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

кііх, может достигать сравнительно больших значений вследствие деформаций в зоне шва. Поперечные дефор­

ляется действенным средством их снижения. По приве­ денным на рис. 1 0 0 , а данным снижение деформаций-за

а>

210

счет ужесточения режимов (при постоянном усилии на электродах) возможно в 1,2—1,9 раза. Вдвое больший эффект может быть достигнут увеличением усилия сжа­ тия электродов. При этом возможно снижение деформа­ ций в 2,2—4,2 раза.

fuc. 100. Зависимость остаточных деформации AI на образцах из стали Х18Н9Т (ширина 20 мм):

Дальнейшее снижение деформаций возможно при применении ковочного усилия. Остаточные сварочные деформации на сталях типа Х18Н9Т могут быть за счет проковки не только снижены, но практически устранены. Эффект проковки тем выше (рис. 1 0 0 , 6 ), чем меньше усилие сжатия электродов при сварке. Наибольшее сни­ жение сварочных деформаций достигается при включе­ нии проковки в момент окончания импульса сварочного тока.

Снижение деформаций за счет проковки по сравне­ нию с другими способами во многом более технологично, так как не нарушает нормальных режимов сварки и требует меньших затрат электроэнергии; кроме того, требуемый эффект достигается непосредственно между электродами сварочной машины без дополнительных операций. Применение проковки вызывает ряд вопросов, связанных со стойкостью электродов, возможностями сварочного оборудования, влиянием проковки на проч­

211

ность точечных соединений. Необходимо отметить, что проковка не снижает прочности соединений при стати­ ческом нагружении, а в случае усталостных нагрузок существенно (на 35—120%) ее повышает.

Усадка или расширение при контактной сварке в большинстве случаев оказывает преимущественное влия­ ние в конструкциях, требующих сварки по замкнутому контуру, где возможно образование хлопунов или на­ тяга ввариваемой детали в зависимости от жесткости контура и типа свариваемого материала. Вследствие деформаций возможно изменение формы контура, а при малой толщине металла — местная потеря устойчивости листа. Однако наибольшее значение в конструкциях имеют остаточные деформации, возникающие вследствие крутящих и изгибающих моментов, вызываемых оста­ точными напряжениями, не уравновешенными относи­ тельно нейтральной оси. Это вызывает изгиб или скру­ чивание сварного узла, иногда оба явления одновре­ менно. На узлах типа панелей (обшивка с элементами жесткости) такие деформации часто создают наиболее трудно исправимый дефект — диагональную закрутку (восьмерку).

Устранение пли снижение изгибов и скручиваний только за счет уменьшения сварочных деформаций далеко не всегда дает желаемый результат. Опыт сварки стали Х15Н5Д2Т показал, что даже при минимальных сварочных деформациях, свойственных этому металлу, общие деформации узла могут быть весьма значитель­ ными. На стали Х15Н5Д2Т, у которой предел текучести близок к пределу прочности и правка крайне затрудни­ тельна, это недопустимо. Причиной деформаций узла в этом случае являются упомянутые выше технологиче­ ские деформации. Технологические деформации, взаимо­ действуя со сварочными, могут уменьшить или увели­ чить общие деформации конструкции. Следовательно, возможны случаи, когда меры, принятые для снижения деформаций одного из этих типов, могут дать конечный результат, прямо противоположный ожидаемому. Техно­ логические деформации играют большую роль в общей деформации сварных узлов и требуют отдельного рас­ смотрения.

Технологические деформации связаны с несовершен­ ством оборудования, приспособлений и сборки. При контактной сварке на свариваемых деталях имеются

212

внешние связи, так как детали зажаты электродами и их правильная подача в машину осуществляется опе­ ратором с помощью различных поддерживающих, на­ правляющих или выравнивающих устройств (иногда работа ведется и без применения таких устройств). Таким образом, приложение внешних усилий к свари­ ваемым деталям в процессе сварки практически неиз­ бежно. Это, как правило, приводит к деформациям за счет неточной установки электродов (роликов) и их не­ одинаковой рабочей поверхности, за счет изгиба вследст­ вие неточного направления свариваемых деталей в ма­ шину. Эти общеизвестные явления практически неиз­ бежны, хотя и могут быть сведены к минимуму при точ­ ной установке электродов, хорошо выверенной оснастке

идр.

