 33].

Существенные уточнения расчетных методов с при­ менением для решений на ЭЦВМ математического ап­ парата теории упругости и пластичности изложены в монографии [4]. Однако значительная трудоемкость и сложность этих расчетов являются существенным пре­ пятствием для их практического использования.

11

Основная задача теории сварочных деформаций и напряжений состоит в определении так называемого уса­ дочного усилия Рус, которое равно произведению пло­ щади эпюры остаточных пластических деформаций на модуль упругости Е и толщину металла б. Иначе говоря, для определения Рус требуется предварительно устано­ вить ширину зоны, в которой произошли пластические деформации при сварке, и распределение величин этих деформаций по ширине. Зная решение этой задачи, не­ трудно определить распределение остаточных напряже­ ний, а используя величину Рус — перейти к определению деформаций сварных конструкций.

Для приближенного определения усадочного усилия Рус (в кгс) в продольных сварных швах пластин одина­ ковой толщины при ширине зоны пластических дефор­ маций 2Ьп (в см) для низкоуглеродистых и низколеги­ рованных сталей существуют зависимости:

Экспериментальные методы основаны главным обра­ зом на принципе разрезки металла н освобождении его от остаточных напряжений. По величине деформаций металла, происходящих в результате разрезки, опреде­ ляют снятые остаточные напряжения. Большинство эк­ спериментальных методов учитывает специфику полей остаточных напряжений, вид и форму конструкции, в которой их определяют. Иногда вместо измерения де­ формаций при разрезке измеряют величину перемеще­ ний. Например, в зоне кольцевого шва тонкой цилиндри­ ческой оболочки малого диаметра целесообразно разгрузку от остаточных напряжений производить по­ следовательной срезкой кольцевых слоев с торца обо­ лочки (рис. 2, а), измеряя после срезки каждого слоя величину перемещений w поверхности в четырех-восьми точках по периметру, или изменение длины окружности на некоторых двух заранее выбранных расстояниях от шва по образующей Х\ и Хч, затем, пользуясь матема­ тическим аппаратом теории оболочек, определять на­ пряжения, которые действовали в срезанном слое

(рис. 2, б).

12

Значительный экспериментальный материал получен также с помощью различных физических методов ис­ следования, использующих лаковые и фотоупругие по­ крытия, дифракцию рентгеновских лучей, точное изме­ рение деформаций посредством несовмещенных муаро­ вых линий и т. д. [29 и др.].

обычно в двух направлениях: вдоль шва a* и поперек шва Оу, так как третий компонент напряжений az в эле­ ментах толщиной до 15—20 мм незначителен. При этом вследствие изгиба пластин, не равномерного прогрева и проплавления по толщине при сварке ох и ау могут от­ личаться существенно на нижней и верхней плоскостях пластин. Поэтому, если упругие деформации измеряют на поверхности, то пластины прижимают к ней и опре­

25 кгс/мм2), в аустенитных сталях они могут достигать 60—70 кгс/мм2. В алюминиевых, магниевых и титановых

металлов это снижение более значительно в связи с ра­ зупрочнением материала в зоне сварки.

13

На рис. 3,а показано распределение напряжений и* и Оу в пластинах, сваренных стыковым швом, по резуль­ татам измерения баз длиной 10 и 100 мм. Достоверность результатов зависит от размеров пластин, во всяком случае установлено, что величины В и L должны быть

личина остаточных напряжений в сплавах алюминия за­ висит от удельной погонной энергии сварки (рис. 3,6). Распределение напряжений в простых ннзкоуглеродпстых сталях в принципе мало отличается от рассмотрен­ ного. Существенные изменения могут происходить лишь при сварке сталей мартенситного класса и применении специальных присадочных материалов.

При сварке профильных элементов эпюры остаточ­ ных напряжений мало чем отличаются от тех, которые имеют место при сварке пластин. При определении на­ пряжений учитывают распределение погонной энергии

сварки, принимая, что qn= — распределяется пропор­ ов

ционально толщинам соединяемых сечений.

14

При сварке плит и деталей массивных сечений мно­ гослойными швами или электрошлаковой сваркой наря­ ду с напряжениями ах и а,, возникают напряжения оу. Величина их растет с ростом толщины металла. С точки зрения опасности возникновения хрупких разрушений для многослойных швов наиболее опасны напряжения а,„ особенно при сварке незакрепленных деталей, для предотвращения деформаций которых используется их предварительный «развал». Вопрос образования напря­ жений при злектрошлаковой сварке и многослойных швах изучали многие исследователи [8].

Круговые и точечные соединения образуют осесим­ метричное поле остаточных напряжений оу и сц.

Двухосное поле напряжений, образующееся при свар­ ке круговых швов, может отрицательно сказаться на эксплуатации конструкции. Поэтому тщательное его изучение с учетом перемещения источника, неравномер­ ности температур в процессе сварки имеет большое зна­ чение. Опыты, проведенные в МВТУ им. Баумана ІО. Н. Губановым показали, что началом разрушения кругового шва при циклическом нагружении является место перекрытия шва. Это подтверждается расчетами на ЭЦВМ применительно к сварке круговых швов с учетом движения источника, показавшими, что именно в зоне перекрытия при определенных условиях сварки происходит наибольшее исчерпание пластичности метал­ ла в процессе остывания. При этом обычно применяемые технологические приемы для повышения долговечности такого типа соединений, связанные с осесимметричной обработкой всего шва (например, снятие усилений с обеих сторон), не вносят существенных изменений в характер начала разрушения. Поэтому целесообразна местная обработка материала в зоне перекрытия.

