Классификация сварочных деформаций и напряжений

 

Для удобства изучения и определения сварочных деформаций и напряжений их классифицируют.

Деформации и напряжения сварных конструкций меняются как в процессе сварки и последующего остывания, так и в результате приложения технологических и эксплуатационных нагрузок. Принято сварочные деформации и напряжения делить на временные (переменные),.изменяющиеся в процессе сварки и.последующего остывания (рис. 1.1а), и остаточные (постоянные), устанавливающиеся при полном остывании конструкции (рис 1.1б.).

а – временные; б - остаточные

Рисунок 1.1 – Виды сварочных деформаций и напряжений

 

Под вторичными деформациями и напряжениями сварных конструкций понимают деформации и напряжения, появляющиеся в результате действия на сварную конструкцию, имеющую сварочные остаточные деформации и напряжения, которые в этом смысле можно назвать первичными, какой-нибудь технологической операции (механическая, термическая, газопламенная, дробеструйная обработка, проковка, прокатка, правка и т. п.) или испытательных и эксплуатационных нагрузок.

Все сварочные деформации, как временные, остаточные, так и вторичные, условно разделяют на две группы: общие, изменяющие размеры и формы всего элемента или конструкции, и местные, распространяющиеся только на отдельные их детали.

К общим деформациям относят: деформации изгиба и кручения (пропеллерность), поперечные и продольные деформации, общие деформации от потери устойчивости.

Так, например, сварной элемент П-образного сечения (рис. 1.2а), после сварки и полного остывания получит остаточные деформации изгиба в вертикальной плоскости (рис. 1.2б), отмеченные стрелкой прогиба f; продольные деформации D l, вызывающие укорочение длины элемента по его линии центров тяжести; поперечные деформации D b и D h, соответственно уменьшающие ширину полки и высоту стенок.

 

Рисунок 1.2 – Общие деформации

 

В том случае, когда жесткость элемента на кручение мала, а продольные швы выполняют в разных направлениях, возможно образование деформаций кручения (рис. 1.3). С целью уменьшения деформаций кручения сварных элементов следует все швы выполнять в одном направлении.

Рисунок 1.3 – Деформации кручения

 

К местным деформациям можно отнести деформации отдельных деталей (рис. 1.4) от потери устойчивости (например, стенки) и угловые деформации (домики, грибовидность, ребристость).

 

Рисунок 1.4 – Местные деформации

 

Сварочные напряжения, как и всякие внутренние напряжения, могут быть классифицированы по признакам протяженности силового поля:

напряжения 1-го рода - макроскопические, имеющие ориентацию, связанную с формой изделия;

напряжения 2-го рода - микроскопические, распространяющиеся на отдельные зёрна или их группу;

напряжения 3-го рода — субмикроскопические, относящиеся к искажениям атомной решетки кристалла.

К напряжениям 1-го рода относят, как правило, внутренние напряжения, вызванные либо неравномерным: нагревом и остыванием, либо неравномерной пластической деформацией. Поэтому сварочные напряжения и напряжения, возникающие при тепловой резке, являются напряжениями 1-го рода.

Структурные напряжения, вызываемые фазовыми превращениями, следует отнести к напряжениям 2-го рода, поскольку они являются результатом взаимодействия отдельных групп зерен. При сварке легированных сталей, склонных к закалке, одновременно возникают структурные напряжения 2-го рода, вызванные неоднородностью строения металла, и напряжения 1-го рода, обусловленные неравномерностью нагрева и остывания.

Реактивные напряжения возникают при сварке конструкции в закреплении. Если сварочные напряжения в изделии взаимно уравновешены, то реактивные напряжения уравновешиваются реакцией связи (закрепления).

Сварочные деформации и напряжения по направлению действия считаются продольными, если они ориентированы вдоль шва, и поперечными, когда они направлены поперек шва.

По характеру напряженного состояния поле сварочных напряжений разделяют на линейное (одноосное), плоское (двухосное) и объёмное (трёхосное).

Актуальной проблемой теории сварочных деформаций и напряжений является разработка и внедрение инженерных методов расчёта. Наиболее полно требованиям инженерных расчётов отвечает теория, разработанная профессором Н. О. Окербломом и его последователями, которая основана на гипотезах сопротивления материалов и теории тепловых процессов при сварке [1-3].

Теория сварочных деформаций и.напряжений даёт возможность ответить на многие вопросы, возникающие при проектировании, изготовлении и эксплуатации сварных конструкций. Пользуясь её инженерными методами расчёта сварочных деформаций и напряжений, можно ещё на стадии проектирования сварной конструкции проработать несколько конструктивно-технологических вариантов и выбрать из них оптимальный вариант, обеспечивающий необходимую точность и качество изготовления с заданными эксплуатационными характеристиками конструкции или назначить меры по уменьшению остаточных напряжений и деформаций в ней..

Очевидно, что учет всех конструктивных и технологических факторов при определении сварочных деформаций, возможен лишь при расчетном определении каждого фактора и их сочетаний, что предопределяет использование современных вычислительных возможностей и различных программных продуктов [4].

При решении ряда задач, связанных с прочностными и деформационными расчётами сварных конструкций, возникает необходимость определения геометрических характеристик поперечных сечений (ГХС) конструктивных элементов.

Эти характеристики достаточно часто используются при расчёте деталей машин и стержней профильного или составного вида в основном в пределах задач изгиба. Однако, применительно к сварным конструкциям необходимость определения основных геометрических характеристик сечений диктуется не только в связи с оценкой несущей способности проектируемых элементов, но и в связи с изменениями их формы и размеров под воздействием процесса сварки и других технологических операций.

В частности, временные и остаточные напряжения и деформации составных элементов сварных конструкций зависят от типа материала, размеров и очертания их сечений, порядка сборочно-сварочных операций, способа закрепления деталей друг относительно друга, режима сварки и т.д.

Для выбора оптимального технологического варианта изготовления сварной конструкции необходимо иметь достаточно развитую систему автоматизированного проектирования включающую, в том числе, и модуль расчёта основных ГХС (площади поперечных сечений, статические моменты, моменты инерции и сопротивления, радиусы инерции и др.).

Контрольные вопросы

1. Каково значение теории сварочных напряжений и деформаций в решении проблем работоспособности сварных конструкций?

2. Какова схематизированная зависимость предела текучести от температуры для малоуглеродистых и низколегированных сталей?

3. Из каких, составляющих состоит полная деформация в точке?

4. Что понимается под временными и остаточными деформациями и напряжениями?

5. Дайте характеристику общих и местных деформаций конструкций.

6. Когда возникают структурные и реактивные напряжения?

7. Как влияют остаточные деформации и напряжения на несущую способность сварных конструкций?

 

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

План

2.1 Гипотезы и предпосылки теории сварочных деформаций и напряжений

2.2 Деформации и напряжения при равномерном нагреве стержня

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