Теория сварочных напряжений и деформаций

Проблема сварочных напряжений и де­формаций возникла почти одновремен­но с началом практического примене­ния сварки. На опасность «вредных напряжении», возникающих при свар­ке, указывал в своих работах еще в 1892 г. Н. Г. Славянов. Однако широ­кое внимание исследователей эта проб­лема привлекла лишь в 30-е годы XX в., когда началось бурное внедрение свар­ки в производство.

За прошедшие годы появилось боль­шое количество работ по эксперимен­тальному и теоретическому исследова­нию процессов образования сварочных напряжений и деформаций, а также по оценке их влияния на несущую способ­ность элементов сварных конструкций. Вскрыты основные механизмы образо­вания сварочных напряжений и дефор­маций в изделиях из различных мате­риалов, различной формы, при различ­ных режимах и условиях сварки. По­лучены конкретные данные о природе сварочных напряжений и деформаций и разработаны различные технологиче­ские и конструктивные способы их ре­гулирования и уменьшения.

В настоящее время существует доста­точно четкая система взглядов па при­чины возникновения сварочных напря­жений и деформаций, па величину и характер их распределения для многих типов конструктивных элементов в за­висимости от различных технологиче­ских факторов. Эту систему взглядов с полным основанием можно назвать теорией сварочных напряжений и де­формаций. Она формулировалась и раз­вивалась на основе многочисленных экспериментальных и теоретических ис­следований, выполненных за прошед­шие 40—50 лет в СССР и других стра­нах по настоятельной потребности прак­тики получения высококачественных сварных конструкций. Основополагаю­щий вклад в развитие теории свароч­ных напряжений и деформаций и ме­тодов предупреждения их вредного влияния на качество сварных конструк­ций внесли ученые нашей страны.

Среди первых отечественных работ, посвященных данной проблеме и опуб­ликованных в 30-е годы, следует отме­тить работы И. А. Фридлендера [78], Г. В. Бондаренко [1], А. В. Дятлова [20], JI. А. Гликмана и Д. И. Грекова [16], Н. О. Окерблома [58], Е. О. Па- тона [66, 67], Н. С. Лейкина [40], Г. А. Николаева [53]. Эти работы пи в чем не уступали лучшим зарубежным работам того периода. Характерной осо­бенностью работ как отечественных, так и зарубежных авторов являлось стрем­ление к получению данных о величинах и распределении остаточных сварочных напряжений и деформации в зависимо­сти от способов и режимов сварки, гео­метрии изделия и т. д. Исследования проводились в основном на низкоутлеродистых сталях. Использовались пре­имущественно экспериментальные мето­ды и в значительно меньшей степени — расчетные. Большое внимание уделя­лось методическим вопросам измерения остаточных сварочных напряжений и деформаций. Был предложен ряд меха­нических методов измерения остаточ­ных напряжений, основанных па пол­ном или частичном рассечении иссле­дуемого объекта, что нарушало равно­весие остаточных напряжений и при­водило к упругим деформациям, по величине которых определялись суще­ствующие в целом изделии остаточные напряжения. Идея этих методов, впер­вые предложенная и использованная русским металлургом Н. В. Калакуц­ким в исследованиях остаточных напря­жений в орудийных стволах [31], ши­роко применялась в дальнейшем совет­скими и зарубежными авторами при изучении сварочных деформаций и на­пряжений.

Исследователи сварочных напряжении и деформаций в 30-е годы сосредоточи­вали внимание в основном на изучении одноосных напряженных состояний —’ продольных напряжений при сварке пластин, балок, тонкостенных сосудов и на измерении остаточных деформа­ций Ц продольных, поперечных, угло­вых, изгибных. Тем не менее изучался широкий круг вопросов, в частности, влияние способов сварки, характера за­креплений, сварочных режимов и поряд­ка выполнения сварных швов на вели­чины остаточных деформаций указан­ных выше типов и в несколько меньшем объеме — на величины остаточных на­пряжений.

Трудоемкость экспериментальных ис­следований сварочных напряжений и деформаций и отсутствие возможности описания по измеренным усредненным данным общего процесса образования напряжений и деформаций способство­вали повышению интереса к созданию математических моделей, т. е. расчет­ного аппарата для оценки деформаци­онных процессов, величин и характера распределения сварочных напряжений. Следует отметить, что 30-е годы харак­теризовались высоким уровнем разви­тия механики деформируемых сред и, в частности, математической теории уп­ругости, накопившей к тому времени оп­ределенный опыт в решении различных практических задач, в том числе и тем­пературных. К этому же времени были сформулированы основные положения математической теории пластичности и Даны решения ряда задач. Поэтому для развития теоретических методов иссле­дования сварочных напряжений и де­формаций существовали принципиальные теоретические предпосылки.

Процесс формирования сварочных на­пряжений и деформации характеризу­ется специфическими особенностями, учет которых приводит к значительным математическим трудностям. Естествен­но, что в начальный период развития

теоретических методов исследования сварочных напряжений и деформаций расчетные схемы основывались па весь­ма существенных упрощениях. Основ­ное внимание уделялось созданию мето­дов расчета продольных остаточных на­пряжений; физические процессы, сопут­ствующие деформированию металла при сварочном нагреве, не изучались. Ис­следователи стремились дать инжене­рам методы расчета остаточных свароч­ных напряжений, основанные на из­вестных положениях сопротивления ма­териалов, строительной механики и тео­рии упругости.

В ранних работах теоретического на­правления распределение температуры при сварке принимали по опытным дан­ным. Дальнейшее развитие теоретиче­ских методов исследований обусловило интерес к расчетному определению тем­пературных полей в конкретных изде­лиях в зависимости от параметров ре­жима сварки. В 1935 г. Д. Розенталь опубликовал работу [83], в которой изложены расчетные методы оценки квазистационарного температурного по­ля применительно к сварочному нагре­ву тонких пластин и массивных изде­лии. Однако результаты этой работы были мало известны вплоть до появле­ния в 1941 г. его же работы [84]. В 1938 г. опубликованы работы Н. Н. Рыкалина [71], положившие основу для общей теории распространения теп­ла при сварке [72, 73]. Расчетные схе­мы этой теории нашли широкое распро­странение при разработке теоретиче­ских методов оценки сварочных напря­жении и деформации.

К концу 30-х годов как в пашей стране, так и за рубежом накоплен до­статочно обширный материал по оста­точным сварочным напряжениям и де­формациям в элементах стальных кон­струкций и заложены основы для тео­ретического описания процесса их образования. В этот период выполнены основополагающие работы Г. А. Нико­лаевым и Н. О. Окербломом по созда­нию расчетных (графоаналитических) методов определения сварочных напряжений и деформаций.

Дальнейшее развитие и совершенствование теоретиче­ских методов анализа сварочных напря­жении и деформаций неразрывно свя­зано с трудами Г. А. Николаева и его научной школы в МВТУ им. Бау­мана и Н. О. Окерблома и его научной школы в ЛИП им. М. И. Калинина.

В этот же период начаты исследова­ния, связанные с оценкой вредного влияния сварочных напряжении и де­формаций на несущую способность эле­ментов сварных конструкций, в ЦНИИ железнодорожного транспорта под ру­ководством Г. А. Николаева [51, 52] и в Институте электросварки ЛИ УССР под руководством Б. О. Патона [G5, 66]: выполнены обширные исследова­ния влияния остаточных сварочных на­пряжений на деформируемость и проч­ность при статических и вибрационных нагрузках сварных балок.

В 40-е годы работы по изучению сва­рочных деформаций и напряжений про­должались главным образом па низко-углеродистых сталях. Однако если ра­нее основное внимание уделялось руч­ной дуговой сварке, то к концу 40-х го­лов область исследований расширилась за счет применения автоматической сварки под флюсом.

В этот период изданы обобщающие монографии но напряжениям и деформациям при сварке под редакцией Г. Л. Николаева 154], И. О. Окербломом [59], В. П. Вологдиным [13]. Большое внимание в работах этого периода уделяется изучению продольных, поперечных и угловых деформаций при сварке стыковых и угловых швов в зависимости от различных параметров режима сварки, формы разделки, толщины листов и т. д. Предметом исследований, особенно теоретических, являются также изгибные деформации сварных балок, полос и листовых полотнищ. Аналогичные исследования в которых сделан главным образом упор на вопросы точности изделий при сварке, проводятся и в этот период и за рубежом.

