Алешин_Справочник_Сварка. Резка. Контроль_2004_1 том (Н.П. Алешин, Сварка. Резка. Контроль. Справочник, 2004), страница 14

Примеры различных перемещений сварных конструкций показаны на рис. 1.30. Существуют также многочисленные другие виды искажений формы и размеров сварных конструкций. Влияние сварочных деформаций на качество конструкций, как правило, негативное и связано с тремя основными факторами, рассматриваемыми далее. 1. Изменение размеров разделки кромок при сварке. Перемещения кромок свариваемых деталей в направлении поперек шва происходят за счет местного расширения металла вблизи сварочного источника и поперечной усадки уже заваренного и остывмощего участка шва. При сварке длинных швов перемещения кромок могут привести к прекрщлеиию процесса сварки либо вследствие уоеличения зазора и вытекания сварочной ванны, либо из-за полною закрывания зазора и невозможности подачи присадочной проволоки.

В тех случаях, когда не происхолнт полной остановки сварочного процесса, возможно суц1ественное изменение качества сварки, так как при изменении сварочного зазора изменяются состав и свойства шва за счег изменения долей основного и присадочного металла в сварочной ванне. 1 Визг 4 'еБ-О СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ 53 При дуговой сварке могут появиться закже непровары и натеки металла в корне шва. Продольная усадка часто вызывает искривление свариваемых пластин в плоскости (серповидность) и потерю устойчивости.

При этом взаимные перемещения кромок в плоскости свариваемых пластин и в направлении толщины суммируются с погрешностями формы свариваемых кромок и погрешностями при сборке и могуг приводить к невозможности сварки и снижению качества сварного шва. Значительные перемещения кромок в направлении толщины пластин наблюдаются при сварке тонко- листовых конструкций малой жесткости. 2. Изменение формы и размеров конструкции. Искажения, вызванные наложением сварных швов, ухудшают внешний анд, а иногда снижают работоспособность конструкции. 3. Временные и остаточные напрнження.

Временные напряжения могут вьщвать разрушение сварного соединения в процессе сварки или образование в нем технологических дефектов (см. а разд. Е5). Остаточные растягивающие напряжения создают в металле запас энергии, который может способствовщь разрупзению металла. Они также вызывают ускорение коррозионных процессов. Связанные с ними пластические деформации приводят к уменьшению пластичности соединения. Суммируясь с рабочими напряжениями, остаточнме напряжения ухудшают рабатоспособносп, конструкции: сжатые элементы могут потерять устойчивость; в элементах, функционирующих при переменных нагрузках, снижается предел выносливости; в элементах, работающих на изгиб, уменьшается жесткость сечения эа счет перехода его части в пластическое состояние.

Остаточные напряжения существенно влияют на точность и стабильность размеров сварнхнх деталей. При механической обработке за счет перераспределения остнючных напряжений изменяются форма и размеры детали. Под действием остаточных напряжений возникают деформации ползучести, особенно при повышенных температурах.

При первом приложении рабзчей нагрузки рабочие напряжения, суммируясь с остаточными, могут в отдельных местах превысить предел текучести и вызвать пластические деформации. Е4.4. метОды ОНРеделения нАНРяжений, ДЕФОРМАЦИЙ И ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Экспериментальные методы. Существуег много экспериментальных методов определения сварочных напряжений, деформаций и перемещений. Проще всего измерить перемещения на внешних поверхностях конструкций. Существуют также дазчнкн для измерения деформаций (наиболее распространены тензодатчики, наклеиваемые на поверхность детали). Напряжения, как правило, рассчитывают на основе измерений перемещений, деформаций или других физических параметров, изменяющихся при появлении в металле напряжений (рентгеновские, магнизные н ультразвуковые метолы).

Для определения остаточных напряжений наиболее применим механический метод, заключающийся в измерении перемещений и деформаций, возникающих при устранении остаточных напряжений. Напряжения устраняют в пластинах лугам их разрезки на узкие полосы или клетки, в круглых телах снятием слоев поверхности на токарном станке, а в массивных фрезерованием, сверлением или прогачиванием канавок.

