автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Исследование взаимных продольных смещений (ВПС) элементов конструкций при сварке и разработка методов их регулирования

НАЩОНАЛЬНА АКАДЕМШ НАУК УКРА1НИ рр^ 1нститут слектрозварювавня ¡к. 6. О. Патова

« кг,.'; -

ПАЩИН

Макола Олександрович

УДК 021.791:62— 112.81

ДОСЛ1ДЖЕННЯ ВЗАЕМНИХ ПОДОВЖН1Х ЗМЩЕНЬ ЕЛЕМЕНТ1В КОНСТРУКЦ1Й ПРИ ЗВАРЮВАНН1 I РОЗРОБКА МЕТОД1В IX РЕГУЛЮВАННЯ

05.03.06 -зварювання та спор1днен! технолог!!

АВТОРЕФЕРАТ дисертацИ на здобуття наукового ступеня кандидата техн!чних наук

КиТв 1997

Дисертац1я е рукописом.

Робота гнконана в 1нетитут1 електроэварювання 1м. Укра1'нн.

Е.О.Патона Н

Науковий к<?р1 вник

Доктор техн1чних наук член-кор. HAH Укра1ни Л.М.Лобанов, Заступник директора IE3 1м. Е.О.Патона

Науковий консультант

Доктор твхн1чних наук М.Л.Жадкевич, Заступник директора IE3 1м. Е.О.Патона

ОФ1ц1йн1 опоненти

Доктор техн1чних кау» А.Я.Недос1ка, Зав1дуючий в1дд1лом IE3 1м. Е.О.Патона

доктор техн1чних Hayi

профвсор В.М.Прохоренко, Звв1дуючий кафедрою НТУУ "КП1"

Пров1дна установа

Конструкторське Еюро "П1ВЛЕННЕ м.Дн1пропетрэвск

Захист в1д6улеться 26 листопада 1997 року о 10.00 годин1 на за данн1 спен1ал1эовакно1 вчено1 ради Д.50.02.01 при Гнститут! електроз рювання 1м. Е.О.Патона HAH Укра1нм.

Адреса: 202650, м. Ки1в-5, вул. Боженко, 11.

3 дисертац1ею можна ознайомитися в на!'ково-техн1чн1й 616л1от Гнститут/ електроэварювання 1м.Е.О.Патона HAH Укра1ни эа адресою: 252650, м. Ки1в-5, вул. Боженко, 11. .

Автореферат роэ1сланий.

«У

ховтня 1997 року

Вчений секретер спец1ал1эо«анно1 вчено! ради кандидат техн1чних наук

В.М:Бернадський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальн1сть роботи. Листов! констру кц1Г з легких сплав18 широко застосовуються в ракето- I суднобудуванн!, да осноаним методом отримання нероз'емних э'еднань е зварювання. Умоэи експлуатацД даних конструкций пред'яеляють висок! вимоги до точност! !х виготовлення, що передбачае стаорення в1дпое15них заарювальних технолог!й.

Одним з малоаиэчених вид'а деформаций, що визначають рШвнь залишкового формозмЫення зварних вироб|'з е азаемне поздовжне зм!щення (ВПЗ) елемент1в, що зварюються. Особливо пом!тний його негативний вллив на точн!сть конструкций у раз! зварювання елемент!в э рЬними ллощами поперечних перетин!а або рЬно! жорсткост!. Досл1аження мвхан!зму ВПЗ I розробка мвтод!в його регулювання е актуальним при ззэрюаанн! конструкц!й високо! розм!рно1 точност!.

Метою роботи е п!двищення точност! виготовлення зварних тонколистових конструкцШ з алюмЫиевих сплав!в. на основ! досл!дження механ!зму утворення 1 регулювання взаемних поздовжн'« зм!щень (ВПЗ) елемент!з, що зварюються.

При цьому вир!шуються задач!:

1. Досл(дити ВПЗ елемент)з стикоаих I тазрових э'еднань в лроцес! 1х зварювання I визначити вплиа ВПЗ на £сзм{рну Г0Чн1сть тонколистових конструкцШ з алюмМевих сплэв!в.

2. Розробити розрахунковий метод визначення ВПЗ елементш стикових I таврових э'еднань за р!зних геометричних характеристик тонколистових конструкц!й.

3. Розробити розрахунковий мэгод оц!нки впливу ВПЗ на залищкове формсзм1 няння тонколистових конструкц!й з алюм!н!евих сплав!а.

4. Розробити технолог!чн! способи регулювання ВПЗ при зварюванн! тсзнколистових конструкцШ з метою знижвння 1х напружено-деформованого стану.

