СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ

ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР РАЗВИТИЯ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ ПРИ СВАРКЕ

Сварка в классическом виде, когда металл подвергается нагреву и расплавлению, является одним из способов горячей обработки металлов со всеми присущими ей процессами расширения металла, образования внутренних усилий, пластических деформаций и оста­точных напряжений.

Основоположником теории термоупругости является русский физик Н. А. Умов [9]. Проблема внутренних напряжений была выдвинута русским металлургом Н. В. Калакуцким; в 1887 г. он указывал на необходимость управления этими напряжениями. Н. Г. Славяиов в своих работах в 1892 г. писал об опасности «вредных напряжений в металле».

Ряд работ по сварочным напряжениям и деформациям появился в период до 30-х годов, главным образом за границей, ссылки на них приведены в книге [37]. В 30-е годы в отечественной литера­туре опубликованы работы Г. В. Бондаренко [12], Г. А. Нико­лаева [79, 81], Л. А. Гликмана и Д. И. Грекова [33], А. В. Дят­лова [37], Н. С. Лейкина [68], Е. О. Патона [92], Н. О. Окер - блома [89] и других авторов [29]. Исследования в этот период были направлены в основном на то, чтобы вскрыть механизм об­разования сварочных напряжений, получить конкретные данные об их величине и наметить пути их расчетного определе­ния. Исследования проводились применительно к низкоуглеро­дистым сталям. Работы этого периода в основном могут быть разделены на две группы: экспериментальные и расчетно-теоре­тические.

В 40-е годы продолжались работы по изучению деформаций и напряжений, возникающих при сварке низкоуглеродистых ста­лей, и наметились в основном две школы: под руководством Г. А. Николаева в МВТУ им. Баумана [36, 74, 78] и под руковод­ством Н. О. Окерблома в ЛПИ им. Калинина [83, 88].

В книге Г. Б. Талыпова [106] дана классификация и анализ работ этого и последующих периодов. Согласно этой классифика­ции расчетно-теоретические работы разделены на два направле­ния: первое — использует «метод фиктивных сил», второе — «рас­сматривает температурную задачу деформируемой среды». При­мерно такой же классификации придерживается и И. П. Тро - чун [111].

По нашему мнению, возможна иная, как нам кажется, более точная классификация расчетно-теоретических работ. Если исхо­дить из представлений о том, что задача о сварочных напряжениях и Деформациях имеет две стороны — термомеханическую и де­формационную, то в этом случае намечается иной подход к оценке выполненных работ.

Подавляющее большинство исследователей [82, 86, 113] ис­пользовали гипотезу плоских сечений при рассмотрении термо­механической задачи. Эта гипотеза является во всех работах основополагающей и в тот период развития теории пластичности, по-видимому, единственно приемлемой. Научный вклад различных ученых в области изучения сварочных напряжений, вероятно, следует оценивать по тому, как они на основе гипотезы плоских сечений решали основную задачу теории сварочных напряжений и деформаций — термомеханическую задачу. Основной заслугой Г. А. Николаева в тот период явилось четкое разграничение зоны сварки на чисто пластическую, упруго-пластическую и упругую зоны [36, 82]. Это обстоятельство отмечает также и Г. Б. Талыпов. Совершенно очевидно, что графо-аналитический метод определе­ния напряжений при сварке, разработанный Г. А. Николаевым, включает в себя рассмотрение температурных деформаций, возни­кающих при нагреве и остывании, и на этой стадии в использо­вании фиктивных сил не нуждается. Разработка расчетного ме­тода подкрепляется экспериментальными исследованиями. При­менительно к двухосной задаче разделение зоны сварки на три зоны использовано также Н. С. Лейкиным [68].

Н. О. Окерблом, решая термомеханическую задачу [83, 88], использует те же самые исходные предпосылки, но рассматривает не одно поперечное сечение, как это делает Г. А, Николаев, а не­сколько. Результаты решения термомеханической задачи двумя мало отличающимися между собой методами качественно оказы­ваются одинаковыми как при сварке встык, так и при наплавке валика на кромку полосы. Позднее Н. О. Окерблом [86] для ре­шения термомеханической задачи также использует одну темпера­турную кривую, но полученную в предположении мгновенной за­варки шва по всей длине на основе теории мощных быстродвижу - щихся источников тепла по Н. Н. Рыкалину.

Другие авторы для решения термомеханической задачи также используют принцип одновременности заварки шва по всей длине. И. П. Трочун [111 ] для определения «зоны активных напряжений» полагает, что в зоне blt где Т >» 550° С, после сварки возникнут напряжения от, а зону Ьа, где Т <550° С, предлагает «учитывать в каждой свариваемой детали», что по существу означает опреде­ление величины этой зоны экспериментальным путем.

Г. Б. Талыпов, используя принцип одновременности заварки шва по всей длине и частично результаты ранее выполненных исследований размеров зон пластичности, определяет распределе­ние напряжений с использованием уравнений теории пластичности. При этом размеры зон пластичности автором назначаются [106].

Для решения деформационной задачи Г. А. Николаев предла­гает использовать результаты графо-аналитического решения термомеханической задачи; прн этом к сварной конструкции для более наглядного представления и простого решения задачи мето­дами сопротивления материалов прикладываются фиктивные силы и моменты.

