Деформации, напряжения и перемещения

Деформации, напряжения и перемещения относятся к сопутствующим сварочным процессам, оказывающим отрицательное воздействие на конструкцию в процессе ее производства и в последующем, снижая ее эксплуатационные характеристики, ухудшая качество. Так, напряжения в сварной конструкции уменьшают величину усталостной прочности, особенно если в сварном соединении имеется концентратор напряжений. Это хорошо видно из сравнения (рис. 4.5) усталостной прочности сварного образца с надрезом из сплава АМгб при симметричном нагружении при наличии (кривая 2) и отсутствии (кривая 2) остаточных напряжений: в последнем случае усталостная прочность значительно выше. В реальных конструкциях роль надреза, т. е. концентратора напряжений, может выполнять непровар, трещина и т. п. Форма шва также определяет характер распределения напряжений: наличие усиления сверху и снизу шва вызывает в месте перехода от шва к основному металлу концентрацию напряжений. Далее приводятся экспериментальные данные по повторно-статической выносливости сварных соединений из сплава ВАД23 в зависимости от формы шва (табл. 4.2).

Таблица 4.2

Наибольшие показатели имеют швы со снятым усилением сверху и снизу, т. е. при отсутствии концентраторов напряжений.

Рис. 4.5. Усталостная прочность сварных образцов с надрезом при наличии остаточных напряжений и без них.

Если в сварном элементе возникли снижающие напряжения, они уменьшают его устойчивость, суммируясь с напряжениями от внешних сжимающих нагрузок. Возможна местная потеря устойчивости в сварных конструкциях только от воздействия внутренних сварочных напряжений.

Растягивающие напряжения, вызванные сваркой, могут стать причиной ускорения межкристаллитной коррозии и коррозионного растрескивания, а при сварке металла больших толщин при наличии трехосного напряженного состояния — хрупких разрушений.

Пластические деформации и напряжения в сварной конструкции ухудшают технологическую прочность сварного соединения. В результате в швах или околошовной зоне могут образовываться трещины. Практика эксплуатации сварных конструкций свидетельствует о том, что напряжения снижают их сопротивляемость хрупким разрушениям. Они же могут искажать размеры конструкций и понижать точность изготовления из-за перераспределения напряжений при снятии части металла в результате, например, обработки резанием.

Изменения формы и размеров изделия, вызванные сваркой, затрудняют сам процесс сварки, последующую сборку, ухудшают эксплуатационные характеристики изделия, его внешний вид.

Конструктору, как и технологу, необходимо знать причины возникновения деформаций, напряжений и перемещений, владеть полным арсеналом средств, позволяющих предупредить их или уменьшить их величину. Современные инженерные методы расчета позволяют уже на стадии проектирования определять в конструкциях несложной конфигурации напряжения и деформации и исходя из полученных данных выбирать из нескольких конструктивно-технологических вариантов оптимальный.

Деформации. Процесс возникновения деформаций при сварке достаточно сложен. Его можно представить как следствие неравномерного нагрева, усадки расплавленного металла при его охлаждении и последующей кристаллизации, объемноструктурных превращений.

Деформации принято делить на температурные, наблюдаемые и собственные.

Температурные деформации е_а определяются физической характеристикой материала — коэффициентом его температурного удлинения, а и температурой нагрева Г:

Наблюдаемые деформации — это линейные (е_н) и угловые (v_H) изменения размеров сварного изделия.

Собственные (внутренние) деформации, существующие и без наличия внешних сил, представляют собой упругие (е_упр и v_ynp) и пластические (е_пл, у_пл) деформации. Легко представить, что наблюдаемые линейные деформации е_н = + е_к, а угловые v_H = v^p + v_M.

Если под влиянием какого-нибудь процесса возникли деформации е₀ и v₀, предшествующие пластическим, то общая величина наблюдаемых деформаций и линейных, и угловых возрастает на их величину, т. е.

Напряжения. При анализе напряжений, вызванных сваркой, наибольший интерес представляют собственные напряжения. Собственные напряжения в зависимости от характера сил, явившихся причиной образования напряжений, классифицируют:

• 1) на вызванные механическим упругим или пластическим деформированием при сборке, монтаже и правке;
• 2) вызванные упругими и пластическими деформациями вследствие неравномерного нагрева деталей;
• 3) возникшие в результате структурных и фазовых превращений вследствие неравномерного изменения объема тел.

Собственные напряжения, уравновешенные в пределах макрообъема, относят к напряжениям 1-го рода, уравновешенные в пределах зерен — к напряжениям 2-го рода, в пределах кристаллической решетки — к напряжениям 3-го рода.