5. Розробити технолог1ю виготовлення зварних панелей високоТ розм!рноТ точност! з алюмМеаих сплаа!а.

НАУКОВА НОВИЗНА .

1. Досл!джено механ1зм утворення ВПЗ при зварюванн! стикових I таврових э'еднань з алюм!н1евих сплав!в. Показано, що значения ВПЗ визначають теплоф1зичн! та механ!чн! властивост! матер!алу, геоматричн! характеристики з'еднання, а також логонна енерг)я зварювання.

2. Розроблена розрахунков.а модель, що описуе гермодеформац!йн! лроцеси при зварюванн! тонкйлистових конструкц!й, що враховуе тимчасовий I остаточний ВПЗ елемент!в, що зварюються. На прикладах стикових I таврових э'еднань з сплаву АМгб розроблен! вар!анти розрахунково! модел!, що араховують вплив на ВПЗ Ытенсивного охолоджування I пружного навантаження елемент!в конструкцШ. Розэинена к1нцево-елементна методика чисельно! реал!зац1Г модел!. •

3. Дослщжоно мехажзм регулювання ВПЗ елемент1в стикових з'сднань. Встановлоно, що зниження ВПЗ стикових з'сднань доцшьно досягати ¡нтенсифжацюю тепловщводання з поверхж елемента з меншим поперечним перетимом.

Встановлено, що при регулюванж ВПЗ жтенсис}жац1ею тепловщведення ефективними теплопоглиначами с теплоощводн! пасти i кристал1чж теплопоглинаюч1 ствржж. Визначвн! ¡х оптимальний склад, що дозволяс досягати такоТ швидкосл охолодження олемонт1в з'сднань, що необхщна для зниження ВПЗ.

4. Встановлено, що посднання таких технолопчних прийомш, як регулювання ВПЗ ctIhkh вщносно полиц1 тавра i попереднього пружного розтягнення елементт тавра, с ефоктивним методом зниження подовжжх прогинш тонколистових таврових э'еднань.

ПРАКТИЧНА UlHHiCTb

Роэроблено дли конструкторського бюро «Пшденне» (м. Днтропетровськ) технологии! рекомендацП виготовлення воликогабаритних тонкостЫних зварних панолой высоко! розлфноУ точност! si сплаву АМгбНПП, для AT «Завод «Ложнська кузня» (м. Кшн) — виготовлення пласких палубних секц!й з подовжшм набором si сплаву АМг5М, для суднобудшного заводу (м. Пот1) — виготовлення корпусних конструкций швидкюних судон 3i спливу АМг5М.

На захист виносяться:

1. Результат доепщжоння мехажзму утвореннн ВПЗ при зварюванш стикових i таврппих з'сднань.

2. Розрахункова модель дли визначення ВПЗ при зварюванш' стикових i таврових з'сднань э алюмМсвих сплавш.

3. Спопоби регулювання ВПЗ при зварюванн! стикових i таврових з'сднань. 4, Технологи виготовлення зварних панолой високо? точност1 з алюммлсвих сплавш.

Апробац1я роботи

OcHOBHi результати досл1дження опублкован!. ДоповЦу зроблвно пщ час наукових конференцЖ: II конференцм молодих вчених I фах1вцш (Knio, 1988), III Всесоюзного симпозиуму «Технолопчж залишков1 напруження» (Кутаю!, 1988), V Мжнародно? конференцм «3aapHi конструкций (КиТв, 1990), МЬкнародно? конференцм' «Зварж конструкцм» (Kni'a, 1995),- МЬкнародно!' конференцм молодих вчених в галуз! зварювання i спорщнених технолопй (Ки|'в, 1988), Репонального семЫару Якутського наукового Центра СБ РАН «Технолопя i якють зварювання в умовах низьких температур» (Якутськ, 1997 ).

ПуОгЫацп. На тему дкеертацп оп\блкопано 10 диу<01?аьи:< праць.

Структура ' обсяг рооотн.

Дисертац1я складаеться 1з вступу, 5 роэд1л!в, загальних висновк1в I перел1ку л1тератури. Загальний обсяг роботи' Мб стор!нки машинописного тексту, 55 малюнк1в, 9 таблиць; перел!к л1тератури — 195 назв.

У вступ! визначено аюуапьн1сть прац1, викладено основн! положения I мету роботи;

1-й розд!л м1стить огляд сучасних теор1й I концепц1й досл1дження напружоно-деформованого стану зварних з'еднань, а також огляд наявних технолоПй виготовлення тонколистових зварних конструкц1й.