Всварных узлах с длинными швами и тысячами или

десятками тысяч точек, выполняемых преимущественно точечно-роликовой сваркой, даже незначительные не­ точности накапливаются и могут иметь большое значе­ ние, особенно R жестких конструкциях из высокопрочных материалов, почти не допускающих правки. Наилучший результат по устранению технологических деформаций, вызванных этими неточностями, обеспечивается при таком порядке сварки, при котором их действие не накапливается, а взаимно уничтожается. Например, при сварке панелей это достигается наложением в опреде­ ленном порядке половины швов в одном направлении, а другой половины — в противоположном. При этом после сварки в одном направлении панель несколько изгибается, а по окончании сварки деформации прак­ тически устраняются.

Установлено, что до включения тока относительного смещения электродов нет (А = Б ). При интенсивном нагреве коэффициент трения в контакте деталь—деталь снижается, и происходит относительный сдвиг, вследст­ вие которого свариваемые детали изгибаются. Данные

стоянным. Несмотря на это, с увеличением силы тока, продолжительности его включения и усилия растут деформации — прогиб увеличивается.

Убедительного объяснения полученных зависимостей

213

нет. По-видимому, справедливо следующее: с ростом силы тока и длительности его включения увеличивается зона пластических деформаций; с ростом усилия сжатия электродов в большей мере проявляется дополнительный сдвиг свариваемых деталей за счет несовпадения вер­ шин сфер рабочих поверхностей электродов.

Ведущий ролих

вается сдвиговыми напряжениями, возникающими при передаче усилий с ведущего ролика на ведомый. Свари­ ваемые образцы всегда изгибаются в сторону ведомого ролика (при отсутствии других факторов, влияющих на изгиб); в отличие от точечной сварки с ростом усилия сжатия роликов прогиб уменьшается, хотя влияние силы сварочного тока остается таким же, как при точечной сварке (рис. 1 0 1 , б).

Методы снижения технологических деформаций могут быть дамы только в общем виде. В зависимости от кон­ струкции свариваемого узла и машины возможно при­ менение различных технологических приемов, которые могут снижать не только технологические, но и свароч­ ные деформации, а также общие деформации конструк­ ции в целом.

214

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СДВИГА ЭЛЕКТРОДОВ ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ

Одним из основных видов деформаций листовых конструкций (обшивка с соединенными с ней точечной сваркой продольными стрингерами или гофрированными листами) является продольный прогиб, возникающий за счет укорочения точечного шва. Усадочное усилие создает изгибающий момент относительно поперечной оси инерции у—у и является основной причиной дефор­ маций продольного изгиба. Угол поворота ср одного сече­ ния относительно другого в изогнутом сварном узле определяется по формуле (рис. 1 0 2 , а):

где / — прогиб детали; t — шаг точек; L— длина детали.

На точечных машинах возможен самопроизвольный сдвиг электродов, создающий в процессе сварки дефор­ мации изгиба. В зависимости от направления сдвига остаточный продольный прогиб может быть таким же, как при укорочении или удлинении зоны шва. Возмож­ ность управления остаточными деформациями может быть использована для разработки способа предотвра­ щения деформаций при сварке.

Разработанный способ основан на компенсации изгиба, возникающего в процессе сварки от усадочных явлений, обратными по знаку и равными по величине изгибными деформациями от сдвига. Образование деформаций достигается за счет направленного сдвига одного электрода относительно другого на определенную величину (рис. 102,6). Такой сдвиг на величину s пере­ мещает точку Ь в положение Ь' и поворачивает сече­ ние ab на угол ф. Опыты показали, что при сдвиге электродов проскальзывание их относительно сваривае­ мых деталей практически отсутствует и поэтому можно считать

s

(87)

б, + 6..

В случае неплоских (сферических) рабочих поверх­ ностей электродов угол ф будет иметь большее значение,

215

чем вычисленное по формуле (87). Выбрав смещение s

в шаг точки и направлен в противоположную сторону), можно предотвратить возникновение деформаций изгиба.

