книги / Сварка и свариваемые материалы. Свариваемость материалов

4.2. Влияние термодеформационных процессов на качество сварных конструкций

4.2.1. Изменение размеров разделки кромок при сварке

Перемещения кромок свариваемых деталей в направлении по­ перек шва происходят за счет местного расширения металла вблизи сварочного источника и поперечной усадки уже зава­ ренного и остывающего участка шва. В случае электрошлаковой сварки, когда поперечная усадка составляет несколько миллиметров, а шов до нескольких метров длины, перемеще­

ния кромок могут привести к прекра­ щению процесса сварки *либо за счет увеличения зазора и вытекания сва­ рочной ванны, либо за счет полного закрывания зазора и невозможности подачи присадочной проволоки. В тех случаях, когда не происходит полной остановки сварочного процесса, воз­ можно существенное изменение каче­ ства сварки, так как при изменении сварочного зазора изменяются состав и свойства шва за счет изменения долей основного и присадочного ме­ талла в сварочной ванне. При дуго­ вой сварке возможно также появле­

ние непроваров и натеков 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 пла­ стин и в направлении толщины суммируются с погрешностями формы свариваемых кромок и погрешностями при сборке и могут приводить к невозможности сварки и снижению каче­ ства сварного шва. Значительные перемещения кромок в на­ правлении толщины пластин наблюдаются при сварке тонко­ листовых конструкций малой жесткости.

4.2.2. Изменение формы и размеров конструкции

Искажения, вызванные наложением сварных швов, ухудшают внешний вид, а иногда и снижают работоспособность кон­ струкции. В листовых конструкциях причиной перемещений яв­ ляются угловые деформации и потеря устойчивости при про­ дольной усадке. Балки от наложения продольных и попереч­ ных швов испытывают укорочение, изгиб и закручивание (рис. 4.8). Оценить величину перемещений можно с помощью мето­ дов, приведенных в 4.3.1.4.

4.2.3. Остаточные наряжения

Остаточные паст#гИвающие напряжения создают в металле за­ пас энергии, котОРый может способствовать разрушению ме­ талла. Они также способствуют ускорению коррозионных про­ цессов. Связанные с ними пластические деформации приводят к уменьшение пластичности соединения. Складываясь с рабо­ чими напряжении*111’ остаточные напряжения ухудшают рабо­ тоспособность конструкции: сжатые элементы могут потерять устойчивость- в элементах, работающих при переменных на­ грузках, снижается предел выносливости; в элементах, рабо­ тающих на изгиб» уменьшается жесткость сечения за счет пе­ рехода части селения в пластическое состояние. Остаточные напряжения существенно влияют на точность и стабильность размеров сварных деталей. При механической обработке за счет перераспределения остаточных напряжений происходит изменение формы и размеров детали. Под действием остаточ­ ных напряжений возникают деформации ползучести, особенно при повышенных температурах. При первом приложении рабо­ чей нагрузки рабочие напряжения, складываясь с остаточными, могут в отдельных местах превысить предел текучести и вы­ звать пластические деформации. Происходящие под действием остаточных напряжений деформации обычно не превышают долей процента.

4.3. Определение сварочных деформаций, напряжений и перемещений

4.3.1. Расчетные методы

4.3.1.1. Основые этапы расчета. Расчет сварочных деформаций

инапряжений состоит из определения:

1)температурных полей при сварке;

2)свободных температурных деформаций и деформаций от структурных превращений, механических свойств материала, зависящих от температуры;

3)собственных деформаций, напряжений и перемещений.

Для проведения расчета необходимы следующие исходные данные:

1. Характеристики сварочного источника нагрева, условия теплоотвода и теплофизические свойства материалов (коэффи­ циенты теплоемкости ср, теплопроводности А,, теплоотдачи с поверхности ат). Справочные данные и методы расчета тем­ пературных полей приведены в главе 2.

2. Дилатометрические характеристики материалов, обра­ зующих сварное соединение. В случае сварки разнородных ма­ териалов или применения присадочного материала, отличаю­

щегося от основного, эти характеристики для разных зон со­ единения могут не совпадать. Примеры дилатограмм показаны

на рис. 4.9.

Для приближенных расчетов может быть использована усредненная дилатограмма, соответствующая уравнению пря­

мой Деа =аД Т Значения коэффициентов линейного расширения а для раз­

личных материалов приведены в табл. 4.1. В таблице указаны также интервалы изменения температуры 7\ для которых опре­ делены средние значения а. Более точное определение дилатограммы требует проведения испытаний в

ния, имитирующие условия в различных точках свариваемой детали по температуре и деформации (термодеформационный цикл). Полученные из эксперимента напряжения используются в расчете в качестве характеристики материала, отражающей его реальное поведение с учетом релаксации и упрочнения.

4.3.1.2. Уравнения упругопластического деформирования.

При сварке в каждой точке детали возникают в общем случае 6 компонент напряжения, 6 компонент деформации и 3 компо­ ненты перемещения. На рис. 4.12 показано расположение ко­

стины. Соответствующие компоненты деформации и напряже­

ез1 ,. oi2 , о2з, о31 . Для каждой компоненты деформации можно выделить наблюдаемые, собственные и свободные температур­ ные деформации согласно формуле (4.1). При этом для изо­

Наблюдаемые деформации связаны с перемещениями то­ чек тела

Собственные деформации связаны с напряжениями. Упру­ гие деформации связаны с напряжениями законом Гука. Закон Гука записывается отдельно для деформаций изменения объ­ ема и деформаций изменения формы, так как модули упруго­ сти при изменении объема и формы тела различны. Изменение объема выражается через средние нормальные деформации е0.