У 2-му роздЫ експериментально дослШжено механЬм ВПЗ при зварюванн! стикових I таврових з'еднань з алюм1н1евих сплав1в АМгб I АМгбНПП. Представлен! результат« досл|дження напружено-деформованого стану стикових I таврових з'еднань при р!зних значениях ВПЗ.

У 3-му роэд(л1 викладено розрахункову модель прогнозування ВПЗ стикових I таврових з'еднань залежно в1д погонних енерг!й, виду зварювання, теплоф1зичних властивостей матер1алу I геометричних характеристик конструкц!й.

У 4-му розд!л! досл!джено механ!зм регулювання ВПЗ стикових з'еднань !нтенсиф1кац!гю теплов!дведення э поверхн! елемент1в, що эварюються. Представлено результат досл!дження э регулювання лоздрвжн!х прогин)в таврових з'еднань шляхом компенсацп ВПЗ у поеднанн! з попередн!м пружним розтягненням (ПУР) ст!нки I полиц! тавра.

У 5-му розд1л! — технологии! рекомендацП виготовлення тонкост1нних зварних панелей з! сплаву АМгбНПП I суднокорпусних конструкции з! сплаву АМг5М.

У загальних висновках стисло сформульовано результата роботи.

КОРОТКИЙ ЗМ1СТ РОВОТИ

Ефективн! методи зниження р!вня залиикових деформац!й формоэм!нення зварних з'еднань дозволяють вдосконалити традицШн! методи забезпечення точност! зварних тонколистових конструкций. Задля цього потр!бно всеб!чно вивчити механЬми утворення р!зких тип!в деформац!й I виявити чинники.

Анал!л1чний огляд л(тератури у 1-му роэд1л! св!дчить, що низка досл(дник(в оценюБалн вплив ВПЗ на точн!сть зварних конструкц1й. Зазначали вплив ВПЗ при звзрюванн! таврових 1 напусковйх з'еднань на крупння тонколистових конструкций (ВАВинокуров), а також на залишков! деформацИ в площин1 пластин при зварюванн! остик елемент1в рвно! товщини (А.М.Касимов), ВПЗ при приварюванн1 носового обпчника до обшивки 9акетонос1япог!ршуескладання вйроб!в I стаб1льн!сть зварного процэсу (С.Готт)., Прихватки, що 1х вживають,' щоб запоб1гти ВПЗ, поПршують формозмЫеннГкойструкцШ,. бо 'спричинюють . «вспучення» кромок, Це зауважив ФГловер. при прйварюванн!. елемент1в обшивки до шпангоутного в!дс!ку корпусу ракетоноЫя та Д.Руд! при орб!тальнОму . зварюванн1 тонкоелнних трубчастих влемент!в р!зних д1аметр1в.' ' ■ :: . ~ / - ■ "''УЧ';

Лриклади елливу ВПЗ на точность конструкцШ мають описовий характер. Зазначено конкретн! умови зварювання(а но мохан1зм такого впливу загалом. Аатори зазначили, що нообх!дн1 експериментапьн! виочення ВПЗ, лк) впливають на точн|сть виготовлвння тонколистових конструкц!й, I кос! розрахунков! мотодики прогнозування за властивостями матер1ал1в, видом зварювання I геометричними характеристиками конструкц1й.

У 2-му розд1л досл1джено мохан1зм ВПЗ. стикових I таврових з'еднань тонколистових конструкц)й з алюм1н1евих сплав!о.

Для досл1джвння ВПЗ при зварюванн! встик створено лабораторниЙ стенд, що е системою роликових п|дпор на сп1льн1й основ!, яка ф!ксуе елементи для зварювання I не дозволяв 1м вигинатися.

Досл1джоно стикове з'еднання з1. сплаву АМгб вузько! смуги розм1рами 600x80 мм, що приварюеться автоматичним зварювакням, , неплавким електродом в аргоновому середовищ! без прихваток вздовж всього листа з розм!рами 600x500 мм, Товщина пластин • 2,5 мм. Сп1во1дношення щирини пластин елементШ, що 1х зварюють, таке, яке гарантуе, що теплов! поля в смуз! I лист11стотно р1зн1.

Взаемне зм1щення поздовжн1х елемент1а при зварюванн! встик

вим!рювали за допомогою 1ндикаторних головок годинникового типу, що встановлюються у певних м!сцях г (мал.1) на поперечних . к1нцевих кромках смуги I широкого листа.