S )

Рис. 102. Характер деформаций изгиба с панелей от действия усадочного усилия (а) и схема сдвига электродов при точечной сварке (б)

Для определения сдвига, не учитывающего пружинения, утонения бі и 62 от вмятин под электродами, неплоскостности рабочей поверхности электродов и т. д. можно пользоваться формулами (8 6 ) и (87). Если неизвестно то его можно определить на образце длиной I с одним или несколькими стрингерами (пли частью гофра), при­ варенными к обшивке с заданным шагом точки t.

216

Эффективность предложенного спосооа проверяли на

обеспечивалось различной величиной упругих прогибов

лировкой свободной длины нижней консоли. Таким образом, на панелях длиной 2500 мм прогиб был снижен с 38 до 4 мм, на панелях длиной 4000 мм — с 80 до 10 мм. Для рассмотренного способа предотвращения сварочных деформаций целесообразно применять спе­ циальные устройства, обеспечивающие необходимое перемещение электродов при прохождении свароч­ ного тока.

В практике встречается соединение пластин с жест­ кими рамами. К узлам такого типа, предназначенным для ответственных конструкций, предъявляются особые требования в отношении сварочных деформаций, в част­ ности к наличию деформаций потери устойчивости, образующихся после соединения пластины по контуру с рамой. Устранение деформации постановкой техноло­ гических точек, прокаткой швов после сварки трудоемко или трудно осуществимо. В то же время оставлять деформации потерн устойчивости пластин без исправ­ ления не рекомендуется из-за снижения эксплуатацион­ ных характеристик соединения и невозможности качест­ венного выполнения некоторых последующих технологи­ ческих операций.

Обваренная по контуру пластина защемлена с четы­ рех сторон и находится под действием сжимающих усилий, которым эквивалентны распределенные нагрузки в направлении осей X и Y (рис. 103):

Fp — площадь сечения рамы; <7*. Яѵ — распределенные нагрузки.

В расчетах конструкций решение задач о потере устойчивости сводится к нахождению критических на­ пряжений.

Рис. 103. Последовательность (1—4) при­ хватки пластины к каркасу рамы

Построенные по формулам зависимости (рис. 104)

для пластин с отношением— = 1,25 показывают измене-

а

мне прогиба в центре пластин при одинаковой величине относительного укорочения /х и /у по обеим осям.

Из теории пластин извест­ но, что при наименьших крити­ ческих напряжениях теряет устойчивость пластина с отно-

Ь

шепнем — , равным целому

218

квадратной формы, так как неучтенная величина дефор­ мации повышает сопротивление деформациям потери устойчивости. Величина критической относительной де­ формации укорочения может быть определена из усло­ вия равенства нулю числителя выражения (8 8 ). Прини­ мая /х = /у= /, получаем критическую деформацию сжа­ тия

Чтобы предотвратить деформации потери устойчи­ вости, достаточно равномерно растянуть пластину перед сваркой в направлении, противоположном действию усадочного усилия на величину /св—Др. Для этого может быть использовано смещение электродов на точеч­ ных машинах, за счет которого легко осуществить не­ обходимый натяг листов при прихватке. При этом относительное смещение электродов при прихватке должно быть в 2—-2,5 раза больше значения ісв—/кр, так как осуществить равномерное растяжение пластины по всей ширине при прихватке практически трудно.

Применение контактной точечной сварки часто огра­ ничено из-за низкой прочности соединений при уста­ лостных нагрузках. Имеется ряд способов повышения усталостной прочности точечных соединений с помощью различных технологических приемов. Однако большин­ ство из них либо малоэффективны, либо предусматри­ вают проведение дополнительных (к сварочным) трудо­ емких операций, связанных с точным совмещением обрабатывающего инструмента с центром сварной точки и приложением больших усилий на специальном обору­ довании [40].

Некоторого повышения прочности точечных соедине­ ний (до 50%) при переменных нагрузках можно до­ биться за счет рационального конструирования, а имен­ но— повышения жесткости сварных узлов. Но этот путь чрезвычайно редко может быть использован эффективно.

Одним из важнейших факторов, влияющих на уста­ лостную прочность сварных соединений, являются оста­ точные напряжения по границе литого ядра в направ­ лении действия нагрузки. Поэтому имеется конкретный практический смысл их определения в зависимости от основных сварочных параметров.

9* 219