В рассматриваемый период интенси­фицирую экспериментальные иссле­дования но изысканию эффективных способов борьбы со сварочными дефор­мациями и напряжениями. Изыскива­ются оптимальные конструктивные ре­шения узлов сварных конструкций и технологические приемы уменьшения деформаций.

50-е годы характеризуются повышен­ным вниманием к изучению влияния остаточных напряжений на несущую способность сварных соединений и кон­струкций при статическом и динамиче­ском нагружении в различных темпе­ратурных условиях. Эти вопросы в тот период широко исследовались в ИЭС им. Е. О. Патона, ЦНИИТМАШ, ЦНИИ железнодорожного транспорта, ЦНИИС, а также за рубежом [б-⁷*]. Начались всесторонние исследования усталостной прочности сварных соединений и кон­струкций в зависимости от величины и знака остаточных напряжений.

В отдельное направление выделились исследования по технологической проч­ности сварных соединений как в про­цессе сварки, так и в период, следую­щий непосредственно за ним. Здесь сле­дует отметить работы II. II. Прохорова [68], проводимые в МВТУ им. И. Э. Баумана и заложившие основы разви­тии этого направления. Развитие иссле­дований технологической прочности резко повысило   интерес к вопросам ки­нетики сварочных деформаций и напряжений с целью оценки деформационных условий, предшествующих образованию горячих и холодных трещин. Издан ряд работ, посвященных сварочным деформациям и напряжениям. Большую известность получили работы Г. А. Николаева [55, 57], II. О. Окер-блома [60, 63], посвященные теории сварочных деформаций и напряжений, а также методам расчета и проектирования сварных конструкций. Значительным вкладом в развитие теории сварочных напряжений и деформаций явилась работа Г. Б. Талыпова [75], посвященная расчетным методам оценки остаточных напряжений и деформаций с привлечением

методов теории пластичпости. Работу с достаточно ши­роким обобщением по данной проблеме опубликовал В. П. Вологдин [14].Про­должались¹ экспериментальные и теоре­тические исследования сварочных де­формаций и напряжений в зависимо­сти от режимов и условий сварки низ- коуглеродистых и низколегированных сталей в работах И. П. Байковой, О. А. Бакиш, К. П. Большакова, В. А. Вино­курова, JI. А. Гликмана, К. М. Гатовского, В. Н. Земзина, С. А. Кузьминова, С. А. Куркина, В. Д. Мацкевича, И. П. Трочуна и др.

На протяжении ряда лет в МВТУ им. Н. Э. Баумана разрабатывался и совершенствовался экспериментальный метод определения объемных остаточ­ных напряжений в стыковых сварных соединениях большой толщины при электрошлаковой и многослойной авто­матической сварке [56]. Результаты этих работ, а также теоретические ис­следования, выполненные В. С. Игнать­евой [24], позволили установить, что при сварке элементов очень больших толщин (более 200 мм) в зоне шва возможно образование объемных оста­точных напряжений, вследствие чего металл может переходить в хрупкое со­стояние.

Интенсивные исследования ведутся в этот период и за рубежом. Однако обобщающих работ по этой проблеме за рубежом в этот период не было. Неко­торое исключение составляет моногра­фия шведского исследователя Р. Гуниерта [81], посвященная эксперимен­тальным методам исследования оста­точных сварочных напряжений.

В 60-е, годы интерес к проблеме сва­рочных напряжений и деформаций в пашей стране и за рубежом еще больше расширился в связи с ростом объема производства сварных конструкций из алюминиевых и титановых сплавов, а также из легированных сталей. Ши­рокое применение сварки в новых об­ластях техники выдвинуло на одно из

первых мест проблему точности изго­товления сварных изделий, непосредст­венно связанную со сварочными дефор­мациями и напряжениями.

В ИЭС им. Е. О. Патона проведены исследования под руководством А. А. Казимирова по изучению деформаций и напряжений при сварке элементов сварных конструкций из алюминиево- магниевых сплавов; Б. С. Касаткиным и Л. М. Лобановым разработана мето­дика моделирования кинетики свароч­ных напряжений с помощью оптически активных сред; значительный интерес представляют работы по созданию не­разрушающего способа измерения оста­точных сварочных напряжений и дефор­маций с помощью ультразвука, прово­димые под руководством В. И. Труфякова.

В МВТУ им. И. Э. Баумана В. А. Ви­нокуров [8] разработал расчетный метод определения параметров режима тер­мообработки сварных конструкции в за­висимости от необходимой степени сни­жения остаточных напряжений, про­должил исследования временных и ос­таточных деформаций и напряжений в сварных конструкциях из элементов большой толщины с учетом неодновременности сварки шва по длине и сов­местно с С. А. Куркиным разработал такой прогрессивный метод борьбы со сварочными напряжениями и деформа­циями, как прокатка швов роликами. В. М. Сагалевич выполнил исследова­ния деформаций при сварке сталей мартенентного класса н совместно с Б. Б. Золотаревым — деформаций при кон­тактной точечной и шовной сварке;

О.   И. Стеклов проводил исследования по влиянию остаточных напряжений на коррозионную стойкость в различных средах.

В ЛПИ им. М. И. Калинина под ру­ководством И. О. Окерблома проводи­лась работа по рациональному проек­тированию сварных конструкций и тех­нологии их изготовления; значительное внимание уделялось вопросам теории сварочных напряжении и деформации

Теоретические основы сварки, прочности и проектирования и взаимодействия, их с эксплуатацион­ной нагрузкой различного типа. Весьма интересные работы по теории сварочных напряжений и деформаций выполнены в этот период и в других организациях страны И. М. Ждановым, В.    С. Игнатьевой, С. А. Кузьминовым, И. П. Трочуном и др.

Значительным вкладом в развитие теории сварочных напряжений и дефор­маций и в обоснование различных ме­роприятий для их устранения явился’ выход в свет монографии [7], содержа­щей большой объем оригинальных ис­следований в сочетании с обобщениями выполненных ранее работ в этой обла­сти; широкому использованию методов теории пластичности в расчетах оста­точных напряжений и деформаций по­священа монография [76].

£ Несмотря на значительные успехи, достигнутые в изучения сварочных на­пряжений и деформаций, многие во­просы еще оставались мало исследован­ными. В первую очередь это касалось количественной оценки кинетики упру­го-пластических деформаций, предшест­вующих образованию горячих и холод­ных трещин. Другая группа вопросов, требующих углубленного изучения, свя­зана с оценкой кинетики взаимодейст­вия сварочных напряжений и дефор­маций с внешней силовой либо темпе­ратурной нагрузкой. Успешное решение указанных вопросов можно было искать только на основе новых подходов, за­метно отличающихся от применяемых ранее. Объективные условия для раз­работки таких подходов сложились в 60-е годы в связи с бурным развитием вычислительной техники. Первые шаги применения ЭВМ для изучения отдель­ных аспектов проблемы сварочных на­пряжений и деформации в работах

Н.  Н. Прохорова, В. А. Винокурова и А. Г. Григорьянца, В. И. Махпепко и Б. А. Великонваиепко, относящиеся к 1964—1966 гг., подтвердили большую перспективность новых средств иссле­дования. Однако достаточно эффектив­ное их использование требует предва­рительного решения широкого круга вопросов, связанных с выбором опти­мальных математических моделей и эффективных методов их реализации.

Такие исследования в конце 60-х го­дов интенсивно проводятся в ИЭС им. Е. О. Патона и МВТУ им. Н. Э. Баумана. За рубежом (в Японии) по­добные разработки начались на несколь­ко лет позже [82]jВ ИЭС им. Е. О. Па­тона в этот период В. И. Махненко и ряд сотрудников под его руководством разработали общий подход к решению задач ио кинетике сварочных напряже­нии и деформаций на основе теорий пластического течения с изотропным и трансляционным упрочнением и систе­му типовых расчетных алгоритмов для тонких пластин (плоское напряженное и состояние при незначительных изгиб- пых деформациях), для массивных призматических тел на основе гипотезы плоской деформации, для изгибаемых I пластин и оболочек вращения (используются гипотезы Г. Кирхгофа) и для оценки изгибно-крутильных деформаций тонкостенных балок на основе гипотез тонкостенных стержней [5, 6,1 43-47].

Важным этапом в развитии теории сварочных напряжений и деформаций явился выход в свет монографии [48], I содержащей оригинальные расчетные алгоритмы и численные методы исследования целого ряда характерных для сварки типов задач.

Эти работы по изысканию расчетных методов исследования кинетики сварочных напряжений и деформаций представляются весьма плодотворными и перспективными.

