Расчетные методы
Наиболее современным и точным способом определения напряженно-деформированного состояния как на поверхности, так и в глубине деталей является моделирование сварочных процессов на компьютере методом конечных элементов. Существует много авторских и профессиональных программных комплексов для больших и персональных компьютеров, которые различаются по сложности доступных для моделирования конструкций и по полноте охвата процессов, протекающих при различных способах сварки.
Расчет сварочных деформаций и напряжений состоит из определения: а) температурных полей при сварке; б) механических свойств материала, зависящих от температуры; в) температурных деформаций и деформаций от структурных превращений; г) собственных деформаций, напряжений и перемещений.
В результате моделирования определяют сначала временные, а затем остаточные напряжения, деформации и перемещения. Продолжение процесса моделирования для стадии эксплуатации сварной конструкции позволяет определить характер взаимодействия остаточных напряжений с рабочими напряжениями, возникающими при эксплуатационных нагрузках. Для проведения расчета кроме информации о форме и размерах конструкции необходимы следующие исходные данные:
1) характеристики сварочного источника нагрева (мощность и ее распределение по пятну нагрева, скорость сварки, порядок укладки швов), условия теплоотвода и температурные зависимости теплофизических свойств материалов (коэффициентов теплоемкости ср, теплопроводности X, теплоотдачи с поверхности ат). Справочные данные приведены в разд. 5.1;
2) характеристики температурного расширения (дилатограм - мы) материалов, образующих сварное соединение. В случае сварки разнородных материалов или применения присадочного материала, отличающегося от основного, эти характеристики для разных зон соединения могут не совпадать. Для приближенных расчетов используют усредненную дилатограмму, соответствующую линейной зависимости Дєа=аД7 Точное построение дилатограм - мы требует проведения испытаний в условиях, близких к реальному сварочному циклу;
3) механические свойства материала для расчета деформаций и напряжений в низкотемпературной зоне, где не возникают пластические деформации, могут быть представлены модулем упругости Е и коэффициентом Пуассона р. Более точные методы, учитывающие пластические деформации, упрочнение и ползучесть, требуют для каждого материала проведения испытаний при различных напряжениях, температурах и скоростях деформации. Получаемые в серии таких испытаний характеристики могут быть использованы при расчете сварочных деформаций и напряжений.
Расчет, как правило, проводят по неизотермической теории течения на основе модели идеального упругопластического материала (см. разд. 11.4.2). Существует также метод пластических приближений. На основе приближенного расчета сварочных деформаций по упрощенной модели поведения материала проводят испытания, имитирующие термодеформационный цикл сварки (см. разд. 11.4.3). Полученные в результате этих испытаний напряжения используют при уточняющих расчетах в качестве характеристик материала, отражающих его реальное поведение с учетом релаксации и упрочнения.