Напряжения могут существовать только в период технологической операции или протекания физического процесса, например сварки. Такие напряжения получили название временных. Противоположно им, остаточные напряжения сохраняются в конструкции в течение длительного времени.

Перемещения. Перемещения элементов сварных конструкций представляют собой прогибы, углы поворота, укорочения и т. п. и являются следствием деформаций.

Перемещения точек конструкции и деформации (линейные и угловые) в соответствующей системе координат XYZ связаны между собой следующими соотношениями: где u, v и со — соответствующие перемещения по осям OX, OY и OZ.

Существует несколько методик определения временных и остаточных сварочных напряжений.

Как правило, при определении деформаций и напряжений вводится ряд допущений, которые заключаются в том, что теплофизические характеристики металла, его модуль упругости Е принимаются не зависящими от температуры, а предел текучести а_т и предел прочности а_в — изменяющимися в соответствии с идеальной диаграммой упругопластического тела. Кроме того, принимается, что напряжения при сварке одноосны, поперечные сечения остаются в процессе деформирования плоскими, а температурное состояние в свариваемом элементе предельное.

Образование напряжений и деформаций вследствие неравномерного нагрева проиллюстрируем на примере сварки встык двух пластин (рис. 4.6).

Температурные деформации каждого волокна соответствуют температуре нагрева, что дает возможность построить кривую температурных деформаций е_а = аТ (см. рис. 4.6 — деформации укорочения отложены вниз, удлинения — вверх). Но так как сечения пластин остаются плоскими, то концы волокон не расположатся согласно кривой е_а, а займут одинаковое положение е_н. Положение линии mm' выбирается из условий равенства суммы собственных напряжений сжатия и растяжения в пределах сечения I—I. Вертикальные отрезки между кривой е_а и линией mm' будут представлять собой полную деформацию, равную.

? + ?

^упр ¹ ‘-'пл*.

Упругая составляющая полных деформаций е_упр < а_т/Е, поэтому, если отложить от линии mm' значение а/?, то все деформации больше этой величины следует отнести к пластическим (заштрихованы наклонно). Кроме того, повышение температуры при сварке снижает предел текучести. Принято, что при Г > 900 К = 0, поэтому зона пластических деформаций расширяется и ограничивается соответствующей изотермой (рис. 4.6, б), изменяя этим общий вид эпюры упругих деформаций (заштрихована вертикально).

Остаточные деформации и напряжения возникнут после того, как пластины остынут, т. е. при Т = 0. Величину остаточных деформаций можно определить из уравнения (4.5):

Если Т = 0, то и один из членов этого уравнения, а именно е_а = 0.

Рис. 4.6. Образование остаточных напряжений и деформаций при неравномерном нагреве:

а — распределение температур и деформаций в сечении I—I; б — температурное поле в пластине при сварке; в — эпюра остаточных напряжений в пластине Начальные деформации е₀, очевидно, представляют собой те пластические деформации, которые возникли при нагреве и уже были отмечены наклонной штриховкой на эпюре деформаций (см. рис. 4.6, а). На эпюре остаточных деформаций (см. рис. 4.6, б) они показаны кривой afcfa'. Далее для графического определения остаточных деформаций разделяют деформации на е_упр и аналогично тому, как это делалось при нагреве, и находят положение линии пп', при котором сумма растягивающих упругих и сжимающих напряжений будет равна нулю. Именно эти упругие деформации (показаны вертикальной штриховкой) являются остаточными.

Остаточные напряжения.

В некоторых случаях необходимо знать величину остаточных пластических деформаций е_пл ост. Они представляют собой разницу между пластическими деформациями при нагреве и остывании:

Зная значение остаточной пластической деформации, можно определить силу, вызывающую укорочение пластин после сварки, так называемую усадочную силу:

где 2Ь_п — ширина зоны пластических деформаций; 5 — толщина пластины.

У материалов, которые имеют структурные превращения с изменением объема кристаллической решетки, например в некоторых сталях распад остаточного аустенита в мартенсит, характер эпюры внутренних напряжений может значительно измениться. При нормальных и пониженных температурах аустенит превращается в мартенсит, объем решетки которого больше объема решетки аустенита. В результате этого в сварных швах появляются остаточные напряжения сжатия, а в прилежащей зоне — растяжения. Они суммируются с напряжениями от неравномерного нагрева и усадки металла. Характер такой суммарной эпюры остаточных напряжений для мартенситно-стареющей стали ВНС-2 (08Х15Н5Д2Т) показан на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Распределение остаточных напряжений в сварном образце, полученном аргонодуговой сваркой (наплавка на массивную деталь).