В МВТУ им. Н. Э. Баумана в начале 70-х годов В. А. Винокуров и А. Г. Гри­горьянц разработали новые средства теоретического и экспериментального исследования сварочных напряжений и деформаций на базе математического аппарата теории неизотермического пла­стического течения с использованием новых характеристик материалов, получаемых при терм деформационных циклах сварки. Это позволило получить уточненные значения компонентов вре­менных напряжений и деформации с учетом сложных физических процессов, происходящих при сварке, как теорети­чески — решением задач разработанны­ми численными методами, так и экспе­риментально.

В последние годы интенсивно разви­вались новые экспериментальные мето­ды, основанные на применении оптиче­ски активных датчиков (Л. Я. Недосека), пневматических датчиков (В. А. Волков, Б. С. Касаткин), зеркально ­оптический метод (Б. С. Касаткин, Jl. М. Лобанов), метод муаровых полос (0. А. Бакши и др.).

Совершенствование расчетных и экс­периментальных методов позволило установить ряд закономерностей обра­зования и распределения сварочных на­пряжений и деформаций в современных конструкциях. Получены данные о рас­пределении напряжений на поверхно­сти и в глубинных слоях при наплавке крупногабаритных изделий (В. И. Мах­ненко и др.), разработаны методы регу­лирования зазора при электрошлаковой сварке встык крупногабаритных пла­стин (В. А. Винокуров), предложены способы предупреждения п устранения сварочных деформаций в тонкостенных оболочках (И. М. Жданов, А. Я. Недосека, В. М. Сагалевич), разработаны способы повышения стабильности раз­меров сварных соединений (В. М. Са­галевич и др.). Начали применяться при конструктивно-технологическом проек­тировании сварных конструкций мето­ды современной теории точности произ­водства (А. И. Лебедев и др.), широко используются в судостроении для рас­чета сварочных деформаций номограм­мы и эмпирические соотношения (С. А. Кузьминой), выполнено обобщение по термической правке сварных конструк­ций (В. С. Михайлов), разработаны ме­тоды расчета температурных полей, де­формаций и напряжений при сварке разнородных металлов (С. Н. Кисе­лев) и т. д.

Краткий анализ развития теории сва­рочных деформации и напряжении на­глядно демонстрирует ведущую роль отечественных ученых в изучении во­просов, связанных с исследованием вре­менных и остаточных деформаций и напряжений и методов их устранения. В настоящее время в силу сложности явлений, сопровождающих процессы упруго-пластического деформирования при сварке, не существует единого ме­тода определения сварочных напряже­ний и деформаций.

В зависимости от используемых средств исследования существующие методы определения сварочных дефор­маций и напряжений можно предста­вить следующей классификацией:

1)   графоаналитические методы,

2)   аналитические методы с использо­ванием математического аппарата тео­рии упругости н пластичности,

3)   численные методы с использова­нием математического аппарата теории упругости и пластичности,

4)   расчетно-экспериментальные ме­тоды,

5)   экспериментальные методы.

1. Графоаналитические методы

Наиболее ранние расчетные работы по сварочным деформациям и напряже­ниям основывались на предположениях одномерности поля напряжении и ги­потезе плоских сечений.

Основные положения правил расчета напряжений и деформаций, выполняе­мых графоаналитическим методом при наплавке валика на кромку полосы и при стыковой сварке пластин, были разработаны в трудах Г. А. Николаева [55].

При решении задачи рассматривают­ся два поперечных сечения пластины: одно, где зона разогрева до 600° С име­ет максимальную ширину, и второе — после полного остывания. В первом се­чении определяются напряжения и пла­стические деформации укорочения из условия равновесия внутренних сил.

При этом принимается диаграмма иде­ального упруго-пластического тела, мо­дуль упругости считается не зависящим от температуры, а предел текучести из­меняется в зависимости от температуры по схематизированной диаграмме. Оста­точные пластические деформации уко­рочения при полном охлаждении при­водят к возникновению остаточных рас­тягивающих напряжении в шве п зоне термического влияния. При решении задачи учитывается наличие зон пла­стических, упруго-пластических и упру­гих деформации.

В работах Н. О. Окерблома [63] гра­фоаналитический метод определения ‘продольных напряжений и деформаций при сварке получил дальнейшее разви­тие. Предложено рассматривать весь процесс изменения временных напря­жений и деформаций при укладке шва путем их вычисления во многих сече­ниях, расположенных друг за другом. Этот прием позволяет более подробно рассмотреть пластические деформации в металле как в период нагрева, так и при остывании пластины. Результаты решения задач таким методом для слу­чаев наплавки валика па край полосы п сварки встык за один проход удовлет­ворительно совпадают с эксперимен­тальными данными для низкоуглеродистых сталей. Указанный графоаналити­ческий метод Н. О. Окерблома имел большое значение, так как позволял впервые проследить кинетику напря­женно-деформированного состояния в условиях сварочных термических циклов.

Впоследствии графоаналитические ме­тоды определения продольных напряже­нии и деформаций получили дальней­шее развитие и применение в целом ряде отечественных и зарубежных ра­бот. В работе [14] па основе проведен­ного исследования предложена про­стая расчетная схема, основанная па замене внутренних усилий внешними силами, действие которых по вызы­ваемым деформациям эквивалентно дей­ствию сварки.

В работе [77] предложено рассмат­ривать зону упруго-пластических де­формаций раздельно; выделяется зона, и которой температура нагрева превы­шала 600° С, и зона, ширина которой определяется опытно установленной за­висимостью от погонной энергии. Гра­фоаналитические методы использова­лись в работах И. П. Байковой [2],

С.  А. Кузьминова [38], А. И. Лебедева ; [41] для установления влияния свойств материалов, режимов сварки, последовательности выполнения швов и других факторов на общие сварочные дефор­мации.

Для получения уточненных значений остаточных напряжений при сварке алюминиевых сплавов А. А. Казимиров и А. Я. Недосека [27] применили гра­фоаналитический метод с учетом зави­симости условного предела текучести от температуры, отказавшись от гипо­тезы плоских сечений. Предложено кри­вую действительных продольных дефор­маций поперечного сечения пластины заменить двумя отрезками прямых. Остаточные продольные напряжения, полученные этим расчетом, более соот­ветствуют опытным значениям, чем по­лученные с использованием гипотезы плоских сечений.

Дальнейшее усовершенствование гра­фоаналитического метода представлено в работах К. М. Гатовского [15]. В них было предложено при расчетах времен­ных продольных напряжений исполь­зовать зависимости напряжений от де­формаций растяжения и сжатия метал­ла при высоких температурах без их схематизации, т. е. с учетом упрочнения металла и структурных превращений. Такой подход позволил получить более точные значения упруго-пластических деформаций и напряжений в процессе сварки, так как учитывалось изменения свойств металла при нагреве и остывании.

В зарубежных исследованиях широко используется методика расчета продоль­ных напряжении в длинной пластине ограниченной ширины, представленная

в трудах [86 и др.]. Данная методика основана на последовательном просле­живании процесса упруго-пластическо­го деформирования на стадиях нагрева и охлаждения. Но существу этот ана­лиз проводится с использованием ос­новных гипотез графоаналитических методов и принципиально не отличается от метода Н. О. Окерблома.

Изложенные методы графоаналити­ческого расчета, основанные на опреде­ленном упрощении довольно сложных термомеханических процессов при свар­ке, позволили приближенно решить це­лый ряд задач по определению про­дольного укорочения и прогиба свар­ных конструкций, вызываемых про­дольной усадкой зоны сварного соеди­нения. Этот метод был неоднократно использован для выяснения роли раз­личных технологических приемов, та­ких, как закрепление при сварке, пред­варительный подогрев пластин перед сваркой, охлаждение и теплоотдача, па­раметры режима сварки и другие. Ха­рактерным является то, что определе­ние временных напряжений и дефор­маций не являлось главной целью — они были нужны для правильного определе­ния остаточных напряжений и переме­щений после сварки. Сходимость расче­тов с экспериментом проверялась, как правило, на образцах или сварных кон­струкциях из низкоуглеродистой стали. Во всех случаях применимость графо­аналитических методов строго ограни­чивалась классом одномерных задач.

Аналитические методы с использованием математического аппарата теории упругости и пластичности

Математический аппарат теории упру­гости для случаев неравномерного рас­пределения температур в теле уже дав­но используется при решении задач по определению напряжений. Примени­тельно к сварочному процессу аппарат

температурной задачи теории упруго­сти был использован в работах Н. С. Лейкина [40], К. П. Большакова [4], В. С. Игнатьевой [25], Б. С. Касаткина и Л. М. Лобанова [32] для решения задачи о распределении напряжений при осесимметричном нагреве.