Автоматична зварювання зразк!в

виконувалося неплавким елоктродсм в аргоновому середо8ищ1. Дан1 прилад!в реестрували п|д час зварки I Шсля П зайнчення. Зварювали у трьох р1зних режимах (Таблиця' 1), як1 забезпечують повне

проплавлення .з'еднання. -П1сля , зварювання .1

600

Ф

Ф

Мал.1. Схема росташування датчик1в для вим!рювання ВПЗ в!дносно поэдовжно! Biel шову при зварюванн! встик (л!н!я О-О), датчики №11 №5 - на в|дстан! 75 мм, N»2 - 40 мм, Ns3 ' Ns4 -5 мм, поздовжн! прогини пластин.

î

охолоджоння пластин визначэно залишково формозмШення к!нцввих поперечних кромок листа I смути а площин! пластики.

Таблиця 1

Режими автоматичного зварювання встик пластин з олюм1н1евого сплаву АМгб товщиною 2,5 мм_________________

NîNs ПН Напруга зварювання U-cg.B Струм зварювання Хсв, А Швидк1сть зварювання "ОсА, мм/сек

1. 13 ' 100 2,5

2. 13 135 4,3

3. •10 170 0,0

Юнотику подоожнЬс порвм!щень, ш,о сизначають ВПЗ при ззарюванн! сстик на режимах за тгбл.1, подано на мал. 2(а-о).

Значения подов*:н1х лерем!щень у пузькзй смуз! перовищують гналог!чн1 пзрамэтри а широкому лист!. Е1д'смн1сть ЕПЗ фксуеться а момзнт зайнчення гяэрдазання, а при схолодаенн! пластин Тх значения зменшуетьсп на 15-25% за рахунок ролаксацм температурного поля I (ССЦ) зчарюсального нагр!пу.

Г"сметр!ч п!нцср.о1 поперечно! кроу*м зузькоТ смуги заложить пэ гаио ?!д грпс.чдко'зих -зусиль я1д зварюоанип, ало I о!д поздовжн1х сил, я>:1 пиникають ¡знг-.слЦзок ВПЗ. Залишкоп! здНщсиня зб!лыиують эначоння поздовжн)х г.рсп«н!в (м-гп.1) лл-стан.

2

Пг./узткн! прогини f* перем1щення Ux, псасмн! змштння , Д>7> кромок ст'/;:о"и:< з'спнлнь ?i сплазу АМгб____

г п. Шоидк!сть ^аргаа.'.иня О.-А мм/ссс Поздовжнм прогин ША : 1М Вузька смуга. Зали-'.'ков! перемещения Ц^ зон! датчика Широкий г и ст. Залишков! перем!щення L'Y у sotii ;дгччиха N54 5ПЗ кромок ¿г-чсмуги та листа узонвх датчик! а 1 4 ; -,и '

1. ' 2,6 43/23/16/10 0,53 -0,22 0 75

2 ¿,3 43/23/7/3 0,45 -0.23 о.сз

.4. Л. 0,0 20/23/8/0 0,34 -0,13 0,02

-'.3 [з прихватками) Ч5/32/8/4 -0,2 -0,2 0,0

Прим;г;з: :<смори датчиюв та по-»доз?<н1 :м1щеннп. то г.им'ргають, в .«,

У таблту 2 с результат, що 1люструють сплио ВПЗ стикових э'еднань на величин» ¡'х яоясзхснЬс прогинш (режими I умови зварювання зразк!а диа. таил. 1). У дослщних пластинах, ВПЗ лких не обмежено (зварювання боэ прихваток), помггно

зменшення значень поздоажн;х прогин1в та змоншоння ЕПЗ (пп.1-3 тчбл. ?.). Ямцо

»

стримування зм1щення в поздовжньому напрямку (зварювання з прихватками п.4 табл, 2), воличини прогин!в п1даищуються^ на^ 30-35% пор!вняно з вар!антом зварювання, за якого ВПЗ в1льн! (п.2 табл2).

V '

130

1М

' 1 1 к

Уев - Апр А 4 К» й

...У (1 1 1

<

¿А ■ ' г' -»—в

! /».

1 1 5

и

ад

на

✓К

кЫ

хгч

> у' 1 V« ■ ■

.....! • » .

и

и

.'и 1 ,

1/ 1 1

/ 1 1 1

7 / - 1 к

ч к / / • N 1

/ У / 9 1 ■ ■ 1

1 / Л 1 >!_ 1-4

; V 1

/ г с

И

а Е1.ия

а

¡С С.

