СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ

Сварочные деформации и напряжения

Винокуров В. А.

Сварка как способ соединения материалов получила широкое развитие. Преимущества сварных соединений по сравнению с дру­гими типами неразъемных соединений весьма значительны. Однако процесс сварки не свободен от недостатков. В процессе сварки воз­никают напряжения и деформации, которые в ряде случаев могут оказать отрицательное влияние на качество сварной конструкции. Во время изготовления сварных конструкций искажаются проект­ные формы и размеры изделий, на восстановление которых затра­чивается много труда. Между тем правильное построение техно­логического процесса сборки и сварки, а также выбор рациональ­ных режимов сварки, как правило, позволяют избежать чрезмер­ных деформаций. Большими возможностями для уменьшения де­формаций располагают также конструкторы.

В условиях эксплуатации остаточные напряжения и пласти­ческие деформации металла могут способствовать уменьшению прочности, коррозионной стойкости, жесткости или точности свар­ной конструкции. Обоснованное и грамотное применение методов устранения остаточных напряжений позволяет, с одной стороны, экономно изготовлять сварные конструкции, с другой — суще­ственно повысить их качество и надежность.

В настоящей монографии изложены современные представле­ния о термомеханических процессах при сварке, составленные на основе теоретических и экспериментальных исследований свароч­ных напряжений и деформаций; рассмотрены существующие спо­собы их устранения. В книге использованы материалы исследова­тельских работ, проведенных в МВТУ им. Баумана, и некоторые результаты исследований других авторов. Ряд пунктов главы I и некоторые пункты других глав базируются на положениях тео­рии упругости и пластичности, а поэтому для ознакомления

3

с ними требуются некоторые специальные знания. В книге наряду с применяемыми в настоящее время единицами измерения приве­дены единицы измерения по системе СИ (последние взяты в скобки) в соответствии с ГОСТом 9867—61.

Автор выражает благодарность д-ру техн. наук проф. Г. А. Ни­колаеву за инициативу в постановке многих исследований, на­шедших отражение в книге, а также за помощь и советы в работе над ней. Некоторые исследования проведены автором совместно с д-ром техн. наук проф. С. А. Куркиным и кандидатами техн. наук В. М. Сагалевичем и А. С. Газаряном.

X — коэффициент теплопроводности, дж/см-сек0С су— объемная теплоемкость, дж/см3-°С А»

а = коэффициент температуропроводности, см3/сек

СУ

aj — коэффициент теплоотдачи, дж/см2 ■ сек• С Ь — коэффициент температуроотдачи для пластины,

а — коэффициент линейного расширения,

(мі

Т — температура точек тела, °С

q — эффективная тепловая мощность источника нагрева, дж/сек

vc — скорость перемещения источника тепла, см/сек t — время, сек х, у, г — прямоугольные координаты г = У Xі + у2 — радиус-вектор

и, v — перемещения в направленнях х у

w — перемещение в направлении г в пластинах и в напра­

влении, перпендикулярном поверхности листа, в оболочках f — прогиб в элементах типа балок, см Ф — угол поворота сечения в элементах типа балок, рад 0 — угловое взаимное перемещение (угловой поворот) элемен­тов деталей или конструкций, рад Р — угловая деформация (угол изгиба) листа в плоскости, перпендикулярной шву, рад &поп — поперечная усадка, возникшая в результате сварки, см

Апр — продольная усадка элементов, возникшая в результате

сварки, см 6 — толщина пластины, см к — катет шва, см

h — высота заваренного шва при электрошлаковой сварке, см tnp — шаг прерывистого шва

— длина заваренного участка у прерывистого шва В — ширина пластины 2В — ширина сварной пластины образованной из двух одина­ковых пластин

2Ьп — ширина зоны пластических деформаций в сварном соеди­нении

2Ьр — ширина зоны растягивающих остаточных напряжений в сварном соединении J — момент инерции сечения, см4 S — статический момент части сечения, см3 F — площадь сечения, см2

ar, at — радиальные и тангенциальные напряжения в полярных координатах Е — модуль упругости первого рода р — коэффициент поперечной деформации

£

G = ■ - ■ -—г модуль упругости второго рода

і (1 ~~ Цг)

К = - г.----------------------------------- объемный модуль упругости

(1

oj — предел текучести металла

— относительная деформация, соответствующая aj іокш’ Уокт — октаэдрические касательное напряжение и сдвиговая деформация воет — остаточное напряжение Рус — усадочная сила, действующая вдоль сварного соединения Ко, К і — функции Бесселя второго рода нулевого и первого порядка

Теория сварочных напряжений и деформаций является одним из наиболее сложных разделов науки о сварке, объединяющим вопросы теплопроводности, упругости, пластичности и ползучести металлов в широком диапазоне быстро изменяющихся температур. В ряде случаев еще не представляется возможным во всей полноте отразить термомеханические процессы, происходящие в металле во время сварки и остывания конструкции. Точные количествен­ные зависимости не могут быть получены главным образом вслед­ствие недостаточного развития теории пластичности тел с пере­менным модулем упругости и переменным пределом текучести ме­талла в случае перемещающихся полей напряжений.

Теория сварочных напряжений и деформаций развивается как приближенная прикладная наука, призванная ответить на не­которые практические вопросы технологии изготовления и эксплуа­тации сварных конструкций-? Расширение и сокращение металла в процессе нагрева и остывания при сварке сопровождается обра­зованием деформаций. При этом вследствие неравномерного на­грева деформации, как правило, не протекают беспрепятственно. В теле образуются напряжения, которые часто достигают значений предела текучести. Процесс нагружения металла в этом случае сопровождается пластической деформацией. Деформации металла в отдельных точках приводят к образованию перемещений в свар­ных конструкциях, в результате чего нарушаются их формы и размеры.

Исторически сложилось так, что в большинстве случаев под названием «сварочные деформации» фактически понимают переме­щения отдельных точек сварной конструкции, а не деформации металла, как это рассматривается в теории упругости и пластич­ности. Несмотря на то, что деформации, напряжения и перемеще­ния между собой связаны, изучение их зачастую производилось обособленно. Это обстоятельство отразилось и на расположении материала в данной книге: вначале рассмотрены деформации и напряжения в металле, а затем перемещения в сварных соедине­ниях и конструкциях.

Деформации и напряжения в металле сварных конструкций влияют главным образом на их прочность, в то время как пере­мещения — на технологический процесс изготовления и на иска­жение геометрических форм сварной конструкции. Влияние де­формаций, напряжений и перемещений в сварных соединениях и конструкциях на их прочность, жесткость и коррозионную стой­кость в научной литературе освещено еще слабо. Подобные иссле­дования начали развиваться лишь в последние 10—15 лет. Уже в основном разработаны методы определения сварочных деформа­ций, напряжений и перемещений, а также технологические приемы их регулирования и устранения. Этим вопросам и посвящена на­стоящая монография.