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

деформации, определяемые через величину равномерно распределенной нагрузки Р при простом растяжении

В свободном состоянии величина Р уменьшится про­ порционально изменению величины е. Установим зави­ симость между величиной е и прогибом панели / после освобождения из приспособления, считая, что в прижа­ том состоянии относительная деформация определяется формулой (80). Найдем приближенное выражение для радиуса кривизны при прогибе / (рис. 89,6), принимая во внимание, что деформации равномерны по длине:

Используя выражения (81) и (82) и учитывая, что относительная деформация кривого брусавыражается

отношением — .получим соотношение для определения

г

текущей относительной деформации:

щ +

Величина Р изменяется по следующей формуле:

По мере увеличения прогиба f Ртеі( будет падать. Если считать, что и в этом случае величина прогиба должна соответствовать формуле (79), то остаточный прогиб будет определяться точкой пересечения кривых, построенных по формулам (79) и (84). Используя фор­ мулу Эйлера для критических сжимающих усилий, при­ ложенных вдоль нейтральной оси сечения:

n si2EJ

кр ’

построим зависимости между прогибами и усилиями в относительных координатах Р/Р, — f/iv, где іу — радиус инерции деформируемого сечения.

190

Анализ кривых (рис. 90) показывает, что величина остаточного прогиба при сварке в приспособлении может оказаться в несколько раз меньше, чем в случае сварки в свободном состоянии, причем роль приспособлений более ощутима при сварке гибких пластин и посте­ пенно снижается при увеличении сечения свариваемых

Рис. 90. Зависимость между прогибами и усилиями при сварке пластин с ребрами жесткости в свободном состоянии (1) и

что влияние упругой предварительной деформации ока­ зывает существенное влияние на величину остаточных деформаций гибких конструкций малой жесткости и почти не отражается на деформациях жестких кон­ струкций (типа балок и др.).

СВАРКА ПРЯМОЛИНЕЙНЫХ ШВОВ БЕЗ ПРОДОЛЬНЫХ ОСТАТОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ

Методы упругой деформации позволяют осуществить сварку прямолинейных стыковых швов тонких листов без образования остаточных продольных деформаций потери устойчивости. С этой целью был разработан способ, экспериментальное опробование которого было проведено в сварочной лаборатории МВТУ им. Бау­ мана [23]. Сущность способа заключается в следую-

191

щем. Свариваемые пластины собирают встык на ци­ линдрической поверхности прижимного приспособления (рис. 91). Удлинение кромок осуществляется упруго за счет конфигурации медной подкладки, которая припод­ нимает их над цилиндрической поверхностью и увели­

чивает в этом месте радиус продольного изгиба листа. После сварки зона, имеющая большую длину, сокра­ тится за счет усадки и устранит предварительную де­ формацию. Однако вследствие того, что кромки фикси­ руются под углом, возможна угловая остаточная дефор­

мация.

Экспериментальные результаты. Для опытной про­ верки способа изготовлено приспособление с продольным радиусом кривизны 300 мм. Эксперименты проведены на пластинах из сплава ОТ4. Высота подъема кромок варьировалась от 0,5 до 3 мм.

Для всех случаев измеряли профилограммы кромок в поперечном направлении до сварки и в поперечном и продольном направлениях после сварки для определе­ ния оптимальной высоты подъема кромок (рис. 92). Измеряли также остаточные напряжения в сварном шве после сварки.

Как следует из экспериментальных данных, при ну­ левом значении продольных остаточных напряжений в шве и продольный прогиб также оказывается равным нулю. При этом имеется достаточно широкий диапазон

.192

значений высоты подъема кромок Іг, в котором возможна сварка стыковых швов без образования деформаций потери устойчивости. Прогиб возникает при малой вы­ соте подъема кромок вследствие сжимающих напря­ жений, образующихся при сварке, как обычно, вне зоны сварочных пластических деформаций. При чрезмерно большой высоте подъема кромок Іі деформации потери устойчивости возникают за счет сжимающих напряже­ ний в зоне сварного шва.

Для определения оптимальной высоты подъема кро­ мок зададимся некоторыми исходными данными и введем определенные допущения. Обозначим: 2b — ши­ рина зоны пластических деформаций; 2 а — ширина зоны, приподнимаемой над поверхностью прижимного приспо­ собления; а.ѵ — остаточные продольные напряжения при сварке встык листов в плоском состоянии; R — радиус кривизны приспособления. Считаем, что величина про­ дольных пластических деформаций одинакова во всех участках зоны шириной 2 b и не зависит от конструк­ тивных особенностей, обусловленных цилиндрической формой поверхности.