)

1 Н

.А-« —|Т V

"Ч* -- н ту^

Ф

Мал.2. Юнотика поздовхшх Зм!щень при зварюванн!' стикових з'еднань -а, б, о (режим» 1-3 табл. 1) I сзаемних зм!щень таврових з'еднань - г {резкими табл. 3). Номери кривих при зварюванн! встйк в1дпог!дають номерам датчик!в мал. 1, при зоарюванн! таврових з'еднань 1-АДЗ, 2 - ЕПЗ. Юнетику поздовжн!х зм!щонь при зварюванн! таврових з'еднань з сплав!а АМг5М I АМгбНПП вивчали на лабораторному стенд1, що унемохливлюе будь-як! зеуви стЫки I полиц! тавра в процес! зварювання I охолоджоння, кр!м поздовхн1х (вздовж л!1ш шва). Ф1ксувалося поздовжне зм!щепня полиц! щодо стЫки- таврового з'еднання. Використовували два види зварювання - плавким елехтродом в аргоновому середовищ! (АДЗ) I електронно-промвневе зварювання (ЕПЗ). Ражими зварювання I розм!ри зраэк!в таврових з'еднань е у таблиц! 3.

Йнетика ВПЗ при зварюванн! таврових з'еднань на мал.2г. Пом1тно, що !з э01лыиенням довжини шва зростас величина зм!щсння ребра е!дносио листа. - '

Вим1рювали поздов;кн1 прогини тазрових з'еднань з с!л^ними ВПЗ та з прихватками. Рожими зварювання I розм!ри в таблиц! 3. Вим!рюоали у зон! ребра I в1льно7 кромки листа . Розультати вим!рюаань подан! в таблиц! 4, з якоТ видно, що ! • вища на 30% у випадхах, коли ВПЗ стримуються, пор1вняно з еипадками, коли ВПЗ на стримуються.

Таблиця 3

Режими зварювання I розм!ри зр'азк!в таврових э'еднань

N9 Материл Вид зва- Напруга Струм Швид- Струм Розм!ри

пп рювання зварю- зварю- фокусу- эраэмв, мм

\ вання вання мм/сек вання Зф, А

и„.в 1св, А лист ребро

1. АМг5М Плавким електро-дом (АДЗ) 20 160-165 40-42 200x500x5 100x100x4

2. АМгбНПП Електрои-мо-промв-невв эва-рювання (ЕПЗ) " 60.1 о5 37.1 О*3 41 710.10 200x350x8 200x50x5

Таблиця 4

Вплив ВПЗ на поздовжн1 прогини таврових э'еднань

№№ пп Вид зварювання Матер!ал ВПЗ ст!нки в!дносно полиц! тавра, мм Повздовжшй прогин, мм

1. АДЗ АМг5М 2,81 37/41

АДЗ (з прихватками) АМг5М 0,0 49/53

2. ЕПЗ АМгбНПП 2,62 21/22

ЕПЗ (з прихватками) АМгбНПП 0,0 29/31

уЦослщжено залишков1 зварн1 напруження тгикових I таврових э'еднань у зразках двох типщ, виконаних у режимах таблиць 1 I 3. При зварюванн! э'еднань першого типу ВПЗ в1льне. Поздовжн! розтягуюч1 напруження у пластинах, виконаних без прихваток, мениЛ 120 МПа, що на 30% нижче, н1ж в э'еднаннях з прихватками. При цьому зазначено асиметричнють епюри розтягуючих напружень з боку вузько! смуги для вар1анту зварювання з прихватками, а площа активно! зони на смуз1 перевищуе площу активно! зони на широкому лист1. Температурив розширення пружнопластичноГ зони смуги б!льше, ж'ж на широкому лист! (через асиметричж'сть тепловюведення), воно в^буваеться в поздовжньому напрямку. У'той же час наявнють прихваток<не дозволяе поперечному перетину смуги реал1зувати ВПЗ вдаюсно листа. Таким чином, нереал1зоваж . перемщення вузько! смуги вздовж повздовжньо! кромки листа спричинять пщвищення р[вня напруженого стану з'еднання. Вим1рювання напружень на зразках таврових э'еднань дуговим 1 променевим зварюванням показали, що поздовжн! напруження за умов вшьно! реалЬацн ! стримуванмя ВПЗ аналогии! в як<сному вщношенн! стиковим.

Розроблено розрахунковий метод прогнозування ВПЗ I оцЫки його внеску в. напружено-деформований сткн зварних конструкцШ. Моделювання ВПЗ складаеться з трьох окремих лосл!довних задач.

