
- •6. Термодеформационные процессы при сварке
- •В точке в начинаются снижение температуры и упругая разгрузка.
- •Поэтому очень редко в сварке встречаются случаи, когда теория упругости может быть применена для количественного анализа сварочных напряжений.
- •Типичные поля остаточных напряжений в сварных соединениях
- •Регулирование и устранение сварочных напряжений
- •Способы, используемые для устранения сварочных деформаций
Поэтому очень редко в сварке встречаются случаи, когда теория упругости может быть применена для количественного анализа сварочных напряжений.
Но теория упругости может успешно применяться в сварочных задачах, так как: решение температурной задачи теории упругости в компонентах деформаций и перемещений пригодно для практических целей, и в теории сварочных деформаций ряд решений успешно используется, как первый этап решения упругопластической задачи.
Более точные количественные соотношения при решении задач о сварочных деформациях и напряжениях могут быть получены лишь при помощи теории пластичности в условиях переменных температур.
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Типичные поля остаточных напряжений в сварных соединениях
ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ПРЯМОЛИНЕЙНЫХ ОДНО- И МНОГОПРОХОДНЫХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ
Для случаев однопроходной сварки встык с полным проплавлением пластин (рис. 11.11, а) из низкоуглеродистой стали распределение остаточных продольных напряжений х в поперечном сечении имеет характерный вид, представленный на рис.
|
|
|
|
а - вид сварного соединения |
б – остаточные пластические деформации |
в – остаточные продольные напряжения |
г - остаточные продольные напряжении с учетом потери устойчивости |
Причина возникновения остаточных напряжений х — остаточные пластические деформации укорочения хпл в шве и околошовной зоне на ширине 2b (рис. 11.11,б).
В процессе сварки
на стадии нагрева происходят пластические деформации укорочения, а
на стадии охлаждения — пластические деформации удлинения.
Так как пластические деформации на стадии нагрева по абсолютной величине больше, чем на стадии охлаждения, остаточные пластические деформации представляют собой деформации укорочения.
Вследствие этого в шве и околошовной зоне на ширине 2b возникают остаточные растягивающие напряжения, имеющие максимальное значение х mах в шве (рис. 11.11, в).
Эти напряжения уравновешены напряжениями сжатия в основном металле.
Приведенное на рис. 11.11, в распределение остаточных напряжений характерно для случаев, когда сварные пластины не теряют устойчивости, т. е. не нарушается их плоскостность. Это имеет место при сварке пластин в жестком приспособлении, препятствующем нарушению плоскостности, а также приближенно и при сварке пластин средней толщины 6...15 мм в свободном состоянии. При сварке менее жестких пластин (<6 мм), как правило, происходит потеря устойчивости, существенно изменяющая распределение напряжений, в особенности напряжений сжатия (рис. 11.11, г).
При сварке низкоуглеродистых сталей максимальные остаточные напряжения х mах, как правило, близки к пределу текучести металла шва. Эпюра остаточных напряжений, приведенная на рис. 11.11,в, характерна для сварки пластин из низколегированной и аустенитной сталей, титановых сплавов или в общем случае для сварки металлов и сплавов, не претерпевающих структурных превращений при температурах Т<600...700 °С.
При сварке аустенитных сталей максимальные остаточные напряжения х mах обычно превосходят предел текучести. Это, по-видимому, связано с большим коэффициентом линейного расширения, а как следствие, большой пластической деформацией, вызывающей упрочнение металла с образованием высоких значений продольных остаточных напряжений.
Остаточные напряжения в легированных сталях, претерпевающих структурные превращения на стадии охлаждения при низких температурах (Т<600...500 °С), могут иметь принципиально иной характер распределения.
При многопроходной сварке пластин встык в общем случае возникают остаточные напряжения — продольные x, поперечные у и в направлении толщины z.
Однако при толщинах <40...80 мм сопротивление усадке металла по толщине незначительное, и поэтому напряжения z малы.
При укладке каждого очередного валика многослойного шва формирование продольных напряжений x качественно подобно однопроходной сварке. Последующие валики незначительно изменяют значение остаточных напряжений x, и поэтому их распределение по толщине можно считать равномерным.
Формирование поперечных напряжений у происходит вследствие поперечной усадки укладываемого валика и под сильным воздействием поперечной усадки последующих валиков. В связи с этим распределение напряжений у по толщине отличается значительной неравномерностью.