Подобная задача применима к точеч­ным, электрозаклепочным сварным со­единениям с относительно простым рас­пределением температур и отличается от более сложных сварочных процессов, связанных с перемещением источника тепла.

В отличие от статических задач для стационарного температурного поля упругое решение для подвижного тем­пературного поля получить в общем виде весьма затруднительно вследствие сложных очертаний зон нагрева. В ра­боте [4] рассмотрен случай движуще­гося поля напряжений в тонкой беско­нечной пластине. Форма изотерм при­нята в виде овала. Используя конформ­ное отображение изотермы на внешнюю сторону окружности единичного радиу­са и применяя аппарат температурной плоской задачи, автор определяет вре­менные напряжения.

Довольно сложная упругая задача теоретического определения напряже­ний и деформаций, возникающих при перемещении в бесконечной пласти­не квазистационарного температурного поля без учета теплоотдачи с поверхно­стей, была впервые поставлена Melan Е. Принималась схема плоского напряжен­ного состояния в пластине от линейно­го источника тепла. Однако, как пока­зали дальнейшие исследования В. А. Винокурова [7], для рассматриваемого случая решение Melan Е. оказалось оши­бочным. В работе [7] представлены в явном виде результаты решения задачи об упругом поле напряжений в беско­нечной пластине при нагреве ее движущимся линейным источником тепла без теплоотдачи. Компоненты напряже­ний упругого поля Q_x, Q_v, Tху (случай плоского напряженного состояния) яв­ляются функцией свойств материала и режима нагрева. Полученные результа­ты упругого решения дают важные пред­ставления о качественной картине рас­пределения напряжений.

Анализ временных напряжений для различных случаев сварочного нагрева на основе упругого представления процессов деформирования широко пред­ставлен в работах В. С. Игнатьевой. Используя методы решения температур­ной задачи теории упругости, она рас­смотрела задачу о временных напряжениях при нагреве полосы плоским мгно­венным источником [24], при действии (мгновенного кругового источника в бес­конечной пластине [25], что может ха­рактеризовать случай сварки кругового рва в сплошном диске при мгновенной (укладке шва. Аппарат температурной задачи использован В. С. Игнатьевой ;для упругого определения напряжений, возникающих в результате фазовых [превращений при однопроходной свар­ке встык пластин.

| Упругое решение, естественно, не оп­ределяет точных количественных соот­ношений компонентов напряжений для различных случаев сварки, но может давать верные представления о кинети­ке образования временных напряжений и деформаций. Важным является то обстоятельство, что результаты решения температурной задачи теории упруго­сти в компонентах деформаций и в со­ответствующих им компонентах пере­мещении являются и первым прибли­жением точного решения задачи и могут быть успешно использованы для прак­тических целей. Кроме того, упругое решение является исходным дли даль­нейшего уточненного упруго-пластического решения сварочной задачи. Бо­лее точные количественные соотноше­ния при решении сварочных задач мо­гут быть получены лишь при помощи аппарата теории пластичности в усло­виях переменных температур.

Первые опыты использования поло­жений теорий пластичности при реше­нии сварочных задач связаны с боль­шими упрощениями, схематизирующи­ми процессы упруго-пластического де­формирования при сварке.

Весьма идеализированное представле­ние теории пластичности использовалось Н. С. Лейкиным [40] при определении напряжений, возникающих от осесим­метричного температурного поля в пла­стине.

Более строгое использование аппара­та теории пластичности осуществлено в работе О. А. Бакши [3] для случая осесимметричного нагрева неподвиж­ным источником тепла. В расчет вво­дится диаграмма идеального упруго­пластического материала со схематизи­рованным законом изменения предела текучести о* и модуля упругости Е от температуры.

Широко использован математический аппарат теории пластичности в методе, предложенном Г. Б. Талыповым [76].

В основе расчетов для различных слу­чаев сварочного нагрева заложено идеа­лизированное представление при вы­числении пластических деформаций. Преимущество теории Г. Б. Талыпова заключается в том, что она не связана с гипотезой плоских сечений и может быть применена как к одномерным, так и двумерным задачам. Однако эта тео­рия не позволяет исследовать времен­ные деформации и напряжения при сварке и не учитывает влияния неодно- временности укладки шва по длине.

В исследованиях В. С. Игнатьевой [24, 25] предложено при определении действительных значений компонентов временных напряжений использовать в качестве исходных результаты упруго­го решения, а учет пластических дефор­маций проводить методом упругих ре­шений.

В данном методе не используется ги­потеза плоских сечений; метод приме­ним для решения одноосных и много­осных задач. Однако допущение об од­новременности укладки шва по всей длине, принятое автором, схематизиру­ет сложную картину упруго-пластиче­ского деформирования при перемеще­нии источников тепла в процессе сварки и не всегда позволяет получать точ­ные количественные зависимости.

Таким образом, возможности анали­тического исследования сварочных нап­ряжений и деформаций с использова­нием аппарата теории пластичности ограничиваются моделями, идеализи­рующими развитие упруго-пластиче­ских деформаций в процессе сварки.

Температурные напряжения в упругом решении при заданном распределении температур можно определить аналити­чески лишь в простейших случаях. Для произвольного распределения тем­ператур по какому-либо закону, задан­ному аналитически или численно, целе­сообразнее использовать методы расчета температурных напряжений, основан­ные на численной реализации с помощью электронных вычислительных машин (ЭВМ).

Первые опыты применения ЭВМ связаны с облегчением и усовершенст­вованием расчетов сварочных деформа­ций и напряжений графоаналитическим методом. В работе [69] использован численный метод расчетов продольных деформаций и напряжений при на­плавке валика на кромку пластины. За­дача решалась по методу Н. О. Окерб­лома [63]. В дальнейшем проводилось уточнение расчетной схемы деформиро­вания в отношении свойств сваривае­мого материала. Учитывалось измене­ние модуля упругости и сопротивления упруго-пластическому деформированию при изменении температуры в процес­се сварки.

Рассмотренный метод определения одноосных деформаций и напряжений был многократно использован для изу­чения процесса деформации металла в области высоких температур при свар­ке. Эти расчеты использовались в свя­зи с образованием горячих и холодных трещин при сварке для разработки но­

вых образцов и способов испытания металлов на технологическую проч­ность, для выяснения роли подогрева, размеров и формы образца, жесткости, теплофизических свойств, фазовых пре­вращений и других факторов.

В работе В. И. Махнеико и Е. А. Великоиваненко [5] на основе графо­аналитического метода показана возмож­ность применения ЭВМ для изучения кинетики деформированного и напря­женного состояния при сварке узких пластин. Исследовалось влияние изме­нения величин коэффициента линейно­го расширения и предела текучести в зависимости от температуры на харак­тер деформирования при сварке.

Подобные работы проводились и за рубежом; например, в Массачусетском технологическом институте разработана программа для вычислительной маши­ны, основанная на работе [86], для расчета продольных напряжений в бес­конечно длинной пластине ограничен­ной ширины. Этим методом проведен расчет одноосных деформаций и напря­жений для случая стыковой сварки алюминия с учетом изменения предела текучести от температуры.

Использование ЭВМ предоставило возможность получить решение плоской задачи с учетом изменения физико-ме­ханических свойств материалов в про­цессе сварки. Для определения компо­нентов напряжении и деформаций, воз­никающих в процессе сварки пластин, В. А. Винокуровым н А. Г. Григорьян­цем [10] предложен теоретический способ, разработанный с учетом исто­рии деформирования материала при перемещении упруго-пластического по­ля. В этом способе используется теория малых упруго-пластических деформа­ций и метод упругих решений с допол­нительными объемными сила мп. Исто­рия сложного нагружения учитывается па основе теории малых упруго-пласти­ческих деформаций с использованием дополнительных условий разгрузка В разработанном способе учитывается за­висимость механических свойств материала от температуры, в расчетах используются определяемые экспериментально деформационные характерными материала при различных температурах. Этот метод расчета использован для определения времееных и остаточных напряжений и деформация при сварке низкоуглеродистых сталей, технического титана и алюминиевого сплава AMr6.