Перша задача складаеться' з визначення температурних пол1в стикових I таврових з'еднань. Застосовано прямокутну система координат (х, у ) в як1й розглядаеться стикове з'еднання пластин р!зно! ширини, обмежених контуром г (мал. За). Властиеосл матер!алу е л!шйно термопружними та 1зотропними. Теплове поле описуемо р!внянням балансу

де 0 ' уоереднена по вс1й товщин! абсолютна температура; граничною умовою:

(2)

що описуе за нормальним законом теплов1даедення з б!чних кромок пластин, обмежених контуром Г, де /^ЛЬ-компоненти вектора зовн!шньоТ нормал! до Г, а

початку зварювання.

(1)

також початковою умовою:0а^, що задае томпературний стан зразка на момент

¿Я

У у / * -V - > / ЛГ / У

»/ ' ^

^ Л Т$1Г ■ Ь ■ '

Мал.З. Схеми зварних з'еднань, що використовуються в розрахунковМ модел!: а) стикове з'еднання, б) таврове, що перотворюеться на стикове.

Дещо в!дррнпетьсй схема р!шення задач! для випадку зварювання т&врових з'еднань. Особлисють в тому, що вона е трьохм!рною. Однак, припущоння, що ст!нка тавра розташовуеться симетрично в поздовжньому напрям! ,в!дносно полиц!, дозволяс замЫити початкову задачу на плоску за допомогою перетворення геометр!! з'еднань, як показано на мал. 36. АдекваТн!сть спрошено! модел! п!дтверджуеться узгодженням температурних лолш, розрахоааних в рамках плоских задач для початкового ! перетвореного перетин!в з! зварювальним джерелом нагр!ву в центр!. Схема закршлення таврового з'еднання аналог1чна стиковому.

Задана квазистатично! р!вноваги включае р!вняння р!вноваги для плоского напруженого стану:

кЫематичн! р1вняння:

Термопружн| сп1ввщношення закону Гука:

ST=29eXj$,j=2Ge;hSXi^Gex4)(£rx+ ery)=3k(ei+sj-3*(6-е0) (5)

Sx "Схд Gy &c£xif£y. " в1Дпов1Дно компоненти тензор!в напружень I деформац1й.

■£х@с'> компоненти в!дпов1дних fleeiaTopis, >" ii

Q j [<( - BiAn.OBiflHO модул! зрушення i об'емно.го стиснення, оС - коефМент лЫмного теплового розширення. 3 схеми, представлено! на мал.За можна бачити, що контур Г складаеться з в1льного кордону rj i шарн!рно опертого кордону Г^тобто Г = f^ + С^.Дтянки кордону Г доють можливють реалкзувати перемщення в площин! пластин, що зварюються, i Еизначаються граничними умовамп: SV/7— 4-Z'rM^i -0} "Сух-Кэ^Пу =0 (б)

Д'тянки кордону Г заф|'ксоаан! в1д перемидень жорстхим эакладенкям i шаржрним опиранням. У цьому випадку граничн! умови визначаються: LL^OV^-O (7) Тут Lift- нормальна складова перем1щень, дотична складова вектора,

напружень, ¡Ъ1 Я..- координата вектора яовшшньо! нормал1 до д1лянок кордону ^.

Джероло гиаргазального нагр!ву с областю, яка перемадаеться л!н!ею шва з1 швидк;стю эзарювання v. При цьому мае м1сце рухливу межу Г , що роэд!ляз

' заварену I незаварену частини шва.. г Дл^ркиення ueï задачузозроблено методику на кжцево-елементному п1дход1.

^në^ïïk^e^ds- S(izax + b,u,,)dP.r in)

t до: l- зпгальна довжиЯа контура Г. г ■ ° «J

•до: S - еррединпа площина пластин, '¿у'Ьц,- компоненти вектора зовш'шнього-н г^антажен н я epfyjf SJffl - шдпов1дно функцюнали балансу енергп i

пез'язаного з Нею'напружено-деформованого стану елемент1в, що зварюються. Колсшовна зона I основний метал з'еднання е сукупшстю чотирьох вузлових к!нцевих олеменлз, що згущен! в облает! шва..

Розпсдл температури на певний час використовуеться для сиршення дэформзцмног задач'к Якщо функщонал $=0 стацкэнарний, тод| виршуеться система р;внянь щодо перем|'щень.