Процедура включает а себя начальное измерение, устранение напрюхений и повторное измерение перемещений илн деформаций в тех же точках. Напряжения рассчитывают по разности результатов измерений. Чем сложнее напряженное состояние, тем болыпе дюжив быть точек измерения. Метод обеспечивает расчет одно- и двухосных напряжений на поверхности конструкции. Расчетные методы. Наиболее современным н точным способом определения напряженно-деформированного состояния как на поверхности, так н в глубине дешлей является моделирование сварочных процессов на компьютере методом конечных элементов. Существует множестао авторских и профессиональных программных комплексов для больших и персональных компьютеров, различающихся по сложности конструкций, доступных для моделирования, и по полноте охвата процессов, протекающих при различных способах сварки. Расчет сварочных деформаций н напряжений состоит в определении: температурных полей прн сварке; — температурных деформаций, деформаций от структурных превращений и механических свойств материала, зависящих от температуры; — собственных деформаций, напряжений и перемещений.

В результате моделирования определяют вначале временные, а затем остаточные напряжения, деформации и перемещения. Процесс Глава 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ моделирования может быть распространен на стклию эксплуатации сварной конструкции, что позволяет выявить характер взаимодействия остаточных напряжений с рабочими напряжениями от эксплуатационных нагрузок. Для расчета кроме информации о форме и размерах конструкции необходимы следующие исходные данные. 1. Характеристики сварочного источника нагрева (мощность и ее распределение по пятну нагрева, скорость сварки, порядок наложения швов), условия теплоотвода и теплофизические свойства материалов (коэффициенты теплоемкости ср, теплопроводности 2., тепло- отдачи с поверхности а,). Справочные данные и методы расчета температурных полей приведены в разя.

1.2. 2. Характеристики температурного расширения (лилатограммы) материалов, образующих сварное соединение. В случае сварки разнородных материалов или применения присцдочного материала, отличающегося ог основного, эти характеристики для разных зон соединения могут не совпадать. Для приближенных расчетов может быть использована усредненная днлатограмма, соответствующая уравнению прямой: Ьа = оЛТ. Точное определение дилвгограммы требует проведения испытаний в условиях, близких к реальному сварючному циклу. 3. Для расчета деформаций и напряжений в низкотемпературной зоне, где не возникает пластическая деформация, механические свойства материала могут быль представлены модулем упругости Е и коэффициентом Пуассона ц.

Более точные методы, учитывающие пластические деформации, упрочнение и ползучесть, требуют для каждого материала проведения испытаний при различных напряжениях, температурах и скоростях деформации. Получаемые из серии таких испытаний характеристики можно использовать при расчете сварочных деформаций и напряжений. Существует также метод пластических приближений. На основе приближенного расчета сварочных деформаций по упрощенной модели повеления материала проводят испытания, имитирующие условия в различных точках свариааемой детали по температуре и деформации (термодеформациониый цикл). Полученные из зтнх испытаний напряжения используют в расчете как характеристику материала, отражающую его реальное понедение с учетом релаксации и упрочиення.

Ишкеиериые методы расчета. Приводимые ниже методы и расчетные формулы не обладают высокой точностью, но позволяют оценить ожидаемые искажения формы и размеров сварного соединения и несложной сварной конструкции. Они оснонаны на выражении результата наложения каждого шва в виде сил и перемещений, которые затем можно использовать для расчета формы н размеров конструкции методами сопротивления материалов. В период, предшествовавший распространению компьютеров, были разработаны методики инженерного расчета и для весьма сложных конструкций, однако они не могут быль рекомендованы для широкого применения, так как требуют весьма высокой квалификации расчетчика.

Наиболее универсальными н достоверными в настоящее время следует признать экспериментальные методы и численное моделирование процессов, описанные выше. Далее будут приведены формулы расчета сварочных деформаций и напряжений (см. разд. 1.4.3), рекоменлуемые для применения в инженерной практике. А. Продольные деформации и перемещения (продольная усадка). В поперечном сечении сварного шва после сварки образуется распределение продольных напряжений, схематично представленное на рис. 1.31.