Выбор способа уменьшения сварочных деформаций и напряжений

При проектировании сварных заго­товок необходимо предусматривать кон­структивные и технологические меро­приятия по устранению или уменьшению деформаций и напряжений. Суммирова­ние наблюдаемых сварочных деформаций в отдельных точках приводит к переме-шениям в сварных изделиях. Последние снижают точность размеров заготовки и требуют назначения больших припусков на механическую обработку.

Сварочные деформации и напряже­ния возникают вследствие локальной пла­стической деформации отдельных зон сварного соединения из-за неравномерно­го разогрева при сварке. Металл в зоне максимального нагрева (шов и зона тер­мического влияния), претерпевший пла­стическую деформацию сжатия при на­греве, после полного охлаждения получа­ет остаточное укорочение. Это укороче­ние приводит к изменению формы и раз­меров всей сварной заготовки. Абсолют­ное укорочение (ААВ и ADC) линейных элементов (АВ и DC) пропорционально их длине в зоне пластической деформации (АВCD) (рис. 2, а, б).

Рис.2. Схема образования внешних сварочных деформаций

В соответствии с этим основные закономерности процесса развития перемещений в сварных изделиях сводятся к следующему:

1) абсолютное укорочение возрастает с увеличением зоны пластической деформации, т.е. с увеличением объема наплавленного металла и зоны разогрева заготовки;

2) при симметричном размещении наплавленного металла относительно центра тяжести (ЦТ) сечения свариваемых элементов изменяются только размеры последних, т.е. происходят поперечная (Дп) и продольная (Апо) усадки (см. рис.2, в; 3, а);

3) при несимметричном расположении наплавленного металла относительно ЦТ сечения также изменяется форма свариваемых заготовок, т.е. происходит перемещение угловое а и изгиба/(см. рис. 2, б; 3, в; 4, а);

4) перемещение определяется, с одной стороны, остаточным укорочением, с другой - сопротивлением сварной заготовки деформации растяжения (сжатия), изгиба или кручения, т.е. соответствующей ее жесткостью.

Рис. 3. Усадка и угловая деформация сварных заготовок и способы их устране­ния:

а, б - продольная и поперечная усадки; в-к - угловая деформация

Эффект укорочения металла в зоне пластических деформаций в ряде случаев может быть представлен как сжимающее действие некоторой фиктивной усадочной силы Рус. Это позволяет рассчитывать сварочные перемещения методами сопротивления материалов. Усадочную силу определяют количественно как произве­дение площади зоны пластической деформации в поперечном сечении соединения на предел текучести металла этой зоны.

Мероприятия, уменьшающие пере­мещения в сварных изделиях, направлены на снижение остаточного укорочения и устранение несимметричности его рас­пределения, а также на повышение сопро­тивления свариваемых элементов дефор­мированию. Они могут быть реализованы на этапе конструирования или изготовле­ния сварного узла. Часто полностью уст­ранить перемещения не удается. Поэтому при необходимости возможно применение правки уже готовых сварных заготовок.

Поперечную и продольную усадки сварных заготовок (рис.3, а) можно скомпенсировать увеличением размеров заготовки под сварку на величину предполагаемой деформации; уменьшить сваркой обратноступенчатым способом (рис. 3, б; 1-6 - последовательность сварки). Угловое перемещение (рис.3, в, и) может быть устранено или снижено предварительным обратным угловым из­гибом заготовок перед сваркой (рис. 3, г); уменьшением сечения шва заменой V-образной разделки на U-образную (рис. 3, д, ё) симметричным размещением наплавленного металла относительно ЦТ сечения шва заменой V-образной раздел­ки на Х-образную (рис. 3, ж) жестким закреплением свариваемых элементов при сварке (рис.3, з) или применением ре­бер жесткости (рис.3, к).

Перемещение изгиба (рис. 4, а) можно исключить предварительным об­ратным прогибом балки перед сваркой (рис. 4, б); рациональной последова­тельностью укладки швов относительно ЦТ сечения сварной балки (рис. 4, б), в случае несимметричной двутавровой бал­ки вначале сваривают швы / и 2, распо­ложенные ближе к ЦТ, а затем швы 5 и 4; термической (горячей или холодной правкой.

Рис. 4. Деформация изгиба сварных заго­товок и способы ее устранения

При термической правке газовым пламенем или дугой неплавящегося электрода нагревают до термопластичного состояния те зоны сварной заготовки, сокращение которых необходимо для ис­правления перемещений заготовки.

