Снижение сварочных деформаций тонкостенных панелей теплообменных аппаратов

Основное направление развития современного машиностроения это автоматизация производства. Для сварочного производства высшей степенью автоматизации является роботизация. Роботизация изготовления простых и жёстких конструкций, как правило, приводит к получению продукции высокого качества. Однако среди всего многообразия металлоконструкций, изготавливаемых с применением дуговой сварки, особое место занимает большая группа изделий, для которых характерна малая жёсткость и наличие большого количества близко расположенных круговых швов. В работе в качестве примера рассматривается теплообменник — узел бытового газового обогревателя. Процесс дуговой сварки, указанных конструкций, в силу неравномерности нагрева изделия сопровождается появлением временных и остаточных деформаций. Это значительно осложняет внедрение неадаптивных роботов и автоматов в сварочное производство маложестких конструкций с близкорасположенными круговыми швами.

При выполнении ручной дуговой или механизированной сварки, временные перемещения, как правило, не осложняют процесса сварки, так как сварщик ориентируется на действительное положение кромок и позиционирование электрода относительно стыка не вызывает затруднений. При сварке конструкций с близким расположением швов, деформации и перемещения, возникающие после выполнения части швов, могут изменять первоначально заданное расположение ещё не сваренных элементов, т. е. приводить к отклонению положения стыка от запрограммированной траектории движения электрода. Поэтому, при сварке с использованием неадаптивных сварочных роботов или автоматов, позиционирование свариваемых кромок и конца электрода для каждого очередного шва требует учёта как временных, так и остаточных перемещений. Это в некоторых случаях ставит под сомнение принципиальную возможность применения неадаптивных роботов для сварки подобных конструкций.

Экспериментально показано [1], что при выполнении круговых швов в тонких панелях образуются деформации в плоскости и из плоскости, а так же потеря устойчивости. деформация отбортовка панель шов Деформации являются результатом двух одновременно протекающих физических процессов — теплового расширения металла и силового взаимодействия соседних неодинаково нагретых зон. По литературным данным [2, 3] установлено, что после сварки кругового соединения в результате продольной и поперечной усадки сварного шва в шве и зоне пластической деформации возникает усадочная сила, которая действует в плоскости панели. Поэтому в шве и около шва действуют напряжения растяжения. За пределами зоны пластических деформаций возникают в радиальном направлении напряжения растяжения, а в тангенциальном напряжения сжатия. Такое состояние приводит к появлению деформаций в плоскости и перемещений из плоскости пластины. Если напряжения сжатия превышают критическое значение _кр, то происходит потеря устойчивости и пластина с круговым швом теряет свою первоначальную плоскую форму.

.

где Е — модуль упругости, — коэффициент Пуассона, S — толщина пластины, R — радиус шва.

При близком расположении сварных круговых швов происходит наложение полей деформаций и напряжений, что приводит к изменениям формы практически не поддающихся заранее какому либо расчёту [4].

Выявленные виды сварочных деформаций и перемещений приводят к практической невозможности внедрения неадаптивных роботов в производство маложёстких конструкций содержащих близкорасположенные круговые сварные швы.

В работе высказана гипотеза о возможности регулирования величины деформаций в пластине путём выноса усадочной силы за пределы её плоскости. В связи, с чем предложен и исследован конструктивно-технологический метод снижения сварочных деформаций и перемещений при выполнении круговых швов на тонкостенных панелях. Предложено заменить круговой угловой шов на торцовый шов, выполняемый по отбортовке. Благодаря данному методу конструкция в районе расположения сварного шва становится более податливой. Это уменьшает влияние усадочных сил, возникающих в шве, на тонкостенную панель. При определённой высоте отбортовки сварной круговой шов, имеет возможность уменьшаться в диаметре, практически не влияя на тонкостенную панель, что снижает временные и остаточные деформации панели до уровня, позволяющего применять сварку неадаптивными автоматами или роботами.

Исследования перемещений в зависимости от конструктивных параметров соединения т. е. высоты отбортовки, диаметра кругового шва и толщины пластины, выполнены МКЭ в программном комплексе АNSYS. Представлена расчётная модель соединения «Труба + Пластина». Она строилась, как осесимметричная в плоской постановке, при поведении материала в упругой области. В исследуемой зоне размер сетки конечных элементов сгущался до размера 0,5 мм. Перемещения узлов элементов по линии нижнего торца трубы и углы их поворота равны 0, т. е. моделируется условие жёсткой заделки. Такие же условия накладываются и на свободный край пластины. На внутреннем ободе трубы высотой 2 мм (по глубине проплавления) прикладывали равномерно-распределённую нагрузку, которая является аналогом фиктивной усадочной силы. Величина нагрузки 250 МПа, что по данным [2] соответствует остаточным напряжениям в сварном шве.

Видно, что с увеличением высоты отбортовки перемещения в плоскости пластины уменьшаются. Даже при величине отбортовки 3 мм они составляют не более 0,04 мм.

На перемещения из плоскости пластины конструктивные параметры соединения влияют следующим образом:

• — с увеличением высоты отбортовки перемещения из плоскости пластины уменьшаются;
• — с увеличением толщины пластины перемещения из плоскости пластины уменьшаются;
• — с уменьшением диаметра кругового шва перемещения из плоскости пластины уменьшаются.

Оценка МКЭ совместного влияния всех параметров сварного соединения на деформации, возникающие в пластине, при выполнении кругового шва, довольно трудоёмкий процесс т.к. каждый раз необходимо переделывать расчётную модель.

