Файл: Сагалевич, В. М. Методы устранения сварочных деформаций и напряжений.pdf

Все сказанное справедливо и приемлемо для практи­ ческого использования при расчетах величии вертикаль­ ного прогиба оболочек в зоне шва. Что касается остаточных напряжений в соединении, то величина тангенциальных напряжений (по абсолютной величине) достигает больших значений при сравнительно малых радиальных напряжениях.

СНИЖЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЙ В КРУГОВЫХ ШВАХ

Применительно к круговым сварным соединениям основным технологическим мероприятием по исправле­ нию перемещений, приобретаемых оболочкой или ли­ стом, является медницкая правка. При этом в ряде случаев в зоне шва возникают трещины, которые зача­ стую выявляются лишь па стадии дальнейшей сборки сварных узлов или эксплуатации изделия.

Ручная правка иногда приводит к изменению меха­ нических свойств (нагартовке), а также весьма небла­ гоприятному напряженному состоянию материала в зоне сварного соединения вследствие исчерпания пластично­ сти и наложения полей напряжений от сварки и правки. Если же учесть длительность данной техноло­ гической операции, то станет понятным необходимость в поисках более надежных с точки зрения прочности и снижения остаточных перемещений каких-либо механи­ ческих способов.

Применительно к крупногабаритным оболочкам сред­ них толщин В. П. Моисеенко предложил способ, осно­ ванный на создании в активной зоне окружных растя­ гивающих напряжений за счет изменения конструкции стыка. В ряде случаев удалось снизить прогибы обо­ лочки в 1,7—2,2 раза, однако не всегда были выпол­ нены требования по соблюдению проектных допусков с помощью предложенного технологического мероприя­ тия. Попытка применения этого метода к оболочкам малых толщин ( 1— 6 мм) успеха не имела.

Сварные листы малых толщин (до 4 мм) с круговыми швами из магниевых сплавов в ряде случаев подверга­ ются термообработке в приспособлении, фиксирующем' плоскостность соединения. Этим по существу и исчер­ пываются практически применяемые в настоящее время

170

методы снижения перемещений и напряжений от сварки круговых швов в элементах малых толщин.

Расчетные методы определения геометрических и механических параметров технологических мероприятий по снижению остаточных деформаций и напряжений в элементах конструкций опираются в основном на прак­ тические рекомендации, что, естественно, носит узкий и специальный характер. Определение полей остаточных напряжений и деформаций, приобретаемых конструк­ тивным элементом от сварки, дает возможность не только рассчитать величины отклонений в конструкции, но и разработать методы или технологические приемы по их устранению.

Рассмотрим некоторые методы снижения остаточных напряжений и перемещений от круговых сварных швов в элементах малых толщин.

МЕТОД ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ И ПОСЛЕСВАРОЧНОЙ ДЕФОРМАЦИИ

В радиальном направлении вблизи стыка действуют растягивающие напряжения, направленные к центру ввариваемого кругового элемента. Возникающие при этом тангенциальные напряжения сжатия приводят к потере устойчивости пластины и перемещениям из плоскости. Возникновение радиальных напряжений рас­ тяжения в зоне шва на сферических оболочках сопро­ вождается прогибом (провалом) поверхности. Исходя из этих положений, можно построить методы по устра­ нению остаточных перемещений, основанные на идее снижения радиальных напряжений. Применительно к пластинам снижение напряжений необходимо для обес­ печения их устойчивости.

Это можно осуществить с помощью компенсации радиального перемещения. В пластинах зона кругового отверстия подвергается выштамповке на некоторую ве­ личину h (рис. 79, а). Затем накладывается круговой шов, в результате чего происходит частичное умень­ шение высоты (рис. 79, б) первоначальной выштамповки. После этого зона выштамповки осаживается в плоскость пластины (рис. 79, в).

Снижение величины остаточных растягивающих ра­ диальных напряжений происходит за счет компенсации

171

радиального перемещения, вызванного этими напряже­ ниями, вследствие осадки в плоскость конической по­ верхности. Разность в длине образующей и ее проекции обеспечивает компенсацию радиального перемещения и снижение радиальных напряжений растяжения, являю-

Рис. 79. Предварительная выштамповка и послесварочиая осадка в пластинах

щихся внутренними. Сочетание двух операций — пред­ варительной пластической деформации и послесварочиой осадки— для пластин является обязательным, так как величина напряжений, вызывающая потерю устойчивости их, весьма незначительна и снижение их необходимо для устранения возможности потери устойчивости. Иными словами, снижение остаточных напряжений в пластине неотделимо от устранения остаточных перемещений, вызванных потерей устойчивости. Применительно к сфе­ рическим оболочкам можно ограничиться только пер­ вой операцией, а именно — выштамповкой зоны круго­ вого отверстия на величину ожидаемого прогиба в на­ правлении, обратном ему (рис. 80). В этом случае после сварки возникает напряженное состояние, мало отли­ чающееся от того, которое имеет место при обычной сварке шва. Вместе с тем прогиб устраняется.