Длч точност! ршення i зменшення к!лькост! вузлових точок застосовуемо п°ресувну юнцево-елементну ciTKa, згущену поблизу джерела тепла. Щоб спростити схему розрахунку всю пластину, включно з незазареною частиною шва, под!лено на KiHuesi елементи; Вважаемо,' що значения теплофЬйчних i механнних характеристик

групи елемент!в, що 1м1тують складальний зазор, дор1внюють нулю. Дотримуемося умов теплово! 1золяц11 I в1льно1 меж1 на кромках з'еднання I в1льного пересувного кордону Г в облает! джерела нагр1ву. Таким чином, в заварен!й частин! елементи з'еднання е единим ц1лим I сп1пьно рвагують на термодеформац!йн1 впливи джерела нагр(ву. У незаварен1й частин! з'еднання, позаяк дор1вн'юють нулю ф1зико-механ1чн1 характеристики матер!алу в облает! складального зазору, кромки, що зварюються, до моменту зварювання деформувалися розд1льно. зг|дно з законом!рностями, що описан! р!вняннями (4-9), причому на кожному кроц! п!драхунку 'ф!ксуемо накопичення ВПЗ б1льш нагр1то1 кромки з'еднання.

Заставлено розрахунков! ! експериментальн! дан! для стикових I. таврових з'еднань, що Гх режими зварювання I геометричн! характеристики наведен! в!дпов1дно в таблицях 1 I 3. Точн!сть результате розрахунку у" пор1внянн! з результатами експерименту, становить 10-12%.

Моделюемо р!зн! вар1анти граничних умов закр!плення пластин, е розраховуемо ВПЗ. Так, умови закр!плення, що в(дпов[дають вимогам шарн!рнооперто1 меж! £ (р!вняння 8), зам1нюемо на умови в1льного кордону Г} (р1вняння 7). Таким чином, загальн! граничн! умови опирання контура Г описано р!внянням 7. Параметри автоматичного дугового зварювання встйк зразк1в в!дпов1дають режиму. N9 2 таблиц! . 1. Розм1ри зразк1в е на мал. 1, а ВПЗ розраховано як р!эниця показань датчик!в № 3 I № 4. Юнетику ВПЗ за р!зного закрепления пластин подано' на мал. 4. Ця модель дас над!йну оц!нку залишкового ВПЗ. Умови закр!плення пластин впливають як на ВПЗ, так I на значения поздовжн!х перемицень.

Лпр^гхм

0,4

2,0' 3,0 "ю^/**-

Мал.4. Юнетика ВПЗ при зварюванн! встик:1-розрахунок в умрвах шарн!рного опирання

поздовжнЬс в!льних кромок; 2 - розрахунок в умовах в!льних поздовжнЬс кромок.

За розрахунками Довжина з'еднання I. впливае на поздовжн! з'еднання елемент!в при зварюванн! встик. Розраховували залишков! ВПЗ з'еднання смут р!зноГ ширини (60, 80. 100 мм) з листом (500 мм). Зварювання у режим! № 2 таблиц! 1. Залежн1сть ВПЗ в!д довжини зварного з'еднання е на мал. -5.

• Б'бОмм

1,2-

1,0 1V

л *

0.8- л

0.6; \'

\

0.4 ■

л

0,2 • ч

' 1000 2000 Мал. 5. Залежнють ВПЗ в!ддовжини шва L при зварюванн! встик смуг pi3Hoi

ширини (В - ширина вузько! смуги, мм) 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0"

Мал. 6. Залежнють ВПЗ в!д спща1дношення ширини пластин, що зварюються.

Значения зростають при зб1льшенн1 L в1д 0 до 1000-1100 мм, п!сля чого в!дбуваеться насичення значень поздовжн1х зм!щень, тобто на кожний погонний метр шва маемо под/бний за величиною прирост ВПЗ. Характеристика формозмшения довгих зварних конструкцШ _ необхщна для визначення величин олтимальних складальних припускш.

Розрахунково оцЫенно залежн!сть ВПЗ при зварюванн! встик eui poaMipla вузько! i широко! пластин на (мал. 6). Маемо р'1зн| значения ширини 82, в той час як значения В,вважаемо фксованими (р(вними 60, 80, 100, 150, 250 мм). Значения Вг спочатку брали ршними В4 i noTiM збшьшувалися до 600 мм. 3 кривих на малюнку можна бачиги, що за будь-яких сп1вв!дношень Bt /В^якщо В1 б1льше за 250 мм, значения ВПЗ надто мал!.