Можно также отметить данные, по­лученные по исследованию напряжений в зоне кольцевых швов труб из различ­ных металлов в зависимости от геомет­рических параметров соединения и ре­жимов сварки [44], а также в зави­симости от приложенной после сварки эксплуатационной нагрузки [46]. Здесь значительный интерес представляет су­щественное перераспределение остаточ­ных напряжений в зоне кольцевых стыков трубопроводов в результате применения соответствующей опрессов­ки участков трубопроводов либо мест­ной обработки сварных швов взрывом. Расчетные методы, разработанные в Институте электросварки им. Е. О. Патона, позволяют оценить степень эффек­тивности выбранных параметров опрес­совки или обработки взрывом, что значительно сокращает объем экспери­ментальных работ.

В работах С. Н. Киселева [36, 37] разработан расчетно-аналитический ме­тод определения папряженно-деформированного состояния при сварке оболо­чек из разнородных металлов. В основе метода заложен принцип дополнитель­ных сил теории малых упруго-пласти­ческих деформаций. С использованием разработанного метода проведено ис­следование особенностей образования

напряжений и деформаций при сварке и при дальнейшем эксплуатационном нагружении оболочек из разнород­ных металлов. Разработанные расчет­ные методы позволили определить спо­собы уменьшения эксплуатационных и остаточных напряжений в сварных разнородных оболочках.

За рубежом в последние годы выпол­нен ряд расчетных работ по вопросам исследования сварочных деформаций и напряжений па основе численного пред­ставления п использования метода ко­нечных элементов [82].

Опыт применения численных методов в сочетании с современными вычисли­тельными средствами и оказывает перс­пективность использования их в рас­четах сварочных деформации и напря­жений на основе широкого применения математического аппарата теории пла­стичности.

Расчетно-экспериментальные методы

Расчетное определение сварочных де­формаций и напряжений различными методами связано с той или иной схе­матизацией процесса. Для получения достоверных данных применительно к реальным сварным соединениям с уче­том многообразия форм и размеров, конструктивных п технологических осо­бенностей широко используются раз­личные расчетные методы, основанные на предварительных экспериментально установленных закономерностях.

Особенно распространен такой под­ход при определении остаточных дефор­маций п напряжений. Для случая сварки встык пластин однопроходным швом продольные деформации и нап­ряжения часто рассчитывают в предпо­ложении одноосного напряженного со­стояния. Предварительно на основе экспериментальных исследований уста­навливаются эмпирические зависимо­сти для продольных деформаций и напряжений. Далее данные зави­симости используются при расчетном

определении остальных видов дефор­маций.

В настоящее время с этой целью ши­роко применяется приближенный ин­женерный метод расчета, известный в литературе как метод фиктивных сил [55, 7]. Использование метода фиктив­ных сил позволяет свести определение деформаций сварных конструкций к ре­шению простых задач об изгибе элемен­тов, их укорочении и других видах деформации.

Действие зоны с продольными остаточными пластическими деформациями укорочения на конструкцию представ­ляется эквивалентным воздействию не­которой фиктивной силы, называемой усадочной. Продольная усадочная сила (определяется суммой остаточных пла­стических деформаций, образующихся в результате сварки. Для низко-углеродистых и низколегированных сталей Н. 0. Окербломом [63] была предло­жена зависимость между остаточными пластическими деформациями, пропор­циональными фиктивной усадочной р силе, и параметрами режима свар­ки. Аналогичная зависимость принята : С. Л. Кузьмиповым. Коэффициент про­порциональности в этих зависимостях принимался не зависящим от измене­ния погонной энергии сварки и жест­кости свариваемых элементов конст­рукции.

В исследованиях, проведенных в МВТУ им. И. Э. Баумана [И], уста­новлены зависимости усадочной силы от режимов сварки и жесткости свари­ваемых элементов из низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Эти зависимости справедливы для однопроходных и многопроходных швов при сварке пластин встык и для основных видов сварных соединений балочных конструкций с тавровыми, угловыми и нахлесточными соединениями при свар­ке в углекислом газе, под флюсом и ручной дуговой сварке.

Для определения поперечного укоро­чения стыковых сварных соединений также широко используются эмпири­ческие зависимости, полученные на основе анализа экспериментальных ре­зультатов. Г. А. Николаев [55] опреде­ляет поперечное укорочение как вели­чину, прямо пропорциональную толщи­не листа. Коэффициент пропорциональ­ности выбирается в зависимости от теплофизических свойств материала. Н. О. Окербломом [63] предложена формула для определения поперечного укорочения в зависимости от ширины пластин, ширины шва и коэффициента наплавки. В работах В. А. Винокурова [7] показано, что поперечная усадка является результатом поперечных пере­мещений кромок свариваемых пластин при неравномерном нагреве их движу­щимся источником тепла и пласти­ческих деформаций укорочения. Вели­чина поперечной усадки определяется в виде произведения максимальной тео- ретически возможной усадки на эмпи­рические коэффициенты, назначаемые в зависимости от способа сварки. По­добные зависимости для расчета попе­речной усадки при однопроходной сварке тонколистовых материалов по­лучены Б. Б. Золотаревым [23] на осно­ве теории размерностей. Таким обра­зом, для случаев полного проплавления однопроходным швом свободных пла­стин различными исследователями по­лучены примерно одинаковые зависи­мости величины от параметров режима сварки.

Определение поперечной усадки в случаях, когда свариваемый элемент проварен не на полную глубину или находится в составе конструкции, зна­чительно усложняется. На основе ис­следований, выполненных в МВТУ им. Н. Э. Баумана [11], установлены достоверные количественные соотноше­ния для определения поперечной усад­ки в перечисленных случаях сварки с учетом глубины проплавления свари­ваемого элемента, наличия поперечных по отношению к шву элементов жест­кости, предварительного напряженно­го состояния, жесткости изделия и дру­гих факторов. Полученные зависимости пригодны для случаев однослойной и многослойной сварки встык или на­плавки пластин, однослойной или много­слойной сварки поперечных швов на полках балок из низкоуглеродистой и низколегированной сталей.

Особенности формирования попереч­ных остаточных напряжений при мно­гослойной сварке встык рассмотрены в работе [7]. Принятая расчетная схема учитывает неодновременность укладки шва по высоте.

В работе Я. С. Подстригача [70] предложен аналитический расчет оста­точных сварочных напряжений в ци­линдрических оболочках для предвари­тельно заданного характера распреде­ления остаточных деформаций. Причем функции, характеризующие распределе­ние остаточных деформаций, реко­мендуется определять из экспериментов на модели и использовать их для рас­чета напряжений в оболочках с други­ми геометрическими параметрами.

Для случая наплавки точки на по­верхность пластины бесконечных раз­меров А. Я. Недосека [50] предложил формулы, позволяющие рассчитывать остаточные напряжения с учетом объ­емного напряженного состояния. В ка­честве исходных данных в расчет вво­дятся функции распределения остаточ­ных пластических деформаций по толщине и в тангенциальном направле­нии, которые следует определить из эксперимента. Исследования Fujimoto Tsugio [80] по расчетному определению остаточных напряжений и деформаций также основаны на заданных остаточ­ных пластических деформациях.

Экспериментально-расчетное опре­деление временных напряжений и де­формаций представлено в работе А. А. Казимирова и др. [29]. Прово­дится тензометрирование всего попе­речного сечения пластины при укладке валика на середину пластины и опреде­ляются продольные деформации в про­цессе наплавки, распределение которых в поперечном сечении для различных моментов времени аппроксимируется

функцией в виде сходящихся рядов. Решение уравнений равновесия совме­стно с квазистационарным температур­ным полем осуществляется на ЭВМ. В этой методике использованы основ­ные допущения графоаналитического метода за исключением гипотезы пло­ских сечений, замененной в расчетах экспериментально замеренными про­дольными деформациями.

Для определения упруго-пластической деформации в процессе сварки ис­пользуют так называемый дифференци­альный метод, разработанный Н. И. Про­хоровым [68]. В этом методе преду­сматривается наряду с изменением полной деформации в процессе сварки определение термического цикла метал­ла на базе измерения. Далее воспроиз­ведением термического цикла на об­разце из исследуемого металла сни­мается динамограмма, по которой определяется свободная температурная деформация. Разность между полной деформацией и свободной температур­ной деформацией является упруго-плас­тической деформацией, вызванной нап­ряжениями. Дифференциальный метод был разработан и использован только для случая одноосного напряженного состояния при анализе деформаций.

В дальнейшем в работе А. Г. Григорь­янца и А. В. Евстифеева [17] этот метод был дополнен рядом новых поло­жении, необходимых для определения одноосных временных и остаточных на­пряжений с использованием экспери­ментальных деформационных характе­ристик материала при температурах сварочного нагрева.