Осуществление второй операции становится необя­ зательным и тогда, когда наблюдается потеря устой­ чивости оболочки. Это явление сопровождает сварку круговых швов сравнительно больших диаметров, и устранение перемещений от потери устойчивости обо­ лочки легко выполнимо при сборке с другими элемен­ тами путем натяга. Применение операций выштамповки и осадки является необходимым лишь для весьма по­ логих оболочек.

172

А. Расчет параметров предварительной деформации для пластин. Параметрами, определяющими зону вы­ штамповки, являются:» В — ширина зоны выштамповки; //—-общая высота выштамповки. Зона выштамповки

Рис. 80. Зона кругового отверстия на оболоч­ ке после выштамповки и после сварки

представляет собой комическую оболочку. АЕ — обра­ зующая конуса выштамповки до сварки; А'Е — то же после сварки.

Рис. 81і. Схема расчета зоны выштамповки в пластинах:

а —до сварки; б — после сварки

Принимаем А'ЕтаАЕ, т. е. считаем коническую обо­ лочку иерастяжимой в направлении касательной к ме­ ридиану (рис. 81). Лисп. 1 — величина составляющей пе­ ремещения края оболочки в направлении, перпендику­ лярном оси, в результате сварки; А Поп. г — величина составляющей перемещения края оболочки в резуль­ тате осадки; S i— величина осевого перемещения точ­

173

ки А, принадлежащей стыку, в результате сварки; S2— величина остаточной выштамповки, осаживаемой в плоскость после сварки; остальные обозначения ясны из рис. 81.

Величину S2 определяем через ДПоп. г из треуголь­

Подробно расчет приведен в работе [25].

Вполне понятно, что технологически выполнить вы­ штамповку на необходимую высоту h можно лишь с не­ которой степенью точности. Точность расчетного опре­ деления h и величину допуска на технологическое выполнение устанавливают, исходя из условия устой­ чивости кольцевой пластинки. Величина критического напряжения сжатия определяется как (при сжатии)

Аналогично устанавливают допуск по величине кри­ тических радиальных растягивающих напряжений рас­ тяжения

Остаточные радиальные напряжения в зоне шва в результате проведения операции осадки не должны пре­ вышать как при растяжении, так и при сжатии крити­ ческих напряжений.

Особенностью технологии операций выштамповки и осадки является то, что она предусматривает необходи­ мость зажатия пластин. Для производственных целей эти операции можно осуществлять на прессе двойного действия. Для малых толщин пластин (до 15 мм) макси­ мальное усилие пресса может быть ограничено 1 0 тс.

Операция выштамповки производится с помощью простого инструмента, имеющего коническую поверх­ ность. Осадка выштампованной зоны после сварки осуществляется также в зажатом состоянии с помощью прижимов и с применением плоского пуансона. Матрица

174

имеет небольшой внутренний конус, обеспечивающий компенсацию некоторой упругой отдачи после осадки.

Б. Упрощенный метод расчета предварительной де­ формации для пластин. Приведенный в работе [25] рас­ чет по определению параметров зоны выштамповки для пластин, несмотря на сравнительно простую методику, все-таки довольно трудоемок вследствие необходимости ряда приближений. Дальнейшие упрощения можно сде­ лать, исходя из следующих экспериментальных предпо­

сылок. При значениях — < —- величины 5) и S2 можно

В8

положить равными друг другу и тогда [25]

ных напряжений. Зависимости h от В легко могут быть построены на основании формулы (70). При этом сле­ дует принимать во внимание части кривых, располо­ женные выше прямой, имеющей k= Vs (рис. 82).

Налагая на эти зависимости технологические до­ пуски на основе критериев потери устойчивости — на сжатие и растяжение — можно получить некоторый

175

6)

B,MN

Рис. 82. Параметры выштамповки на пластинах АМгб (б, г) без учета (а, б) и с учетом

176

превышает критических соответственно растягивающих и сжимающих напряжений.

Весьма существенным является то обстоятельство, что величина критических напряжений для дайной тол­ щины материала снижается обратно пропорционально квадрату радиуса приложения нагрузки и уже при сравнительно небольших диаметрах составляет весьма незначительную величину. Это приводит к сужению технологического «клина» (рис. 82, в, г), в пределах которого возможен выбор В и /г, что предопределяет необходимость получения выштамповки с весьма точно выполненной величиной h. При средних и больших диаметрах отверстия практически такую точность вели­ чины /г получить не представляется возможным. Именно поэтому данный метод приемлем в диапазоне диаметров

мации сферических оболочек. Устранить вертикальную составляющую перемещений в зоне шва на оболочке можно применением только одной операции выштам­ повки [26].

И если для пластин снижение остаточных напря­ жений необходимо, а, следовательно, осадка выштамповаиной зоны неизбежна после сварки, то в оболочках наличие остаточных напряжений допустимо, так как сварочные деформации могут быть устранены без изме­ нения поля напряжений. Лишь в специальных случаях

В,мм

толщиной 1 мм из стали СтЗ (а, в) и сплава (в, г) критических напряжений

177