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.
-
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 Qx, Qv, 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].
Есть ли список литературы на которую ссылается данная статья?