Теория сварочных деформаций и напряжений и ее развитие

Напряжения и деформации при сварке

 

Конспект лекций

по дисциплине «Напряжения и деформации при сварке»

для студентов направления подготовки 6.050504 «Сварка»

всех форм обучения

 

 

Мариуполь

2015

 УДК 621.79.5(876.5)

 

Серенко А. Н. Напряжения и деформации при сварке [Электронный ресурс]: конспект лекций по дисциплине «Напряжения и деформации при сварке» для студентов направления подготовки 6.050504 «Сварка» всех форм обучения / А. Н. Серенко. – Мариуполь: ПГТУ, 2015. – 118 с. – Режим доступа:

 

Курс «Напряжения и деформации при сварке» является профессионально-ориентированной дисциплиной, цель преподавания которой – дать будущему специалисту теоретические знания о причинах и механизме возникновения сварочных деформаций и напряжений в сварных конструкциях. Даются инженерные методы расчета и рациональные способы уменьшения и устранения остаточных деформаций и напряжений.

Конспект лекций включает содержание, краткий лекционный материал, согласно программе курса, контрольные вопросы, список рекомендуемых источников.

 

Автор        А. Н. Серенко, канд. техн. наук, профессор

 

Рецензент А. Д. Размышляев, д-р техн. наук, профессор

 

Утверждено

на заседании кафедры «Оборудование и технология сварочного производства»,

протокол № 5 от 15 января 2015 г.

 

Утверждено

методической комиссией сварочного факультета,

протокол № 2 от 19 января 2015 г.

 

© ГВУЗ «ПГТУ», 2015

Содержание

 

Введение.. 5

Лекция 1. Общие сведения о сварочных деформциях и напряжениях. Классификация.. 8

1.1 Теория сварочных деформаций и напряжений и ее развитие 8

1.2 Значение сварочных деформаций и напряжений. 9

1.3 Классификация сварочных деформаций и напряжений. 11

Лекция 2. Схема образования и развития сварочных деформаций и напряжений и их расчетного определения.. 17

2.1 Гипотезы и предпосылки теории сварочных деформаций и напряжений 17

2.2 Деформации и напряжения при равномерном нагреве стержня 19

2.3 Общий метод расчета деформаций и напряжений при неравномерном нагреве пластины и сварке 24

Лекция 3. Расчетное определение сварочных деформаций и напряжений элементов профильного сечения.. 38

3.1 Общие сварочные деформации и напряжения, возникающие при сварке профильных элементов 38

3.2 Упругопластическая зона и определение границ её распространения 43

3.3 Определение деформаций от нескольких продольных швов. 46

3.4 Определение общих деформаций от поперечных швов. 48

Лекция 4. Расчет местных деформаций и остаточных напряжений 55

4.1 Классификация местных деформаций. 55

4.2 Продольные остаточные напряжения и построение эпюр. Реактивные напряжения 59

4.3 Потеря местной устойчивости тонких пластин. 62

Лекция 5. Расчет вторичных деформаций сварных элементов 72

5.1 Влияние внешних нагрузок на возникновение вторичных деформаций 72

5.2 Возникновение вторичных деформаций при механической обработке сварных конструкций 76

Лекция 6. Методы уменьшения сварочных деформаций И НАПРЯЖЕНИЙ 85

6.1 Общие положения о методах уменьшения сварочных деформаций 85

6.2 Методы уменьшения деформаций изгиба. 86

6.3 Методы уменьшения остаточных напряжений. 89

СПИСОК РЕКОМЕНДОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.. 97

Приложение А.. 97

Введение

 

Проблема сварочных напряжений и деформаций возникла почти одновременно с началом практического применения сварки. На опасность «вредных напряжений», 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 [1-10].

В настоящее время существует достаточно четкая система взглядов на причины возникновения сварочных напряжений и деформаций, на 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 [1-10].

При разработке технологических процессов изготовления сварных конструкций основное внимание должно быть уделено мероприятиям, обеспечивающим получение конструкций с минимальными отклонениями от проектных размеров. Это требование обусловлено соображениями прочности, наибольшего удобства и наименьшей трудоемкости изготовления конструкции. При этом такие непроизводительные операции как правка, подрубка, подгонка и др., на которые довольно часто тратится столько же труда, как и на основные сборочно-сварочные операции, должны быть доведены до минимума.

Для того чтобы проектируемая конструкция и технология ее изготовления были оптимальными, с точки зрения получения минимальных сварочных деформаций, необходимо знать законы возникновения и развития сварочных деформаций и уметь определять величины ожидаемых деформаций еще в стадии проектирования конструкции и разработки технологии ее изготовления.