Средние деформации связаны со средними напряжениями Оо через объемный модуль упругости К:

Часть деформации, не вызывающая изменения объема, на­ зывается деформацией изменения формы, или девиатором де­ формации. Компоненты девиатора деформации ец и девиатора напряжения Su определяются по формулам:

где 6jj — коэффициент, равный 1 для нормальных компонент (при i= j) и равный 0 для компонент сдвига (при i ^ j ) . Ком­ поненты девиатора упругой деформации еупр;/ связаны с соот­ ветствующими компонентами девиатора напряжения S,j через модуль сдвига G:

Пластические деформации происходят без изменения объ­ ема, только за счет изменения формы:

всего принимается модель идеального упругопластического ма­ териала без упрочнения.

Так как у идеального упругопластического материала в пла­ стической области о, не зависит от епл/, то пластические де­ формации целиком определяются деформациями окружающей упругой зоны и условиями закрепления детали. По известным компонентам деформации можно определить компоненты на­ пряжений. Процесс образования напряжений при сварке, как правило, нельзя считать простым нагружением, так как соот­ ношения компонент деформации и напряжения в ходе нагру­ жения существенно изменяются. Поэтому для расчета напря-

жений в упругопластическом теле необходимо весь процесс де­ формирования разбить на отдельные шаги по времени. Напря­ жения в конце каждого шага зависят от напряжений в на­ чале шага Oij' и приращений деформаций за шаг Аец = гц—е//. При этом изменение объема происходит по закону Гука:

а0 —°0 + (^е0—^8а)^* Девиатор напряжения в конце шага определяется по фор­

методы расчета являются приближенными, т. е. опираются на ту или иную модель процесса. Упрощения могут касаться как схемы напряженно-деформированного состояния, так и модели поведения материала.

Наиболее простыми являются методы расчета по одноосной схеме [1]. Для упрощения расчета предполагают, что все точки шва одновременно нагреваются, затем одновременно остывают. При этом в незакрепленной пластине перемещения поперек шва происходят свободно, а напряжения возникают только вдоль шва (оц) из-за неравномерного по ширине нагрева пластины. В действительности нагрев различных поперечных сечений пла­ стины происходит неодновременно, поэтому образуются также компоненты напряжения а22 и ai2. Точность расчетов по одно­ осной схеме невысока, однако она обладает простотой и дает на­ глядную и качественно верную картину образования напряже­ ний в пластине во время и после сварки.

При сварке пластин небольшой толщины компонентами на­ пряжения в направлении толщины пластины можно пренебречь и проводить расчеты по двухосной схеме (плоского напряжен­ ного состояния), учитывая только компоненты вдоль осей JC, и х2 (см. рис. 4.12). Толщину пластины следует оценивать по

отношению к шцрцне зоны термического влияния шва. Для ду­ говой сварки небольшой следует считать толщину до 20 мм, для

процедура расчета существенно усложняется. Существует ряд аналитических решений по теории упругости и теории пластич­ ности [1]. Однако наиболее универсальными являются методы расчета на ЭВМ, например метод конечных элементов [4], ко­ торый не требует упрощения формы детали и используемых в расчете диаграмм свойств материала.

на упрощении схемы напряженно-деформированного состояния и свойств материала, дают существенную погрешность при оп­ ределении временных напряжений и приемлемую точность при оценке остаточных напряжений. В наиболее ответственных слу­ чаях результаты расчета следует сопоставить с данными экспе­ риментального измерения деформаций, напряжений и переме­ щений. Методики таких измерений описаны в 4.3.2.

4.3.1.4. Расчет перемещений. Для точного расчета перемеще­ ний в свариваемых деталях вблизи шва необходимо применять методы теории пластичности и ползучести, учитывать зависи­ мость сцойств материала от температуры. Целесообразно ис­ пользовать численные методы, рассмотренные в 4.3.1.1.

Для оценки перемещений вне зоны шва можно использовать более простые методы. Продольные остаточные перемещения в сваренной детали могут быть рассчитаны методами сопротив­ ления материалов, если приложить к детали усадочную силу, действующую вдоль оси шва (см. рис. 4.1). Усадочная сила Рус пропорциональна величине остаточных пластических деформа^ ций в зоне шва:

где А — коэффициент, зависящий от способа и условий сварки. Усадка увеличивается, если на стадии нагрева полностью ис­ ключить раздвигание от оси шва свариваемых пластин при рас­ ширении металла, а на стадии остывания устранить все препят­ ствия для сближения пластин в направлении к оси шва. При

сварке А «1,6. При дуговой сварке встык с полным проплавле­

Вслучае неполного проплавления (например, при приварке

кпластине других элементов угловыми швами) поперечная усадка уменьшается (табл. 4.3).

4.3.2. Экспериментальные методы

Существуют различные физические методы измерения остаточ­ ных напряжений — рентгеновский, магнитный, ультразвуковой, однако наиболее распространенными являются механические Методы, основанные на измерении деформаций и перемещений При разрезке Металла и освобождении его от напряжений [1]. В простейшем случае остаточные напряжения предполагаются одноосными. В этом случае размер базы измерения выбирается большой — до 100 мм (рис. 4.13,6). После начальных замеров с двух сторон пластины ее разрезают на полоски, ширина кото-