Разогретые зоны претерпевают пла­стическую деформацию сжатия, а после охлаждения - остаточное укорочение. Последнее обусловливает дополнительное перемещение сварной заготовки, проти­воположное по знаку первоначальному. Подобное перемещение можно также по­лучить, если наложить в указанных зонах холостые сварные швы.

Холодная правка выполняется про­ковкой или прокаткой сварных швов, пре­терпевших укорочение в результате сва­рочной усадки. Воздействие на швы должно привести к пластическому удли­нению швов, равному сварочной усадке. Холодная правка наиболее эффективна для тонколистовых сварных заготовок, поскольку пластическая деформация уд­линения должна распространяться на всю толщину сварного шва.

Остаточные сварочные напряжения представляют собой систему внутренних сил, находящихся в равновесии. При на­рушении этого равновесия напряжения перераспределяются, что сопровождается упругими и пластическими деформациями в дополнение к сварочным деформациям, полученным ранее в процессе сварки. По­этому при механической обработке (точе­нии, фрезеровании, сверлении) сварных заготовок часто невозможно добиться высокой точности их размеров.

Для предупреждения возникновения высоких сварочных напряжений не следу­ет допускать скопления сварных швов и пересечений их друг с другом, рекомен­дуется использовать способы сварки, обеспечивающие минимальный разогрев заготовок. Для снятия напряжений при­меняют высокий отпуск сварных загото­вок, а также прокатку или проковку свар­ных швов.

Для оценки технологичности используют специальные критерии:

Трудоемкость изготовления конструкции.Уровень технологичности по трудоемкости К_топределяют по соотношению

К_т = Т_п/Т_б,

где Т_п — трудоемкость по проектному варианту, нормо-ч; Т_б — трудоемкость по базовому варианту, нормо-ч.

Эффективность использования материалов.Оценку эффективности использования материалов можно выполнять по следующим показателям:

• удельная материалоемкость конструкции

К_у.м = M_и/N,

где М_и — масса конструкции, т; N — показатель работоспособности (программа выпуска, мощность и т.п.);

• коэффициент использования материалов

К_и.м = M_и/М_з,

где М_з — масса материалов деталей и заготовок, т;

• коэффициент применяемости материалов

К_п.м = M_м/М_и,

где М_м— масса материала данного вида в сварной конструкции, т;

• относительный а_н.м или удельный К_у.и.м расход наплавленного металла

а_н.м = М_н.м/М_и,

К_у.и.м = М_н.м/N,

где М_н.м — масса наплавленного металла в проектном и базовом вариантах сварной конструкции, т.

Технический уровень сварочного производства.Технический уро­вень сварочного производства определяется использованием прогрессивных механизированных технологических процессов.

Технический уровень производства можно оценивать по следующим показателям:

• уровень механизации сварочных работ, %:

Ус = ТмП / (ТмП+Тр) *100%,

где Т_м — трудоемкость работ, выполняемых механизированными способами сварки, нормо-ч; П — коэффициент производительности труда при данном способе сварки; Т_р — трудоемкость работ, выполняемых ручными способами сварки, нормо-ч.

Различные способы сварки характеризуются следующими значениями коэффициента П производительности труда: ручная ду­говая — 1; механизированная дуговая — 1,5; автоматическая ду­говая — 2; электрошлаковая — 4; контактная — 6;

• уровень комплексной механизации работ при изготовлении свар­ной конструкции

где У, — уровень механизации по i-му виду работ, %; d_i — доля i -го вида работ в общем объеме, %.

Величину У_i, определяют с учетом доли ручного труда, %.

Для основных технологических операций доля ручного труда характеризуется следующими значениями, %:

для ручной дуговой сварки и резки — 100;

механизированной дуговой сварки — 62;

автоматической дуговой сварки и резки — 8... 12;

контактной сварки — 44.

Порядок проведения работы:

- по заданному варианту провести анализ сварной конструкции на технологичность;

- на основании проведенного анализа конструкции на технологичность наметить пути ее повышения;

- сделать выводы.

Список использованной литературы:

1. Маслов Б.Г. Производство сварных конструкций: учебник для студ. Учреждений сред. проф. образования / Б.Г. Маслов, А.П. Выборнов. – М.: Издательский центр «Академия», 2007. – 256с.

2. Маталин А.А. Технология машиностроения: Учебник для машиностроительных вузов по специальности «Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты». - Л.: Машиностроение 1985.-495 с.