СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ

МОДЕЛИРОВАНИЕ СВАРОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ [21]

Различают несколько методов моделирования, основанных на аналогии дифференциальных уравнений процессов. Это электри­ческие, гидравлические и другие своеобразные методы, исполь­зуемые в технике. Здесь рассмотрены приемы моделирования, осно­ванные на масштабном изменении свариваемой модели с примене­нием тех же металлов, из которых изготавливают натурные детали. Эти методы моделирования позволяют в лабораторных условиях на моделях уменьшенного или увеличенного размера воспроизво­дить процессы образования напряжений и деформаций, которые по различным причинам, в частности из-за большой металлоемко­сти, трудно воспроизвести.

Метод моделирования основан на подобии натуры и модели. При одинаковых металлах характер и величина напряжений и де­формаций зависят в общем случае от жесткости деталей, распреде­ления температур в теле и скоростей их изменения. Одновременно удовлетворить распределению температур и скоростям их измене­ния на моделях и натуре практически почти невозможно. Излагае­мый ниже метод моделирования не удовлетворяет равенству ско­ростей охлаждения. Скорость изменения температуры опреде­ляет динамические эффекты в металле, процессы релакса­ции и ползучести, продолжительность пребывания выше за­данной температуры, а также характер структурных превращений. В подавляющем большинстве случаев сварки динамические эф­фекты, релаксация и ползучесть не являются определяющими при образовании напряжений и деформаций. В ряде металлов и спла­вов (аустенитных и низкоуглеродистых сталях, многих титановых и алюминиевых сплавах) структурные превращения мало или вовсе не зависят от скоростей изменения температуры. Поэтому можно не принимать во внимание различие в скоростях охлаждения на­турной детали и модели.

Рассмотрим условия подобия натурной детали и модели, когда температурное поле мало зависит от теплоотдачи в окружающую среду, а в основном формируется в результате процессов тепло­проводности. Это сварка массивных тел, сварка пластин на боль-

, „ „6а

ших скоростях; в данном случае безразмерной теплоотдачей ——

можно пренебречь.

Температурное поле на массивном теле описывается в ра­боте [100] следующим уравнением:

<190>

Чтобы температуры одинаковых точек натурной детали и модели были равны, необходимо соблюдение равенств

С А' )„ ( 2л). А' ),,' <191>

<|92>

Индекс «н» относится к натурной детали, «м» — к модели. Если модель но геометрическим размерам в at раз отличается от натурной детали, то

Rh хн Ун_____________________ гн Ьн rH /1QQ

TOC o "1-5" h z Р — „ ,, , — "х "г — а1•

М ХМ Ум *М Ом гм

Из выражений (191) и (192), используя соотношения (193), находим условия подобия для режима сварки:

— = ; 4^=0* (194)

Ям ‘ vc Щ ім 1 К ’

М

где tH и tM — продолжительность какого-либо процесса в натур­ной детали и модели.

Площади разделок и поперечные сечения валиков при много­слойной сварке удовлетворяют условию

Iа - = <*?, (195)

а скорости подачи проволоки в см3/сек

Перечисленными выше условиями можно пользоваться для мо­делирования напряжений и деформаций при многослойной сварке прямолинейных и кольцевых швов, в ряде случаев — для опреде­ления остаточных напряжений и деформаций при однопроходной сварке с большой скоростью. Например, при сварке металла тол­щиной 0,1 мм прижимы располагают на расстоянии мм от оси

шва. Для исследования процесса потери устойчивости листа мо­дель может быть из более толстого металла, например толщиной 1 мм, прижимы располагают на расстоянии 10 мм от оси шва. Здесь модель увеличена в 10 раз по сравнению с натурной деталью. Метод моделирования эффективен при исследовании коробления конструкций.

Протекание временных температурных деформаций в основном зависит от теплоотдачи в воздух. Не учитывая теплоотдачу, на­пример, при моделировании деформаций при электрошлаковой сварке, можно получить большие погрешности. Температурное поле в пластине с учетом теплоотдачи при установившемся про­цессе сварки описывается уравнением

(198)

Для соблюдения равенств температур в точках модели и на­турной детали необходимо, кроме выполнения условий (191) и (192), выполнить условие

SHAPE * MERGEFORMAT

суй ’ гм хм ум

то условие (199) при равенстве коэффициентов теплоотдачи ат натурной детали и модели можно представить в виде

(200)

т. е. при изменении линейных размеров пластин в а/ раз ее толщина изменяется в а?. Мощность источников сварки изменяется про­порционально изменению толщины:

(201)

Остальные условия (194), (197) остаются в силе. Вес деталей учитывается условием (202)

При моделировании напряжений и деформаций нередко при­ходится использовать другие источники тепла. Например, элек - трошлаковая сварка моделируется при помощи аргоно-дуговой

сварки. Источники тепла этих двух процессов отличаются друг от друга распределенностью теплового потока. Такое несоответ­ствие для процессов моделирования напряжений и деформаций несущественно, так как распределенность источника тепла влияет главным образом на высокотемпературную область, где напряже­ния незначительны. .

На рис. 115, а показана схема приспособления для моделиро­вания деформаций, возникающих при электрошлаковой сварке. Сварка производится вольфрамовым электродом в защите аргона с присадкой в виде лежащего прутка. Для уменьшения тепло­отдачи в подкладку сварка осуществляется на прокаленном порошке MgO, обладающем высокой температурой плавления и малой теплопроводностью. Призматические опоры при необхо­димости можно заменить катками. Сила веса пластин с соблю­дением условия (202) создается' динамометрическими пружинами. 162

Усилия, которые, например, возникают в скобах при электро­шлаковой сварке, на моделях измеряют специальным жестким динамометром (рис. 115, б), устанавливаемым на концах пластин. Если необходимо измерять перемещения, возникающие в процессе сварки, то вместо динамометра на концах пластин устанавли­ваются КрОНШТеЙНЫ С ИН-

дикатором (см. рис. 115, а). На рис. 116 представлены результаты определения перемещений и усилий, измеренных при моделиро­вании на стали Ст. 3. Де­формации отложены с вы­соты 25 мм, когда преодо­левается противодейст­вующий момент.