Для определения компонентов вре­менных деформаций и напряжений при сварке в более сложных случаях плоско­го напряженного состояния в МВТУ им. Н. Э. Баумана разработан эксперимен­тально-расчетный метод [79]. В основе данного метода предусматривается экс­периментальное определение компонен­тов упруго-пластических деформаций и последующее вычисление компонентов напряжений с привлечением расчетного аппарата теории неизотермического пластического течения. Для уточненно­го определении компонентов напряже­ний в расчетах используются комплекс­ные характеристики сопротивления ма­териалом деформированию, получае­мые на специальных установках [12] при воспроизведении сварочных термо­деформационных циклов и отражающие совокупное воздействие на свойства ма­териалов основных физических явлений, происходящих при сварке. Принци­пиально возможно использование данного метода и для общего случая объемного напряженного состояния.

Экспериментальные методы температурных напряже­ний.

Экспериментальные исследования сварочных деформаций и напряжений проводятся на образцах, свариваемом объекте или на его модели. Используя различные приемы моделирования, мож­но добиться воспроизведения процессов образования сварочных деформации и напряжений на лабораторных образцах небольших размеров вместо реальных сварных конструкции. Правила мас­штабного моделирования, основанные на подобии модели и натуры, разрабо­таны в [7]. Предусматривается изготов­ление модели из того же материала, что и исследуемый объект. Для оценки временных сварочных напряжений используют методы опти­ческого моделирования [33].

В телах цилиндрической формы ос­таточные осесимметричные напряжения определяются методом Закса по измене­нию размеров диаметра тела в резуль­тате его расточки. Этот метод может быть использован при определении ос­таточных напряжений в наплавленных цилиндрических изделиях. Приближен­ное определение остаточных трехосных напряжений в продольных и попереч­ных сечениях швов можно осущест­влять методом Гуннерта [81], основан­ным на поверхностных измерениях де­формаций. Для определения средних трехосных напряжений в толстостен­ных сварных соединениях с прямоли­нейными стыковыми швами, выполнен­ными многослойной дуговой или элек- трошлаковой сваркой, используется метод, разработанный в МВТУ им. Н. Э. Баумана [ 7 ].

Физические методы в отличие от ме­ханических не связаны с обязательным разрушением металла для определения остаточных напряжений.

Однако сварка металлов сопровожда­ется не только упругими, но и пласти­ческими деформациями, а также и фи­зико-химическими процессами в шве и зоне термического влияния, вызываю­щими неоднородность свойств металла, что ограничивает возможности исполь­зования физических методов. Магннтоупругий метод определения остаточных напряжений, основанный на зависимо­сти магнитных свойств материалов от напряженного состояния, можно исполь­зовать лишь для металлов, обладающих магнитными свойствами. Ультразвуко­вой метод определения сварочных оста­точных напряжений основан на зависи­мости скорости распространения ультра­звука в металлах от напряженного со­стояния в них. Положительньшн свой­ствами данного метода, как и магнито- упругого, следует считать мобильность

проведения экспериментов, не требую­щих больших подготовительных работ. Рентгеновскими методами остаточные напряжения определяются только в тонком поверхиостиом слое. Метод оп­ределения остаточных напряжении на основе регистрации твердости исполь­зуется при исследовании поверхностных напряжений. Одиако практическая реа­лизация этого метода применительно к сварным соединениям требует дальней­ших разработок, в особенности приме­нительно’ к участкам металла, претер­певшим высокотемпературную пласти­ческую деформацию в процессе сварки.

Особенностью определения деформа­ций в процессе сварки является необ­ходимость проведения измерений в высокотемпературных областях. В свя­зи с этим приборы и установки для из­мерения временных деформаций долж­ны быть нечувствительными к повыше­нию температуры и к электромагнитным полям сварочной дуги, так как измере­ния проводятся непосредственно в про­цессе сварки. Для экспериментального изучения временных сварочных дефор­маций различными исследователями в СССР и за рубежом были разработаны и использованы разнообразные приборы и установки. Наибольшее распростране­ние нашли механические деформометры с разнообразными^ кинематическими схемами и датчиками регистрации [7, 21]. Измерение высокотемператур­ных деформаций с помощью проволоч­ной тензометрии не достаточно точно, так как эти датчики являются чув­ствительными к повышению температу­ры и к электромагнитным полям. В ра­боте [34] представлена конструкция пневматического тензометра для замера деформаций при высоких температурах. При исследовании высокотемператур­ных деформаций применяется методика бесконтактного измерения, основанная на фотосъемке отметок, предварительно нанесенных на шов и зону термическо­го влияния.

Перечисленные методы определения деформаций в процессе сварки регистрируют так называемую наблюдае­мую деформацию, вызванную суммар­ным действием температурной деформа­ции и внутренних сил.

Предотвращение и устранение сварочных деформаций и напряжений

Непрерывному расширению областей и увеличению объемов применения сварки в промышленности и строитель­стве сопутствовала разработка способов, методов и приемов борьбы как непос­редственно со сварочными деформация­ми, так и с их вредными влияниями на качество и работоспособность сварных конструкций. В решении этих задач ‘большая роль принадлежит отечествен­ным ученым и практикам-технологам, их талант и творческая интуиция во многом, и в частности, в изыскании спо­собов борьбы со сварочными деформа­циями, сыграли большую роль в уско­ренном внедрении в практику сварных конструкций вместо клепаных. В этих же работах немалую роль сыграли пер­вые проектировщики сварных конст­рукций и первые их исследователи. Нередко производственный опыт и эк­спериментальные исследования в облас­ти сварочных деформаций и напряжений опережали развитие теоретических ис­следований. Однако на определенном уровне своего развития теория обога­щала практику изготовления сварных конструкций новыми способами борьбы со сварочными деформациями и, кроме того, способствовала интенсификации- применения в производстве рекоменда­ций, установленных производственным и экспериментальным путями.

Современной практике создания сварных конструкций известны многие способы борьбы с деформациями и напряжениями, вызываемыми в них сварочным нагревом. Известны также многие способы и приемы уменьшения вредного влияния этих деформаций и напряжений на работоспособность и качество сварных конструкций. Их

можно разделить на способы, предот­вращающие развитие особо нежела­тельных видов деформаций и напряже­ний, и способы, устраняющие их. Способы первой группы характерны своей применимостью на всех этапах создания сварных конструкций: при проектировании, заводском изготовле­нии и в условиях производства монтаж­ных сборочно-сварочных работ. Спосо­бы второй группы могут быть исполь­зованы только на этапах изготовления и монтажа конструкции и непосредст­венно после выполнения сварочных операций. Ниже приведены основные способы первой и второй групп, широ­ко используемые при изготовлении сварных конструкций.

Способы предотвращения сварочных деформаций. Рациональное проектиро­вание было и остается для настоящего времени этапом создания конструкции, на котором проектировщики-конструк­торы и технологи располагают наиболь­шими возможностями для предотвраще­ния в конструкции создаваемого изде­лия нежелательных видов деформаций и резко выраженных полей остаточных сварочных напряжений. Важность это­го этапа осознана проектировщиками и изготовителями сварных конструк­ций с первых шагов применения сварки в качестве самостоятельного техноло­гического процесса. Понимание роли я места процесса сварки в производстве нашло свое выражение в давно сложив­шихся принципах проектирования я изготовления сварных конструкций. К этим принципам в первую очередь следует отнести требования о миниму­ме в конструкции количества деталей, протяженности сварных швов и объема наплавленного металла. Эти требова­ния сложились в начале 30-х годов. Однако они сохраняют свое значение и в настоящее время, так как выража­ют не только общие условия, которым должна отвечать рациональная сварная конструкция, но также и частные усло­вия, заключающиеся в минимуме сва­рочных деформаций [61, 62].

Весьма эффективным методом пред­отвращения сварочных деформаций является симметричное расположение сварных швов в создаваемой конструк­ции. Симметричное расположение свар­ных швов позволяет в производствен­ных условиях применять оптимальную последовательность их выполнения, обеспечивающую требуемую точность базовых плоскостей конструкции. Та­кой подход к проектированию конструк­ций сложился в начале 30-х годов, он продиктован только стремлением полу­чения заданных форм, без использова­ния сложных и трудоемких операций правки. Широкое практическое приме­нение данных принципов нетрудно об­наружить в практике проектирования современных сварных конструкций су­довых корпусов, строительных конст­рукций, резервуаров, станин тяжелых прессов, кузовов вагонов и других ви­дов оборудования.