Если в поперечном сечении профилограмма кромок свариваемых листов — наклонная прямая линия, то оптимальная высота подъема кромок определится из условия

ь

г к (а— х) Еах = охЬ.

Ч‘-£)

подъема кромок Іг, при которой после сварки отсутство­ вали напряжения ах, составила 1,4—1,7 мм. Расчетная величина h —Л,6 мм. В случае сварки низкоуглеродистой стали СтЗ высота подъема кромок при прочих равных параметрах в 3,5—4 раза меньше, чем при сварке титана. Технологическое осуществление сварки без про­ дольных деформаций таким методом не вызывает осо­ бых сложностей. Определенные трудности возникают в процессе сборки листов на выпуклой или вогнутой под­

194

кладке, но они во многом зависят от конструктивного выполнения приспособлений. Опыты, проведенные в МВТУ им. Баумана, показали, что удовлетворительные результаты могут быть получены при сварке пластин толщиной до 1 мм.

МЕТОДЫ ГЛУБОКОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

Методы местного глубокого охлаждения деталей для устранения остаточных деформаций и напряжений при изготовлении сварных конструкций исключают необхо­ димость проведения механических правочных операций, ие требуют использования сложного и тяжелого обо­ рудования для пластического деформирования мате­ риала. Можно выделить отдельные виды сварных соеди­ нений, в которых глубокое охлаждение дает ощутимые результаты.

1. Стержневые конструкции рам и ферм. Сварочн деформации выявляются в виде укорочений стержней вследствие усадки металла в зоне их соединения между собой и в местах приварки к поясам. Механическое воз­ действие на шов ие всегда приводит к желаемым ре­ зультатам, так как укорочения стержней оказываются значительными вследствие свободного сокращения зоны шва, а область, в которой можно производить пласти­ ческую осадку металла, сравнительно невелика.

Если перед сваркой среднюю часть стержня Охладить, то образовавшееся укорочение компенсирует изменение размера стержня, возникшее при сварке. Технологиче­ ски данную операцию производят следующим образом. На средней части стержня укрепляют охладительную камеру длиной 300—400 мм, в которую заливают жид­ кий азот или пропускают пары азота, испаряемого из сосуда Дюара. Охлаждение до сварки осуществляют в течение 4—5 мин для алюминиевых стержней и 10— * 15 мни для стальных. После этого производят сварку. После охлаждения сварных швов охладительную камеру снимают со стержня, начинается его удлинение вслед­ ствие повышения температуры. Основные параметры данного технологического приема — длина охладителя, длина стержня, температура охлаждающего вещества, продолжительность охлаждения и величина укорочения, которую необходимо компенсировать при применении данного процесса. Способ применяется для изготовле­

ния ферменных конструкций высокой точности из алю­ миниевых сплавов.

2. Фланцевые соединения в пластинах и оболочках Наиболее эффективным является предварительное охлаждение фланца и поддержание охлажденного состояния до полного завершения процесса сварки. Охлаждение осуществляется заливкой охлаждающего компонента в кольцевое полое внутреннее пространство фланца, герметизируемое с наружной и внутренней стороны плотным прижатием фланца верхней крышкой, в которой имеются отверстия для заливки и испарения охладителя. По окончании сварки охлаждение фланца прекращается, и за счет его расширения происходит компенсация сварочных напряжений и устранение де­ формаций.

3. Замыкающие кольцевые, круговые, продольные швы малогабаритных тонких оболочек. Часто для сня­ тия внутренних напряжений применяется отпуск свар­ ных конструкций. Иногда, когда сварка является заклю­ чительной операцией, нагрев изделия выше температуры 120—150° С нежелателен из-за нарушения последующих эксплуатационных характеристик. В этом случае целе­ сообразно применение операции местного охлаждения зоны сварного шва. Как показывают измерения, местное охлаждение только зоны шва жидким азотом (при использовании местной охлаждающей камеры) не при­ водит к заметному снижению остаточных напряжений. Поэтому перед охлаждением производят общий нагрев узла до температуры 120—150° С вместе с приспособле­ ниями для охлаждения в течение 40—60 мин. После вы­ емки из печи в замкнутую систему накладных охлади­ телей пропускают жидкий азот. Резкий перепад темпе­ ратур способствует более интенсивному протеканию пла­ стических деформаций удлинения в зоне сварного шва

-и устранению остаточных напряжений.

4.Сварка стыковых швов в пластинах и оболочках.