Для определения совместного влияние всех параметров соединения «труба-пластина» на деформации и перемещения был разработан аналитический метод расчёта. Аналитический расчет позволяет находить величину прогиба пластины, в зависимости от совокупного влияния всех конструктивных параметров сварного соединения. При этом с целью упрощения расчета модель принималась осесимметричной и решалась в упругой постановке. Методами строительной механики определялся прогиб, возникающий в пластине. Для чего сварное соединение представлялось в виде модели «короткая оболочка — кольцевая пластина». Теория осесимметричных цилиндрических коротких оболочек, опирается на гипотезы Кирхгофа-Лява:

• — гипотеза неизменности нормалей;
• — гипотеза о ненадавливании одного слоя на другой.

Указанные гипотезы выполняются достаточно удовлетворительно при условии, что толщина листа мала по сравнению с радиусом цилиндра, что перемещения точек срединной поверхности, малы по сравнению с толщиной.

Математически эта задача сводится к дифференциальным уравнениям. Составляется уравнения оболочки и пластины, а так же уравнения краевых условий (условия на границе и уравнения совместности деформаций).

Дифференциальное уравнение осесимметричной деформации цилиндрической оболочки согласно строительной механике[5, 6]:

(1).

где W=W (x) — радиальное смещение срединной оси оболочки,.

— цилиндрическая жёсткость Получаем математическую постановку из уравнения (1) и граничных условий (2)-(5).

Решение уравнения (1) имеет вид:

где: W_o — начальное смещение (при x=0);

_о — начальный угол поворота (при x=0);

М_о — приложенный момент (при x=0);

P_o — приложенная фиктивная усадочная сила (при x=0);

V₁, V₂, V₃, V₄ — функции Крылова;

W_oч, W'_oч, W''_oч, W'''_oч — значение частного решения и его производных при х=0.

Далее W_ч = 0 т.к. на оболочку не действует распределённое давление р=0, М₀ = 0.

Функции Крылова [5] определяются следующими выражениями:

V1(x)=ch (x)cos (x);

V2(x)=½[ch (x)sin (x)+sh (x)cos (x)];

V3(x)=½sh (x)sin (x);

V4(x)=¼[ch (x)sin (x)-sh (x)cos (x)].

Дифференциальное уравнение пластины [3,4]:

Q=0 — поперечная нагрузка в произвольном сечении.

= ® — угол поворота нормали срединной поверхности.

P = 0.

Решение уравнения (7) имеет вид:

=с₁r+с₂/r, (8).

где с₁, с₂ константы интегрирования.

Условие совместности деформаций:

; (11).

Подставляя в условия (2)-(5), (9)-(11) решение (6) и (8) получаем систему пяти уравнений (2), (3), (9), (10), (11) с пятью неизвестными: X₁, Р₀, ₀, с₁, с₂.

Тогда величина прогиба будет определятся выражением:

(12).

С помощью компьютерной программы символьных математических расчётов, выполняется расчёт величины прогиба в зависимости от высоты отбортовки, диаметра шва, толщины пластины и приложенной нагрузки, являющейся аналогом фиктивной усадочной силы P_.

В результате решения общий характер полученных перемещений возникающих в пластине оказался такой же, как и при решении МКЭ.

Таким образом, численным (МКЭ) и аналитическим методами показано, что для уменьшения деформаций пластины в плоскости и из плоскости сварку кругового шва целесообразно выполнять по отбортовке кромок, требуемая высота которой зависит от толщины пластины, диаметра круговых швов, и расстояния между ними.

С увеличением высоты отбортовки и уменьшением диаметра кругового шва, при сохранении расстояния между центрами круговых швов, деформации уменьшаются как в плоскости, так и из плоскости пластины.

С целью подтверждения эффективности предложенного конструктивно-технологического метода была вновь сварена трубная панель, по отбортовке кромок.

В результате сварки панель сохранила свою первоначальную плоскую форму. Высказанная гипотеза о возможности предотвращении возникновения сварочных перемещений, деформаций и потери устойчивости путём регулирования податливости сварного шва, за счёт сварки по отбортовке кромок тонкостенной панели получила экспериментальное подтверждение.

Таким образом, разработанный конструктивно-технологический способ выполнения круговых сварных соединений на тонкостенных панелях позволил успешно решить большой комплекс вопросов, связанных не только с уменьшением деформаций и перемещений в зоне круговых швов, но и обеспечил возможность автоматизации сварочного процесса, уменьшения ручного труда, снижения трудоёмкости и повышения качества сварных швов и конструкции в целом.

• 1. Грицына А. Н. Конструктивно-технологическое проектирование тонкостенных конструкций с учётом их сварки на роботизированных комплексах / А. Н. Грицына, С. В. Тихонов, А. Г. Артёменко // Сварочное производство: сб. тр. молодых учёных/ Изд-во ДГТУ. — г. Ростов н/Д, 2008. — С. 97−103.
• 2. Винокуров В. А. Сварочные деформации и напряжения / В. А. Винокуров. — М.: Изд-во «Машиностроение», 1968. — 236 с.
• 3. Неровного В. М. Теория сварочных процессов: учеб. для вузов / В. М. Неровного. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2007. — 752 с.
• 4. Сагалевич В. М. Методы устранения сварочных напряжений и деформаций / В. М. Сагалевич — М.: Изд-во «Машиностроение», 1974. — 248 с.
• 5. Бояршиков С. В. Основы строительной механики машин: учеб. для вузов / С. В. Бояршиков. — М.: Изд-во «Машиностроение», 1973. — 456 с.
• 6. Виноградов С. Н. Конструирование и расчёт элементов тонкостенных сосудов: учеб. пособие / С. Н. Виноградов, К. В. Таранцев. — Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2004. — 136 с.