Действенным способом борьбы с воз­можными искажениями формы свар­ных конструкций является оптимиза­ция последовательности выполнения сварных швов и очередности производ­ства сборочных и сварочных работ. В первую очередь должны выполнять­ся швы, дающие наибольшую линей­ную деформацию (поперечное и про­дольное укорочение). При этом после­довательность сборочных работ должна быть таковой, чтобы линейные дефор­мации протекали наиболее свободно. При изготовлении стержневых и балоч­ных конструкций принимается после­довательность сварки швов, располо­женных по разные стороны относи­тельно нейтральных плоскостей кон­струкции. Этим достигается взаимное гашение деформаций изгиба, вызывае­мых швами, расположенными по раз­ные стороны от нейтральной плоскости.

Отмеченные принципы оптимизации последовательности выполнения швов н чередования сборочных и сварочных процессов лежат в основе типовых технологических процессов изготовле­на всех видов сложных элементов

сварных конструкций. В этом легко убе­диться, рассматривая руководящие технические материалы на изготовле­ние металлоконструкций пролетных строении мостов, корпусов судов, кузо­вов вагонов, котельных агрегатов и сосудов, станин тяжелых машин и прес­сов, резервуаров и многих других ви­дов сварных конструкций. Этими же принципами руководствуются и при изготовлении отдельных частей круп­ногабаритных конструкций (секций, узлов, панелей и блоков). Так, напри­мер, при изготовлении секций корпуса судна, состоящих обычно из обшивки и взаимно пересекающихся перекрест­ных ребер жесткости, оптимальной яв­ляется следующая последовательность сборки и сварки. Вначале производится сборка листов обшивки и до установки подкрепляющих ребер (стрингеров и шпангоутов) производится сварка по­перечных и продольных стыковых сое­динений. Благодаря такой последова­тельности линейные деформации от­дельных поясов полотнища протекают свободно и какие-либо реактивные на­пряжения в листах не возникают. Иду­щая после этого сварка продольных швов сопровождается обычными линей­ными деформациями, ничем не отлича­ющимися от деформаций для более ко­ротких листов. После сварки полотни­ща на нем устанавливают продольные ребра жесткости. Обычно они имеют небольшую высоту и проходят непре­рывно по всей длине секции. Затем устанавливают продольные и попереч­ные балки (стрингеры и шпангоуты). Выполнив полностью сборку решетки, подкрепляющей обшивку, сваривают соединения между элементами решет­ки. Этим достигается возможность сво­бодного ее деформирования без участия в этом процессе обшивки. В последнюю очередь выполняют швы, соединяющие решетку с обшивкой. На этом этапе, естественно, большая изгибная жест­кость ребер решетки противодействует развитию нежелательных видов дефор­мирования секции.

В комплексе мероприятий, предотвра­щающих деформирование конструкции, большая роль принадлежит оптимиза­ции членения сложной сварной конст­рукции на отдельно изготовляемые элементы, узлы, секции и блоки. Наи­большие успехи достигаются в этом направлении при совместной работе конструкторов и технологов. Рацио­нальное членение конструкции обеспе­чивает возможность изготовления от­дельных элементов с необходимой точ­ностью без последующих операций правки элементов. Одновременно с этим предусматривается возможность укруп­нения элементов в отдельные узлы, секции и блоки. При этом также созда­ются технические возможности для выполнения сварочных работ с приме­нением мер для предотвращения дефор­мации. Наряду с отмеченным оптими­зация членения конструкции учитыва­ет необходимость применения наиболее прогрессивных способов производства сборочных и сварочных работ. Совре­менные руководящие технические ма­териалы на производство конкретных видов сварных конструкций содержат многие эффективные указания по чле­нению конструкции па элементы и узлы. Они обеспечивают, как показыва­ет практика, возможность получения конструкций требуемой точности при применении современных индустриаль­ных способов производства сборочных и сварочных работ.

На начальном этапе внедрения свар­ки в производство металлоконструкции выбор типа сварных соединений и раз­меров сварных швов, а также способов выполнения последних имел исключи­тельное значение для уменьшения сва­рочных деформаций. В настоящее время конструктивные элементы сварных со­единений стандартизированы с учетом всех специфических особенностей ос­новных способов сварки. Кроме того, * отраслевых технических руководствах содержатся достаточно конкретные ре­комендации. В связи с этим оптимиза­ция способа сварки н конструктивных

элементов сварных соединении не вы­зывает в настоящее время затруднений.

Большие возможности предотвращения сварочных деформаций заключены в рациональном конструировании сварных соединений. В тонкостенных лис­товых конструкциях действенным ме­роприятием, предупреждающим появ­ление на поверхности листов местных  выпучин, может быть замена стыковых  соединений соединениями с отбортовкой кромок. С этой же целью гладкой поверхности листов придают гофрированную форму обработкой на прессах, зиговочных машинах и прокатных станах. В ряде случаев эффект достигает­ся поперечным гофрированием свари­ваемых кромок [26].

Закрепление изделий в приспособле­ниях. Действенным способом борьбы с местными деформациями конструкций листового и ребристого видов является прижатие их на время сварки к сборочно-сварочным плитам или постелям и закрепление их по периметру. При­жатие используемых конструкций, осуществляемое грузами, электромагнитными и механическими устройствами, устраняет начальную погибь эле­ментов конструкции и предотвращает деформирование из плоскости сборочной плиты. Непосредственное прижатие листов к сборочной постели снижает . местное выпучивание их между ребра­ми. Образованию местной волнистости листов по периметру конструкции противодействуют соответствующие механические зажимные устройства.

Закрепление конструкции в приспо­соблениях широко используется для создания деформаций, обратных сва­рочным. Этот метод находит широкое распространение при         производстве крупногабаритных сварных конструкций, когда устранение деформаций пос­ле сварки затруднено.

Создание деформаций, обратных сва­рочным. Широкое практическое приме­нение при изготовлении стержневых я балочных элементов конструкций»

крупногабаритных сферических резервуаров, коробчатых конструкций боль­шой протяженности нашли способы, основанные на придании свариваемой конструкции или ее отдельным узлам обратного упругого или пластического выгиба. Пользуется признанием у про­изводственников также бездеформационный способ придания конструкции обратного выгиба за счет перекоса де­талей и элементов конструкции при их сборке. Данный способ особенно эффек­тивен при изготовлении балок большой жесткости и коробчатых конструкций, для которых способы упругого и плас­тического выгиба неприменимы. Соз­дание предварительной пластической деформации оказывается эффективным мероприятием для сварных соединений с круговыми швами, пластин и сфери­ческих оболочек. Пластическая дефор­мация перед сваркой создается выштамповкой зоны кругового отверстия [22, 74]. Для правильного использова­ния представленных способов досварочного деформирования необходимо точ­ное определение ожидаемых сварочных деформаций.

Механическое воздействие вызывает пластические деформации в зоне шва, которые приводят к уменьшению оста­точных сварочных деформации. Во многих практических случаях изготов­ления двутавровых балок, плоскостных листовых конструкций, цилиндричес­ких тонкостенных оболочек оказывает­ся эффективным способ предваритель­ного растяжения свариваемых элемен­тов [28]. Растяжение создается в направлении продольной оси стыковых и тавровых соединений, причем таким образом, чтобы оно сохранилось при Действии сварочного нагрева. Началь­ные растягивающие напряжения Уменьшают как ширину зоны, так и величины пластических деформаций Укорочения, что приводит в целом к Уменьшению остаточных сварочных де­формаций. Среди других распростра­ненных способов механического воздей­ствия следует отметить прокатку и проковку остывшего шва и зоны терми­

ческого влияния непосредственно в сварочном приспособлении, вибрацион­ную и ультразвуковую обработку в процессе кристаллизации. Заслужива­ет большого внимания способ сварки тонких листов с сопутствующей про­каткой зоны термического влияния ро­ликами [39]. Этот способ удобен в мас­совом и серийном производстве. Его достоинством является возможность полного устранения деформаций плас­тического укорочения металла, вызыва­емого сварочным нагревом в зоне тер­мического влияния.

Регулирование теплового воздейст­вия. В производстве плоскостных и резервуарных конструкций получили не­которое применение способы снижения деформаций, основанные на отводе теп­ла от свариваемого шва. С этой целью используют жидкие и пастообразные составы. Эффективность этих способов тем выше, чем тоньше металл сварива­емой конструкции и ближе располага­ются теплоотводящие средства к шву. Регулированием теплового воздействия в процессе сварки можно добиться оп­ределенного изменения физических и структурных характеристик материала в зоне сварки, приводящего к уменьше­нию остаточных деформаций. Этот спо­соб эффективен в тонколистовых конст­рукциях из мартенситных сталей [74], а также при использовании в конструк­циях свариваемых и присадочных ма­териалов с определенным сочетанием дилатометрических характеристик.

