§1.1. Теория сварочных деформаций и напряжений

и ее значение

Неравномерный высокотемпературный нагрев элементов кон­струкций при сварке вызывает появление в них деформаций и напряжений. По мере распространения теплоты и выравнивания температуры происходит непрерывное изменение деформаций и напряжений в различных точках свариваемых деталей, т. е. из­менение полей этих величин. В отличие от температурного поля, которое исчезает после полного остывания конструкции, поле напряжений не исчезает, так как процесс его образования при сварке необратим. Поэтому после полного остывания в свар­ной конструкции имеются остатсчные деформации и напряжения. Чэ учение процесса образования сварочных деформаций и напря­жений имеет существенное значение для решения ряда проблем, з том числе:

1) для оценки вероятности появления трещин в процессе изготовления конструкции, т. е, для решения вопросов, связан­ных с проблемой технологической прочности;

2) для, определения поли остаточных напряжений с целью учета их при оценке работоспособности конструкции, т. е. для решения вопросов, связанных с проблемой эксплуатационной прочности;

3) для решения вопросов, связанных с проблемой точности изготовления сварных конструкций.

Указанные проблемы требуют различных подходов к исследо­ванию процесса возникновения сварочных деформаций и напряже­ний. Анализ явлений в высокотемпературной области, окружаю­щей источник теплоты необходим для решения вопросов, свя- зашшх с первой из указанных проблем. Она требует наиболее общей - л сложной постановки исследования. При рассмотрении сварочного нагрева изделия с целью определения поля остаточ­ных деформаций и напряжений допускаются сущестаеннне упроще­ния в отношении схематизаций источника нагрева и идеализации свойств металла. Йде большее упрощение расчетных схем допу­скает формулировка задач, выдвигаемых проблемой точности изготовления сварных конструкций. Налример, можно не прини­мать во внимание особенности напряженного состояния элемента у начала и конца шва, если протяженность его достаточно ве­лика, Кроме того, требования к точности решения задач, выдви­гаемых третьей проблемой, как правило, более низкие. В на­стоящем учебном пособии формулировка задач соответствует тре­бованиям главным образом последней из указанных проблем. Такое решение обосновывается не только методологическими со­ображениями, но и тем обстоятельством, что проблема точности изготовления сварных судовых конструкций в настоящее время имеет наибольшее прикладное значение.

Остаточные деформации существенно затрудняют процесс из­готовления сварной конструкции и ухудшают ее качество, а в ряде случаев появляется необходимость устранения возникших деформаций. Между тем правильное построение технологического процесса сборки и сварки, выбор рациональных режимов сварки, применение обратных выгибов и т. п., как правило, позволяют избежать недопустимых деформаций. Искажение формы и размеров конструкций в ряде случаев отрицательно сказывается на ее эксплуатационных качествах. Так, налример, искривление ко­лонны приводит к появлению дополнительных напряжений изгиба, а выпучивание листов перекрытия понижает их устойчивость. Отмеченное позволяет судить о том, какое важное значение при проектировании и изготовлении сварных конструкций имеют воп­росы расчетного определения сварочных деформаций, оценка их влияния на работоспособность конструкции, а также разра­ботка мероприятий по повышению точности изготовления свар­ных конструкций.

Указанный комплекс вопросов привлек внимание исследовав телей уже в 20-е годы, т. е. с начала широкого применения сварки для изготовления сварных конструкций. В 30-е годы трудами советских ученых (В. П.Вологдин, Г. А.Николаев, Н. О. Окерблом, Е. О.Патон) были заложены основы теории сварочных деформаций и напряжений. В последужщие годы теория получила широкое развитие. Были решены многие теоретические и практи­ческие вопросы, созданы научные школы. В настоящее время теория сварочных деформаций и напряжений развивается как один из прикладных разделов теории температурных напряжений и использует те же допущения и идеализации. Тем не менее сложная картина температурного поля, высокий уровень и боль­шие градиенты температуры, необходимость учета изменений свойств металла в широком диапазоне температуры и другие факторы определяют специфику задач, возникающих при рассмот­рении сварочного нагрева и обусловливают особые способы и приемы их решения. Сформировалось два направления; одно со­вершенствует приближенные инженерные методы, предназначенные главным образом для решения вопросов точности изготовления сварных конструкций; другое разрабатывает бо$эе строгие ре­зания на базе теории термопластичности с использованием ЗШ и последних достижений вычислительной математики для всестороннего изучения термомеханических процессов с целью оценки технологической и эксплуатационной прочности сварных конструкций [4] .