Структурные превращения происходят в течение длительного времени, поэтому сварные изделия из таких сплавов могут изменять форму и размеры через несколько часов, дней и даже месяцев после сварки. Их нельзя подвергать окончательной механической обработке непосредственно после сварки без термообработки.

Другими причинами деформирования изделий с течением времени после сварки являются релаксация остаточных напряжений, вызванных сваркой, а также ползучесть металла.

Весь комплекс мер, направленных на уменьшение или полное исключение деформаций и напряжений, условно можно отнести к конструктивным и технологическим. Технологические меры преимущественно осуществляются технологом в процессе изготовления конструкции и ее узлов.

К конструктивным мерам относятся те, которые принимаются уже на стадии проектирования конструктором.

К конструктивным мероприятиям, направленным на уменьшение пластических деформаций и напряжений, относят следующие.

• 1. Выбор рационального метода сварки. Переход на применение методов сварки с высококонцентрированными источниками нагрева существенно снижает величину погонной энергии, приводит к уменьшению объема расплавляемого металла и, как следствие, деформаций и напряжений.
• 2. Уменьшение катета сварного шва благодаря совершенствованию расчетных методов и применению материалов с повышенными механическими свойствами. Наряду с уменьшением деформаций и напряжений это способствует экономии металла, снижению массы конструкции, что само по себе является непременным условием создания современного летательного аппарата.
• 3. Уменьшение в конструкциях количества сварных швов, в том числе за счет применения рациональных профилей, а также исключение необоснованных пересечений швов, удаление их друг от друга.
• 4. Сокращение числа или полное исключение различного рода концентраторов напряжений. В этом смысле стыковое соединение предпочтительнее нахлесточного, углового и т. п. Следует обращать внимание и на обеспечение благоприятной формы шва с более плавным переходом от основного металла к шву.

К технологическим мерам, уменьшающим деформации и напряжения, относятся следующие.

• 1. Предварительный и сопутствующий подогрев перед сваркой. Их положительное воздействие в отношении снижения уровня сварочных деформаций и напряжений связано с уменьшением неравномерности нагрева, напряжением величины предела текучести, изменением характера структурных превращений вследствие замедления скорости охлаждения металла.
• 2. Термообработка (отпуск) после сварки. Температуру нагрева изделия при отпуске назначают исходя из необходимого уровня снижения сварочных напряжений и одновременного сохранения требуемых прочностных свойств металла.
• 3. Усиленный отвод тепла от шва, что рекомендуется при сварке тонкостенных полотнищ, обшивок и т. п. Достигается это применением медных подкладок, охлаждаемых изнутри водой. Если сварочное приспособление спроектировано вместе с охлаждаемыми технологическими подкладками, то эффективность его как средства, снижающего деформации, значительно возрастает. На рис. 4.8, а приведена схема конструкции из стали 12Х18Н10Т, включающей в себя нижнее 1 и верхнее полотнище 2, свариваемое с утолщенным листом 3, передней и задней кромкой 4. Благодаря использованию специальных водоохлаждаемых подкладок (рис. 4.8, б и в) и автоматизации сварки удается существенно снизить деформации (табл. 4.3). Как видно, стрела прогиба при сварке на охлаждаемой подкладке уменьшается в несколько раз.

Таблица 4.3

Рис. 4.8. Общая схема свариваемого узла (о) и сварки его отдельных элементов (б) и (в) с применением охлаждаемых подкладок

4. Уменьшение деформаций и остаточных напряжений вследствие пластического обжатия металла шва и прилежащей к нему зоны. Глубина деформированного слоя может быть различной в зависимости от способа, усилий на деформирующем инструменте и толщины металла.

При пластическом деформировании в шве возникают сжимающие напряжения, которые, суммируясь с растягивающими напряжениями от сварки, существенно снижают остаточные напряжения. Пластическое деформирование осуществляется прокаткой роликами или проковкой. Проковка металла производится в холодном состоянии или сразу после сварки, когда металл еще нагрет до высокой температуры. В таком случае бойковый инструмент движется вслед за горелкой. Существующие методы проковки кромок до сварки дают меньший эффект из-за действия последующего сварочного нагрева.

Одним из новых способов уменьшения остаточных напряжений в сварных швах является обработка взрывом. Так же как и при прокатке, в зоне действия растягивающих напряжений возникают в результате взрыва напряжения сжатия. В итоге остаточные напряжения уменьшаются (рис. 4.9).