Н. О. Окерблом [86] для решения деформационной задачи ис­пользует величину 2 которая отличается от фиктивной уса­дочной силы только сомножителем Е (модуль упругости материала). Результаты решения получаются - абсолютно те же, если прикла­дывать фиктивные силы. Заслуга его заключается в том, что он связал величину 2 ^f (фактически величину усадочной силы) с погонной энергией сварки.

С. А. Кузьминов [56, 58] для решения деформационной задачи использует величину объема продольного укорочения, которая также пропорциональна усадочной силе. И. П. Трочун [111] перед тем, как решать деформационную задачу, предлагает раз­делять напряжения на активные и реактивные и прикладывать силы к конструкциям, из сечений которых исключены зоны пла­стичности. При этом конечный результат расчета практически тот же самый, что и в методе фиктивных сил, так как точность реше­ния деформационной задачи всецело зависит от расчетных формул сопротивления материалов, которые остаются теми же самыми в лю­бом методе.

В 50 и 60-е годы внимание к сварочным напряжениям и дефор­мациям возросло. Если в предыдущий период в основном иссле­довали напряжения и деформации в сталях и разрабатывали методы уменьшения сварочных деформаций, то в последний период исследования шли уже по нескольким направлениям:

1. Были продолжены исследования деформаций и напряжений в низкоуглеродистых и низколегированных сталях от поперечной усадки [3, 57, 84 ], а также от точечных сварных соединений [5—7, 41, 42, 87]. Исследовались остаточные напряжения в соединениях большой толщины [15, 16, 20, 43, 60, 67, 76].

2. Появилось значительное количество работ по фактическому определению в производственных и лабораторных условиях ве­личин напряжений и деформаций 140, 71, 99, 108, 117, 119].

3. Начались всесторонние исследования влияния напряжений и деформаций на вибрационную прочность сварных соединений и конструкций [55, 73, 115], на устойчивость сварных конструк­ций при эксплуатации [1, 75, 85, 98, 112]. В значительное направ­ление выделились исследования по технологической прочности сварных соединений как в процессе сварки (горячие трещины), так и в период, непосредственно следующий за процессом сварки (холодные трещины) [46, 94, 95]. Проводили исследования по влия­нию напряжений на коррозионную стойкость в различных средах [103]. Значительное внимание начали уделять сварочным напря­жениям в связи с хрупкостью сталей при низких температурах.

Благодаря работам, проводимым в МВТУ им. Баумана, на­метился новый подход к оценке влияния процесса сварки на хруп­кость при низких температурах, учитывающий величину пласти­ческой сварочной деформации и деформационного старения ме­талла [27].

4. Использование тонколистового металла в крупногабаритных ответственных конструкциях дало толчок к исследованию дефор­маций потери устойчивости листовых элементов [35, 44, 59, 93, 114], а также к исследованию деформаций в оболочковых кон­струкциях от продольных, кольцевых и круговых швов [61, 90].

5. Исследования напряжений и деформаций выполнены на «новых» металлах — сталях аустенитного класса, титановых, алюминиевых и магниевых сплавах, на состаренных и нагартован - ных металлах [2, 45, 48, 49, 63].

6. В связи с развитием исследований, перечисленных в п. 3, 4 и 5, заметно оживились исследования по разработке методов борьбы со сварочными напряжениями и деформациями [39, 50, 104]. Был разработан такой прогрессивный метод, как прокатка швов роликами [23, 62, 64, 66].

7. В ряде работ наметилось использование методов теории упругости [11, 14, 22, 26, 51, 70, 96] и методов теории пластич­ности [43, 106] для решения конкретных сварочных задач.

8. Принципиально новый шаг был сделан при переходе к изу­чению временных деформаций с учетом неодновремепности сварки шва по длине, что было вызвано применением нового способа электрошлаковой сварки [13, 14, 17 [.

9. Началось применение цифровых вычислительных машин для исследования процессов, что дало качественно новые результаты. Оказалось возможным поставить и разрешить термомеханическую задачу при сварке с учетом неодновременное™ заварки шва по длине, переменного предела текучести и модуля упругости металла.

[1] Напряжения Оу и хху по краю пластины равны нулю, так как поверхность алла свободна от нормальных и касательных напряжений, sign х означает знак величины х.

[2] Решение выполнено совместно с А. Г. Григорьянцем.

[3] Исследования проведены совместно с А. Г. Григорьянцем.

[4] Умножение деформаций иа Е допустимо в случае идеально пластичного металла, когда, при пластической деформации отсутствует упрочнение.

[5] В данном случае формула приведена с коэффициентом 3,53-10"в, так как в работе [86] количество тепла выражено в калориях, а не в джоулях.

[6] Результаты получены совместно с А. С. Газаряном.

[7] Экспериментальные данные получены В. И. Лощиловым.

[8] Участок (1 — kp) h, находящийся в верхней части шва при высоких тем­пературах, не сопротивляется деформациям и из расчета исключен.

[9] В исследовании принимали участие А. С. Газарян, В. М. Сагалевич и В. С. Гаврилкж.

[10] Измерения проведены совместно с А - С. Газаряном.

[11] Перемещение и вычислено по напряжениям аф на контуре круглой пла­стинки (рис. 9. 16 в работе [31]).

[12] Экспериментальная разработка метода проведена совместно с С. А. Кур­киным.

[13] Испытания проводились совместно с М. Н. Скурихиным.

[14] Установка разработана совместно с В. В. Николаевым.

[15] Метод предложен С. А. Куркиным, а затем разработан совместно с автором.

[16] Данные получены В. М. Сагалевичем и А. В. Вершинским.