Вэтом случае охлаждению подвергается околошовная зона, что в значительной степени снижает размеры областей нагрева до одних и тех же максимальных тем­ ператур и уменьшает величину продольной и поперечной усадки шва. Для снижения деформаций при сварке листов может быть использовано приспособление, прин­ цип которого показан на рис. 93. Следует, однако, иметь

ввиду, что полного устранения деформаций при сварке

196

прямолинейных швов такими приемами добиться невоз­ можно. Например, при охлаждении околошовной зоны жидким азотом величина прогиба плоских листов из сплава АМгб снижается на 40%, а величина попереч-

Рис. 93. Приспособление для сварки пря­ молинейных швов с охлаждением околошовноіі зоны:

/ — основание; 2 — прижимные планки; 3 — свари­ ваемые пластины; '/ — полости для заполнения

охладителем

Практическое осуществление методов охлаждения с целью компенсации деформаций, возникающих от по­ перечного укорочения, в значительной степени зависит от времени, в течение которого производится охлаждение до сварки. Чем больше длительность охлаждения, тем значительнее поперечное укорочение ввариваемого эле­ мента. Существенное значение оказывает и длина охлаж­ даемого участка детали (рис. 94). Если известна вели­ чина поперечного укорочения при сварке без охлажде­ ния, то, сопоставляя ее с величиной укорочения при охлаждении, нетрудно определить те параметры охлаж­ дения, которые дадут полную компенсацию поперечной деформации. Ввиду того, что при сварке стержней охлаждаемый участок, как правило, находится вдали от места сварки и не подвергается непосредственному теп­ ловому воздействию сварочного процесса, деформации укорочения от сварки и охлаждения независимы друг от друга, и оптимальное соотношение между режимами сварки можно устанавливать на основе простого равен­ ства поперечного укорочения от сварки и укорочения стержня от охлаждения.

При вварке фланцев, в особенности малых диаметров (100—150 мм), в плоские листы и оболочки метод

197

охлаждения оказывается неэффективным, так как теп­

укорочения Д/ стержня из алюминие­

фланца, также значительно нагревающейся. А так как область пластических деформаций распространяется да­ леко за пределы сварного шва в оболочку или лист, то ожидаемого эффекта при расширении центральной части фланца можно не получить, так как сохранившийся запас укорочения оказывается явно недостаточным для компенсации продольной и поперечной составляющих сварочных деформаций.

В этом случае наряду с предварительным укороче­ нием фланца необходимо уменьшить ширину зоны пла­ стических деформаций в пластине или оболочке, в кото­ рые вваривается фланец, для чего может быть исполь­ зован комбинированный прием, при котором наряду с охлаждением фланца производят охлаждение околошов­ ной зоны листа или оболочки по схеме, аналогичной приведенной на рис. 93. Практическое осуществление

198

метода устранений деформаций охлаждением зоны флан­ цевых соединений сопряжено с рядом трудностей сбо­ рочного характера. Как показывают эксперименты, тех­ нология получения сварных соединений посредством переплава охлажденного до низких температур металла никаких существенных изменений в процессе сварки не вносит, и обеспечение высокого качества шва и надле­ жащих механических свойств трудностей не представ­ ляет. Но для гарантии успешного осуществления ком­ пенсации сварочных деформаций и напряжений необхо­ димо строго выдержать предварительные припуски на укорочение деталей в процессе охлаждения перед свар­ кой. Это относится как к оболочковым, так и к стерж­ невым конструкциям.

В промышленности США массивные фланцы ввари­ вают в оболочки из алюминиевых сплавов непосредст­ венно после выдержки фланца в течение 15—20 мин в жидком охлаждающем компоненте. При этом на 60—70% уменьшается радиальная составляющая оста­ точных напряжений и почти полностью устраняются пе* ремещения поверхности оболочки. Если фланец имеет диаметр, превышающий 2 0 0 мм, то дополнительное охлаждение околошовной зоны оболочки вряд ли по­ требуется, так как увеличение его диаметра после сварки может оказаться вполне достаточным для компенсации упругой составляющей продольных и поперечных дефор­ маций в зоне шва. Следует иметь в виду, что эффек­ тивность метода компенсации сварочных деформаций охлаждением повышается с увеличением коэффициента линейного расширения и уменьшением запаса темпера^ турпой упругой деформации.

УСТРАНЕНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ

ВСОЕДИНЕНИЯХ МАРТЕНСИТНЫХ СТАЛЕЙ

Впромышленности довольно широко применяют вы­

сокопрочные стали мартенситного класса, обладающие к тому же достаточно высокими пластическими свой­ ствами. Деформации этих сталей при сварке оказы­ ваются часто намного меньше, чем у других мате­ риалов за счет происходящих при охлаждении струк­ турных превращений.

Сварка без деформаций невозможна, так как нет факторов, действующих в противоположном усадочному

199