ДЕФОРМАЦИИ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ

В основе образования деформаций и перемещений лежат те же причины, которые приводят к образованию остаточных напряжений. Как и напряжения, остаточные деформации могут быть временными, изменяющими размеры и форму сварного шва в процессе сварки, и остаточными, выражающимися в послесварочных изме­ нениях геометрии сварной конструкции. Временные де­ формации представляют практический интерес с двух

15

точек зрения. Во-первых, они позволяют в большинстве случаев предопределить характер последующих остаточ­ ных деформаций и наметить мероприятия по конструк­ тивному усовершенствованию узла или технологическо­ му изменению сварочного процесса с целью снижения остаточных деформаций. Во-вторых, временные дефор­ мации и перемещения могут оказать большое влияние на характер формирования сварного соединения и тех­ нологию сварки.

Например, подъем кромок листов над плоской под­

сварки іприводят часто к провисанию сварочной ванны, большому обратному усилению. Остаточные перемеще­ ния также изменяются по сравнению со случаем, когда подъем кромок тем или иным способом предотвращен. Перемещение деталей при электрошлаковой сварке, связанное с изменением зазора между ними, меняет условия формирования сварного соединения, увеличи­ вает или уменьшает зазор между деталями и приводит к таким изменениям сварочного процесса, которые зна­ чительным образом нарушают стабильность основных параметров сварки.

Остаточные деформации представляют собой те из­ менения размеров и формы деталей, которые фиксиру­ ются после сварки. Вне зависимости от конструкции остаточные деформации для различных сочетаний свари­ ваемых элементов, их геометрических размеров, типа сварного соединения и т. д. можно разделить на несколь­ ко основных видов:

конструкции одинаковы в направлении одной или двух главных осей, а перемещениями в направлении третьей оси можно пренебречь. Такие деформации могут воз­

на одном и том же режиме, отсутствует фактор потери устойчивости и местного изгиба соединяемых между со­ бой листов (рис. 4, а) [4, 36].

2. Деформации продольного и поперечного изгиба свариваемых элементов. Например, продольный прогиб тавровой или двутавровой балки (рис. 4,6), неизбежно

16

действием напряжений сжатия (рис. 4,з). При этом происходят значительные перемещения из исходной плоскости листовых и оболочковых элементов.

4. Деформации скручивания относительно продоль­ ной оси (рис. 4, е). Этот вид деформаций характерен в основном для балочных конструкций. Предполагаемой причиной их образования считаются различные сдвиго­ вые деформации кромок в зоне нагрева при сварке де­ талей между собой. Однако убедительного объяснения причин образования такого вида деформаций при сварке плавлением без воздействия внешних сил нет.

5. Деформации, объединяющие несколько видов из четырех вышеперечисленных. Иногда изменения, проис­ ходящие при сварке конструкций, бывают настолько сложными, что их трудно отнести к тому или иному кон­ кретному виду, но они всегда могут быть дифференциро­ ваны при более тщательном рассмотрении причин, их вызывающих [4].

Для определения остаточных деформаций широко используют расчетные методы. Задача определения де­ формаций (перемещений) от сварки представляет собой два самостоятельных раздела (исследованию которых посвящено большое количество работ): термомеханнческий и деформационный. Термомеханнческое решение сводится к определению величины усадочной силы, по­ перечной усадки по длине и толщине соединения и других элементов деформаций, возникающих в зоне сварного соединения. Эти элементы вводятся в расчет при определении деформаций конструкций и представ­ ляют собой деформационное решение. Исходные элемен­ ты деформации, определяемые из термомеханического решения, связывают с режимами сварки, видом соедине­ ния и другими факторами, которые оказывают влияние на развитие деформаций в процессе сварки. В деформа­ ционном решении широко использован аппарат сопро­ тивления материалов, теории упругости и пластичности, теории оболочек, а при определении деформаций конст­ рукций с течением времени — теории ползучести [4, 18, 20, 21, 32].

В большинстве случаев остаточные перемещения, воз­ никающие при сварке конструкций, могут быть вычисле­ ны путем приложения к конструкции фиктивных сил, по­ лученных либо посредством термомеханического реше­ ния, либо экспериментально — по величине замеров

18

остаточных напряжений. При этом при определении пе­ ремещений используется в основном принцип одновре­ менности укладки шва по длине, который означает, что пластические деформации от сварки одинаковы во всех поперечных сечениях шва. Однако само распределение пластических деформаций по поперечному сечению мо­ жет быть достаточно точно определено лишь при реше­ нии термомеханиеской задачи с учетом действительной картины явлений, происходящих при сварке. Иногда в особенности при наличии экспериментальных данных по определению деформаций и усилий, действующих в зоне сварных швов, сразу переходят к деформационному решению.

Расчетные и расчетно-экспериментальные методы оп­ ределения деформаций сварных конструкций представ­ ляют значительный практический интерес. Если имеется возможность достаточно точно определить величины и характер деформирования от сварки, то это позволяет квалифицированно выбрать такой вариант изготовленияконструкции, который приведет к наименьшим свароч­ ным деформациям. При этом могут быть использованы либо принципы рационального конструктивно-техноло­ гического проектирования, либо введены в технологи­ ческий процесс те или иные методы и средства предот­ вращения или устранения деформаций.

УСТРАНЕНИЕ СВАРОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИИ, НАПРЯЖЕНИЙ И ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

В основу принципиальных возможностей снижения' или устранения сварочных деформаций и напряжений могут быть положены три пути, учитывающие физиче­ скую сущность процессов, происходящих при сварке.

1. Снижение величины пластической деформации уко­ рочения либо ширины зоны ее распространения прш нагреве путем регулирования термического воздействия при сварке, уменьшения погонной энергии, введения предварительного подогрева, приложения усилий присварке.

2. Увеличение пластических деформаций удлинения либо в процессе охлаждения сварного шва, либо после сваркип утем прокатки, проковки, растяжения, вибрации и т. д.

19'