В производственных условиях, как правило, попользуют комплекс всех до­ступных способов предотвращения де­формаций. Однако для выполнения повышенных требований, предъявляе­мых к точности формы и размеров ряда сварных конструкций, эти способы не всегда оказываются достаточными. По­этому наряду с ними применяют спосо­бы устранения сварочных деформаций и напряжений, основные из которых приводятся ниже.

Способы устранения сварочных де­формаций. Наиболее распространенными способами уменьшения и устраненого соединения являются следующие.

Прокатка сварных соединений для устранения деформаций тонколистовых конструкций, вызванных остаточными пластическими деформациями в зоне сварки, теоретически обоснованная и практически разработанная в СССР [39, 7]. Прокатке подвергают участки шва и зоны термического влияния с остаточными пластическими деформа­циями. Режим прокатки может быть подобран так, что остаточные напряже­ния после прокатки окажутся близки­ми к нулю [39, 7]. При этом происхо­дит осадка металла в направлении тол­щины и пластическое удлинение в плоскости, компенсирующее остаточ­ные пластические деформации укоро­чения. Это приводит к устранению пе­ремещений, вызванных потерей устой­чивости. Кроме того, при больших усилиях на деформирующих роликах и при степенях деформации в несколь­ко процентов происходит заглаживание концентраторов напряжений в сварных швах и упрочнение швов, что находит применение при изготовлении оболочек из высокопрочных сталей и алюминие­вых сплавов, разупрочняющихся при сварке [35].

Проковка и правка также применя­ются для создания путем пластической деформации перемещений, обратных сварочным. Проковку на прессах широ­ко используют для правки сварных стержней сравнительно небольшой жесткости. На правильных машинах специальной конструкции легко устра­няют деформации перекоса и попереч­ного изгиба поясов сварных двутавро­вых стержней и балок [30]. Используя правильные машины, нередко произво­дят правку листовых полотнищ, сва­ренных продольными стыковыми шва­ми. С этой же целью иногда используют гибочные вальцы. Правку на правиль­ных и гибочных машинах ведут таким образом, чтобы вызвать удлинение ме­талла зоны термического влияния свар ного соединения. При этом достигается компенсация пластических деформа­ций укорочения, вызванных сварочным нагревом и снижение остаточных на­пряжении, обусловливающих выпучи­вание сваренных полотнищ. Нередко для устранения деформаций выпучива­ния и. волнистости листовых полотнищ применяют проковку шва и зоны тер­мического влияния, подверженной в про­цессе сварки пластическому дефор­мированию [74]. Преимуществом по сравнению с прокаткой является повы­шенная маневренность и возможность обработки сварных соединений в слож­ных конструкциях с труднодоступным расположением швов. Однако сущест­венным недостатком являются повы­шенные шумы при работе инструмента,

1 также сложность регламентирования режима проковки.

Местный нагрев. В ряде случаев правку производят местным нагревом. Сущность этого способа заключается в концентрированном нагреве небольших участков деформированной конструк­ции с целью вызвать в них необрати­мые пластические деформации укоро­чения металла. Соответствующим выбо­ром мест нагрева конструкции дости­гают устранения кривизны местных выпучин тонкой обшивки, отдельных элементов составных стержней и балок, а также общей кривизны конструкций.

В исключительных случаях прибегают в указанных целях к наложению холо­стых валиков. Расчетное определение параметров термической правки за­труднено, поэтому обоснования к ис­пользованию термической правки сос­тавлены в основном по эмпирическим соотношениям [49].

Термообработка отпуском сварных соединений в зажимных приспособле­ниях применяется в практике изготов­ления сварных конструкций для одно­временного устранения остаточных деформаций и напряжений. Конструк­цию после сварки закрепляют в жестком приспособлении, придавая ей требуе­мую форму, а затем подвергают отпуску вместе с приспособлением. Вследствие развития процессов ползучести при от­пуске упругие деформации переходят в пластические и конструкция после отпуска сохраняет заданную в приспо­соблении форму. Рациональный режим отпуска следует назначать исходя из рекомендаций на основании исследова­ния закономерностей релаксации напря­жений [7].

Импульсная магнитная обработка. В последнее время вместо механической | термической правки стали применять импульсную магнитную обработку свар­ных конструкций. Известность получили различные варианты техники выполне­ния обработки этого вида. Основной из них состоит в том, что на металл конструкции, претерпевшей при сварке нежелательные виды деформаций, с помощью индуктора наводят магнито­электрические силы. Импульсный характер действия их на металл позво­ляет получить эффект уменьшения деформаций выпучивания тонкой обшивки при минимальной затрате времени и труда без повреждения поверхности выправленных листов.

Способы уменьшения и устранения сварочных напряжений. Предотвраще­ние или устранение сварочных дефор­маций применением описанных спосо­бов не всегда означает снятие в выправ­ленном узле конструкции остаточных сварочных напряжений. В ряде прак­тических случаев в конструкции сохра­няется высокий уровень остаточных растягивающих напряжений, а следова­тельно, и значительный уровень уравно­вешивающих их сжимающих напряже­ний. Наличие высоких остаточных напряжений вызывает вторичное упру­го-пластическое деформирование вы­правленной конструкции в процессе Дальнейшей ее обработки и при эксплуа­тации.

Вторичное деформирование сварных конструкций не только снижает их точность, но во многих случаях пони­жает работоспособность. В таких случаях в процесс изготовления конструк­ций и их элементов включают комплекс операций, имеющих своей целью снятие или уменьшение остаточных сварочных напряжений.

В настоящее время известен ряд спо­собов уменьшения и устранения свароч­ных остаточных напряжений [7, 74], основные из которых приводятся ниже.

Термообработка. Наиболее распро­страненным в производстве способом снятия остаточных напряжений явля­ется общая термическая обработка сварных конструкций — отпуск. Высо­кий отпуск является эффективным средством снижения остаточных напря­жений и изменения свойств металла с целью повышения эксплуатационных свойств сварных конструкций. Необхо­димость отпуска тех или иных типов сварных конструкций следует решать в каждом конкретном случае на основе анализа научных исследований (8], эко­номических факторов и производствен­ного опыта передовых в техническом от­ношении предприятий. Такой способ сня­тия напряжений оправдывается для стержневых, балочных, цилиндрических и прочих видов конструкций, процесс изготовления которых связан с после­дующей механической обработкой с высокой точностью; необходимость об­щей термообработки может быть про­диктована требованиями точного соблю­дения геометрических характеристик конструкции при эксплуатационном нагружении, а также в ряде других случаев, связанных с точностью сварных конструкций. С другой стороны, оценка необходимости проведения отпуска основана на рассмотрении требуемых свойств сварных конструкций, а также высокой сопротивляемости хрупким разрушениям [8].

Во многих практических случаях изготовления конструкций и особенно при изготовлении нетранспортабельных вместо общей может быть применена местная термообработка. Местная термо­обработка не требует громоздкого обо­рудования и значительных капитальных вложений. Поэтому в ряде случаев

она более эффективна как при завод­ском производстве, так и при производ­стве монтажных работ.

Прокатка, рекомендуемая для устра­нения деформаций тонколистовых конструкций, одновременно приводит к значительному снижению остаточных напряжений [39, 7].

Проковка шва и зоны термического влияния, подверженной в процессе сварки пластическому деформированию, снижает остаточные напряжения благо­даря компенсации остаточных пласти­ческих деформаций укорочения расши­рением металла при его осадке в на­правлении удара [74].

Предварительный и сопутствующий подогрев при сварке применяют для уменьшения объема пластически де­формированного металла и для сниже­ния максимального уровня остаточных напряжений [7].

Импульсное и вибрационное нагру­жение сварных соединений конструк­ций или отдельных частей и узлов получает распространение в последние годы для уменьшения остаточных сва­рочных напряжений [18, 74]. Достоин­ства этих способов обработки конструк­ций заключаются в кратковременности процесса подготовки и выполнения операции снижения напряжений и в невысокой стоимости применяемых средств обработки.

Кроме представленных основных спо­собов снижения сварочных деформаций и напряжений, на производстве в ряде случаев находят применение некоторые специальные способы и приемы [74].