Таким образом, проектирование сварных конструкций и разработка технологии их изготовления должны вестись одновременно, исходя из обеспечения требуемой технологической прочности, необходимой точности (минимальных сварочных деформаций) и работоспособности конструкции.

Выполняя в процессе проектирования конструкции расчет ожидаемых сварочных деформаций для различных конструктивных и технологических вариантов, проектировщик может выбрать оптимальный вариант конструкции и технологии ее изготовления с точки зрения получения минимальных деформаций. В частных случаях может оказаться, что конструктивными и технологическими приемами невозможно (или невыгодно) обеспечить получение конструкций в требуемых допусках, тогда ожидаемые сварочные деформации, определенные расчетом, необходимо компенсировать соответствующим изменением размеров деталей и обратным выгибом конструкции при сборке.

Так как величина деформаций, возникающих при сварке, зависит от очень большого числа технологических и конструктивных факторов, то достаточно полный учет их при оценке того или иного варианта технологического процесса возможен лишь при применении расчетных методов определения сварочных деформаций.

В настоящее время теория сварочных деформаций и напряжений развивается как один из прикладных разделов теории температурных напряжений и использует те же допущения и упрощения. Тем не менее, сложная картина температурного поля при сварке, высокий уровень и большие градиенты температуры, необходимость учета изменений свойств металла в широком диапазоне температуры и другие факторы, определяет специфику задач, возникающих при рассмотрении сварочного нагрева и обусловливает особые способы и приемы их решения.

Сформировалось два направления: одно совершенствует приближенные инженерные методы, предназначенные главным образом для решения вопросов точности изготовления сварных конструкций [1-5]; другое разрабатывает более строгие решения на базе теории термопластичности с использованием ЭВМ и последних достижений вычислительной математики для всестороннего изучения термомеханических процессов с целью оценки технологической и эксплуатационной прочности сварных конструкций [6, 9].

В настоящем конспекте лекций рассматриваются приближенные инженерные методы расчетного определения сварочных деформаций, возникающих при изготовлении разнообразных металлических конструкций и сооружений.

Данный конспект лекций содержит необходимые сведения по различным вопросам расчетного определения остаточных деформаций и напряжений и предназначен для студентов направления подготовки 6.050504 «Сварка» всех форм обучения.

 

Лекция 1.
Общие сведения о сварочных деформциях и напряжениях. Классификация

 

План

1.1 Теория сварочных деформаций и напряжений и ее развитие

1.2 Значение сварочных деформаций и напряжений

1.3 Классификация сварочных деформаций и напряжений

 

Теория сварочных деформаций и напряжений и ее развитие

 

Неравномерный высокотемпературный нагрев элементов конструкций при сварке вызывает появление в них деформаций и напряжений. По мере распространения теплоты и выравнивания температуры происходит непрерывное изменение деформаций и напряжений б различных точках свариваемых деталей, т.е. изменение полей этих величин. В отличие от температурного поля, которое исчезает после полного остывания конструкции, поле напряжений не исчезает, так как процесс его образования при сварке необратим. Поэтому после полного остывания в сварной конструкции имеются остаточные деформации и напряжения. Изучение процесса образования сварочных деформаций и напряжений имеет существенное значение для решения ряда проблем, в том числе:

1) для оценки вероятности появления трещин в процессе изготовления конструкции, т.е. для решения вопросов, связанных с проблемой технологической прочности;

2) для определения поля остаточных напряжений с целью учета их при оценке работоспособности конструкции, т.е. для решения вопросов, связанных с проблемой эксплуатационной прочности;

3) для решения вопросов, связанных с проблемой точности изготовления сварных конструкций.

Указанные проблемы требуют различных подходов к исследованию процесса возникновения сварочных деформаций и напряжений. Анализ явлений в высокотемпературной области, окружающей источник теплоты необходим для решения вопросов, связанных с первой из указанных проблем. Она требует наиболее общей и сложной постановки исследования.

При рассмотрении сварочного нагрева изделия с целью определения поля остаточных деформаций и напряжений, допускаются существенные упрощения в отношении схематизация источника нагрева и идеализации свойств металла. Еще большее упрощение расчетных схем допускает формулировка задач, выдвигаемых проблемой точности изготовления сварных конструкций. Например, можно не принимать во внимание особенности напряженного состояния элемента у начала и конца шва, если протяженность его достаточно велика. Кроме того, требования к точности решения задач, выдвигаемых третьей проблемой, как правило, более низкие. В настоящем конспекте формулировка задач соответствует требованиям главным образом последней из указанных проблем. Такое решение обосновывается не только методологическими соображениями, но и тем обстоятельством, что проблема точности изготовления сварных конструкций в настоящие время имеет наибольшее прикладное значение.