ТЕОРИЯ сварочных процессов

Теоретические методы определения сварочных деформаций и напряжений

ГРАФОРАСЧЕТНЫЕ МЕТОДЫ

Для определения продольных деформаций и напряжений при наплавке валика на кромку полосы и при сварке узких пластин встык используется графорасчетный метод, разработанный Г. А. Николаевым.

При этом принимается:

1) гипотеза плоских сечений, устанавливающая, что попереч­ные сечения пластин в процессе сварки не искривляются;

2) гипотеза одноосных напряжений, согласно которой в сва­риваемых пластинах возникают лишь напряжения ах

3) схематизация свойств материала в виде диаграммы иде­ального упругопластического тела с постоянным значением 0т до Т = 773 Кис последующим линейным изменением его до 0Т =0 при 7=873 К Остальные теплофизические и меха­нические свойства считают постоянными.

В этом методе решения рассматривается квазистационарное температурное состояние в пластине. Деформации и напряжения на стадии нагрева определяют в поперечном сечении пластины, где зоиа разогрева до 873 К имеет максимальную ширину. Напряжения и пластические деформации укорочения в этом се­чении определяются из условия равновесия внутренних сил, вы­полняемого в результате графических построений [17]. Анало­гичные построения выполняют для сечения пластины в зоне полно­го остывания, в результате чего определяют остаточные напря­жения и деформации.

По результатам расчетов, выполненных для низкоуглеро­дистых сталей, остаточные продольные напряжения 0ХОСт в шве и околошовной зоне равны пределу текучести металла, что удов­летворительно согласуется с многочисленными эксперименталь­ными данными.

В дальнейшем метод Г. А. Николаева получил развитие в ра­ботах Н. О. Окерблома. Было предложено рассматривать не одно сечение, а ряд сечений на стадии нагрева и охлаждения. При этом для каждого сечения выполняют графические построения, аналогичные рассмотренным выше, с последовательным учетом накапливаемых пластических деформаций. Это позволяет более точно определять напряжения в процессе сварки, а остаточные напряжения в шве и околошовной зоне также оказываются равными пределу текучести металла. Однако осуществлять вруч­ную графорасчетные построения для ряда сечений трудно, и поэтому метод Н. О. Окерблома нашел практическое применение лишь в последние годы при численной реализации его на ЭВМ.

Графорасчетные методы просты и наглядны, хорошо иллюст­рируют механизм образования продольных деформаций и напря­жений при сварке. Кроме этого, они имеют и практическое значе - ниє для определения остаточных деформаций и напряжений. В частности, зная относительные деформации укорочения пласти­ны Воет, нетрудно определить продольное остаточное укорочение пластины

Апрод== С ост А, (11.9)

где L — длина пластины.

Результаты расчетов по формуле (11.9) удовлетворительно совпадают с экспериментальными данными, полученными на уз­ких пластинах из низкоуглеродистой стали. Узкими пластинами в данном случае следует считать такие, при сварке которых шири­на зоны пластических деформаций 2Ь„Л меньше ширины пласти­ны 2В в 3...4 раза, т. е. понятие ширины пластины при сварке связано непосредственно с шириной зоны нагрева и соответствен­но с шириной зоны пластических деформаций.

Графорасчетные методы можно использовать для определения остаточных продольных напряжений сг*0ст при сварке низкоугле­родистой, а также аустенитной коррозионно-стойкой стали. По результатам экспериментов значения остаточных напряжений в шве и околошовной зоне для этих материалов близки к пределу текучести, т. е. к расчетному значению.

Для титановых, алюминиевых, магниевых сплавов графорас­четные методы Г. А. Николаева и Н. О. Окерблома не рекомен­дуется применять, так как остаточные напряжения в шве по экс­периментальным данным получаются меньше предела текучести. Это несоответствие объясняется не только искривлением сечений и нарушением принятой гипотезы плоских сечений, но и в значи­тельной степени недостаточно точным учетом изменения свойств материалов от температуры. Поэтому дальнейшее совершенство­вание графорасчетных методов осуществлялось в направлении более точного учета изменения свойств. При сварке реальных конструктивных элементов (в отличие от наплавки валика на кромку полосы и сварки встык узких пластин) существует, как правило, сложное напряженное состояние, для которого нельзя применять графорасчетные методы. В этом случае следует применять методы, основанные на использовании теории упру­гости и пластичности.

МЕТОДЫ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ АППАРАТ ТЕОРИИ

УПРУГОСТИ И ПЛАСТИЧНОСТИ

Для решения задач по определению напряжений, возникаю­щих в теле при неравномерном распределении температур, ис­пользуется математический аппарат теории упругости. Принимая условие независимости свойств материала от температуры и используя закон Гука, определяющий линейную связь напряже­ний и деформаций, удалось получить ряд решений применительно к нагреву различных конструкций. Однако сварочный процесс связан с изменением температуры в значительных пределах и, как следствие, с пластическими деформациями Поэтому очень редко в сварке встречаются случаи, когда теория упругости может быть применена для количественного анализа сварочных напря­жений. Но теория упругости может успешно применяться в сварочных задачах, так как:

1) решение температурной задачи теории упругости в компо­нентах деформаций и перемещений пригодно для практических целей, и в теории сварочных деформаций ряд решений успешно используется;

2) при точном упругопластическом решении результаты упру­гого решения представляют собой первое приближение, т. е. это как бы первый этап решения упругопластической задачи.

С помощью метода упругих решений выполнены решения за­дач о распределении напряжений при осесимметричном нагреве применительно к точечным электрозаклепочным сварным соеди­нениям, а также о напряжениях в бесконечной пластине при нагреве ее движущимся линейным источником и др.

Более точные количественные соотношения при решении задач о сварочных деформациях и напряжениях могут быть получены лишь при помощи теории пластичности в условиях переменных температур. Математический аппарат теории плас­тичности основан на нелинейных зависимостях между компо­нентами напряжений и деформаций в пластической области. Поэтому здесь уже нельзя непосредственно пользоваться методом решения температурных задач в теории упругости, основанным на суммировании напряжений.

Наиболее распространен для задач теории пластичности прин­цип упругих решений, основанный на представлении решения пластической задачи в виде решения последовательно уточняе­мых задач теории упругости с некоторыми дополнительными условиями. В зависимости от формулировки дополнительных условий используются различные итерационные схемы, на кото­рых на каждой итерации осуществляется решение упругой задачи.

В основе методов упругих решений лежит итерационный про­цесс уточнения дополнительных условий. С использованием этих принципов разработаны методы решения упругопластических задач для определения деформаций и напряжений при различных случаях сварки [4]. Решение задач этими методами осуществ­ляется в численном виде на ЭВМ. Результаты решения позволя­ют анализировать как временные напряжения в процессе сварки, так и остаточные после сварки. Разработанные алгоритмы ис­пользуют для решения одноосных задач (наплавка валика на кромку полосы, сварка встык узких пластин), задач плоского напряженного состояния (сварка встык широких пластин, сварка круговых швов на плоских и сферических элементах, сварка кольцевых швов на тонкостенных цилиндрических оболочках, сварка поясных швов в тавровых и других сварных соединени­ях), задач плоской деформации (многослойная сварка встык с

различными разделками, наплавка валика на толстые листы и др ). При решении задач в численном виде свойства металлов в процессе сварки могут задаваться как в виде изотермических характеристик, так и в виде термодеформограмм, полученных в процессе специальных испытаний (см. п 11.3). В последнем случае обеспечивается высокая точность результатов решения.