Виды сварочных деформаций
1. Деформации в плоскости свариваемых деталей (рис. 55, а), когда перемещениями в направлении третьей оси (по толщине) можно пренебречь. Такие деформации, например, возникают при сварке пластин, которые не теряют устойчивости и не выходят из плоскости из-за неравномерной по толщине пластины поперечной усадки.
|
|
рис. 55, а |
рис. 55, б, в |
2. Деформации в плоскости, перпендикулярной шву (рис. 55, б, в), например, деформации грибовидности и углового поворота.
3. Деформации изгиба конструкций типа балочных (рис. 55, г). В этом случае продольная ось балки искривляется вследствие усадки швов в продольном или поперечном направлении.
|
|
рис. 55, г |
рис. 55, д, е |
4. Деформации потери устойчивости листовых элементов конструкций (рис. 55, д, е). Под действием сжимающих остаточных напряжений происходит коробление, форма которого может иметь самый разнообразный вид. Общими являются значительные по величине перемещения листовых элементов в направлении из плоскости листа.
5. Деформации скручивания относительно продольной оси (рис. 55, ж).
|
|
рис. 55, ж |
рис. 55, з, и |
6. Деформации оболочковых конструкций от заварки кольцевых и продольных швов, а также от заварки круговых и криволинейных швов на поверхностях вращения (рис. 55, з, и).
7. Деформации сложных конструкций типа рам, станин, блоков двигателей и т. п., когда возникающие деформации состоят из нескольких видов, влияют друг на друга и вызывают специфические для каждой конструкции искажения ее форм.
В большинстве случаев в изделии возникает сразу несколько видов деформаций.
Приемы устранения напряжений и деформаций
Приемы устранения напряжений и деформаций весьма многообразны, хотя в основе их лежат одни и те же принципы.
Классификация приемов устранения напряжений и деформаций помогает правильно оценить возможности и эффективность каждого из них.
Можно наметить три принципиально возможных пути уменьшения сварочных напряжений и деформаций, если исходить из механизма процесса, лежащего в основе того или иного метода.
1. Уменьшение величины пластических деформаций при нагреве и уменьшение объема металла, участвующего в пластической деформации в процессе нагрева, может быть достигнуто регулированием термического воздействия, например,
-
предварительным подогревом,
-
площади сечения сварных швов,
-
погонной энергии сварки,
-
путем искусственного охлаждения.
Аналогичные результаты можно получить механическим путем, например приложением растягивающих усилий в процессе сварки (термическое удлинение частично компенсируется растяжением от внешнего усилия вместе со всей пластиной).
Во всех этих случаях либо уменьшается пластическая деформация укорочения, возникающая в процессе нагрева, либо сокращается объем пластически деформированного металла.
2. Если в стадии нагрева возникли пластические деформации укорочения определенной величины, то в стадии охлаждения следует стремиться увеличить пластические деформации удлинения проковкой, прокаткой, растяжением, изгибом, жестким закреплением в приспособлениях, высоким отпуском.
Увеличить пластические деформации удлинения возможно также при последующей правке аналогичными процедурами: проковкой, прокаткой, растяжением, изгибом, жестким закреплением в приспособлениях, высоким отпуском.
Во всех случаях либо в процессе сварки, либо после сварки создается пластическая деформация, уменьшающая остаточные деформации укорочения.
Таким образом, оба названных пути в конечном итоге сводятся к уменьшению объема остаточной пластической деформации укорочения и, соответственно, к уменьшению остаточных напряжений.
3. Компенсации возникающих деформаций можно достигнуть путем создания
обратных деформаций и напряжений: предварительных обратных деформаций, симметричного расположения швов, рациональной последовательности сборки и сварки.
При этом остаточные напряжения в металле не снижаются, а даже возрастают.
Термическая правка местным нагревом также основана на принципе компенсации: при изгибе деталей у них нагревают выпуклые стороны и тем самым создают противоположные деформации.
В некоторых приемах одновременно используют разные принципы.
Все известные методы борьбы со сварочными деформациями в той или иной мере изменяют напряженное состояние.
Если основным требованием является устранение деформаций, то перераспределение напряжений становится второстепенным.
И наоборот, устраняя остаточные напряжения, не придают особого значения деформациям (перемещениям) сварной конструкции, хотя деформации при этом могут изменяться.
Разделение методов борьбы со сварочными напряжениями и деформациями на две группы является условным и зависит от основного назначения того или иного метода.