Наличие поверхностных напряжений сжатия, особенно в местах концентраторов, вызванных обработкой взрывом, препятствует зарождению трещин и способствует, в частности, повышению усталостной прочности.

Рис. 4.9. Распределение продольных остаточных напряжений в образце с пересекающимися швами:

1 — после сварки; 2 — после сварки и взрывной обработки Для уменьшения остаточных напряжений иногда применяются вибрационные нагрузки. Необходимым условием эффективности вибрационной обработки является соизмеримость амплитуды деформаций от вибрации с остаточными упругими деформациями.

Ультразвуковые колебания также применяются для снижения уровня остаточных напряжений. При достаточной их мощности можно добиться уменьшения напряжений на 80—100%, при этом происходит повышение предела текучести для алюминиевых сплавов на 30%. Ультразвук подводится к сварному шву через специальный многобойковый инструмент.

При использовании пластического обжатия металла шва и околошовной зоны, особенно вследствие энергии взрыва, вибраций, ультразвука, необходимо выбирать такие режимы, чтобы не происходило внутренних нарушений целости металла. Назначение подобной обработки зависит от степени пластичности металла.

С целью уменьшения перемещений применяются также конструктивные и технологические меры. Среди конструктивных можно назвать и часть тех, которые уже были рассмотрены при анализе деформаций и напряжений, например рациональный выбор метода сварки, уменьшение размера катета шва и количества швов в целом.

Дополнительно к ним следует отнести следующее.

• 1. Проектирование таких сварных элементов, в которых влияние отдельных сварных швов взаимно уравновешено. Примером может служить симметричное сечение двутавровой балки.
• 2. Установка продольных ребер жесткости для предупреждения потери устойчивости в тонкостенных сварных элементах большой длины, а также использование гофрированных полотнищ вместо плоских.
• 3 Применение двухсторонней сварки с Х-образной разделкой (рис. 4.10, а, б) или установка ребер жесткости (рис. 4.10, в, г) позволяют уменьшить угловые перемещения.

Рис. 4.10. Угловые деформации оц и а₂ при сварке стыкового соединения и таврового:

а — с односторонней разделкой кромок; б — с двухсторонней; в — без ребер жесткости; г — с ребрами жесткости Достаточно широк арсенал технологических мер, направленных на предотвращение и уменьшение перемещений. Наиболее часто применяемые из них следующие.

1. Сварка в жестких приспособлениях, препятствующих свободному развитию деформаций.

Равномерный и надежный прижим заготовок малой толщины достигается тем, что разрезные клавиши обладают повышенной гибкостью и плотно прилегают к опорной балке.

• 2. Увеличение жесткости конструкции в результате предварительной сборки ее элементов с помощью прихваток — коротких швов (длиной 5—25 мм), располагающихся друг от друга в зависимости от толщины свариваемых деталей на расстоянии 50—300 мм. Однако установка прихваток имеет ряд недостатков: прихватка может стать местом, где образуется непровар, пористость или трещина, особенно когда режим последующей сварки подобран без учета наличия прихваток.
• 3. Рациональная последовательность наложения швов, а также сборки и сварки узлов в единую конструкцию.
• 4. Использование предварительного растяжения элементов конструкции и обратного прогиба. Примером применения последнего в производстве летательных аппаратов является выштамповка кромок отверстий перед вваркой в них фланцев, заглушек и т. п.

Если не принять надлежащих мер, то после вварки фланцев в результате усадки расплавленного металла шва происходит перемещение, показанное на рис. 4.11, а. Поэтому перед сваркой кромки детали 1, в которую вваривается фланец 2, выгибают, создавая благодаря пластической деформации остаточный обратный прогиб/_обр =/_св (рис. 4.11, б). Перемещения после сварки в таком случае будут направлены на обеспечение необходимой конфигурации узла (рис. 4.11, в).

Способом уменьшения местной деформации при вварке фланцев в цилиндрические и сферические оболочки конструкций летательных аппаратов является упругое деформирование околошовной зоны. Сущность его заключается в том, что кромки и часть оболочки упруго выгибают в направлении, противоположном ожидаемым перемещениям. Уменьшение перемещений достигается благодаря формированию при выгибе в продольном направлении относительно будущего шва растягивающих напряжений, которые, суммируясь в процессе сварки с сжимающими сварочными напряжениями, приводят к уменьшению величины результирующих напряжений. Этим самым сокращается зона пластических деформаций, снижается величина остаточных сварочных напряжений, особенно радиальных, по сравнению со сваркой без упругого деформирования околошовной зоны.

Рис. 4.11. Деформации при вварке фланца.