' Регулювання ВПЗ дозволяе п!двищити точн1сть конструкц1й. Розрахунково ошнено вплив Ытенсивного охолодження на ВПЗ. Охолодження усувае асиметрю тепловщведення до елемент1в, як! зварюються, що дозволяе вир!вняти IxHi поздовжн! перем'ицення. Брали до уваги, що Ытенсивне охолодження при розрахунку е зм!ною коефМента поверхнево! теплов!ддач1 ( 1з зовн1шньо! поверхн! елемента меншо! ширини). Коеф|Ц|'ент використали у р1внянн! балансу енерг!! (1) I його поточн! значения зростали ■ доки було асиметричиим. тепловщведення, що на стадн розв'язання деформацЩно! задач! виключае ВПЗ.

• Розроблено способи регулювання ВПЗ з метою зниження напружено-деформованого стану стикових I таврових з'еднан^. Основним способом регулювання ВПЗ при .зварюванн! встик е Ытенсивне теплов!дведенря з поверхн! елемвнта э меншим поперечним перетином. Ефективними для регулювання ВПЗ при зварюванн! • встик е теплопоглинаюч! пасти i кристален! теплопоглинаюч! стержн!. П!д(брано оптимально склади ласт i стержн!в, що зменшують ВПЗ на 45-50%. Мал. 7.

а)

на

ш ..-.л м и.«

б)

Мал. 7. Юнетика поздовжнЬс перем!щень I залишкова картина ВПЗ при зварювацч! теплопоглинаючими пастами (а)-1 теплопоглинаючими-стержнями .{б); 1г5-.номрри датчик!в мал. 1. . ■ • •...-..-

Зростае точн!сть зварних листових конструкцМ з попередн!м пружним розтягненням оломент1в. Ало ВПЗ знижуе офектйвн!<;ть цього методу,- особливо щодо таврових з'еднань.

Розроблено спос1б регулюаання ВПЗ тавровых, з'еднань, що поеднан! г попередн1м пружним розтягненням. ВПЗ спричинен! лерём!щеннями ст!нки в1дносно полиц! тавра у переб!гу зварювання. Зманшуються зусияля розтягнення ребра б£п!д час зварювального циклу. Необх1дно ф!ксоване сп!вв!дношення попороднього розтягнення ст!нки I полиц!, ала вжо на початку зварюаання розтяжка ребра становить 0,45-0,65 в!д. початкового ^, а в напри!кнц1 зварювання =0. Це призводИть до зрэстання поздовжн!х прогин1в (мал. 8а).

Мал. 8. Проф!ло-грами поверхонь панелей з! сплаву АМгбНПП

а) без стаб!л1зац11 при ЗБарюеанн!;

б) при стаб!л!зац|/ га рахунок компенсацИ ВПЗ.

. Щ ■ •

Запропоновано спос1б стаб!л!зац1Т п1д час циклу зварювання I охолодження з'еднання. Це дозволяе забезпечити необх!днв сп!вв1дношення (листа) по вс!й довжин! з'еднання. (мал. 86).

Об'ектом досл!дження с пгнол! з! сплаву АМгбНПП, кокна з пких скпадаеться з листа розм!рами 2400x1900x8 мм з приварсними до нього ребрами гкорсткост! розм!ром 1900x50x5 мм. В1дстань мЬк ребрами. 170 мм. Пв'нол! пиконувалися електронно-променавим зваргаванням у режимах таблиц! 3,- Олтимальн! стсб1лЬован!

зусилля розтягнення, що забезпечують м1н!мапьн1 подовжн! прогини, для листа 165 МПа, для>ребра 125 МПа.

Лопоредне пружно розтягнення без стаб!л1зац!1 зусилля . елемент!з панели що зварюються електронним променем, спричинюе поздовжн! прогини 2,7-3,0 мм на метр шову. При цьому ВПЗ склало 0,8-0,9 мм/метр. Компенсац1я ВПЗ п!д час циклу зварювання панелей дозволила доспгти таких значень прогин!в, що не перевищують 1,5 мм/метр. Стаб1л!зано зусилля пружинними силовими елементами. Значеня ВПЗ, иеобх!дн1 для визначення робочого ходу силового елемента, визначено за розрахунковою моделлю.

Такий метод силовогЪ впливу на конструкц!ю дозволив створити технолог!ю зварювання великих тонкост!нних панелей з! сплаву АМгбНПП э коеф!ц1ентом використання матер!алу (КВМ) 0,8, П1двиЩено КВМ, бо зменшено зону знем!цнювання таврового зварного з'еднання електронним променем. Маемо висок! службов1 характеристики кутових шов!в завдяки оптимально конструкцИ таврового з'еднання, що ïï розроблено для променевих метод!в зварювання.

Ця технолог!я використана КБ «П!вденне» (м. Дн1пропетровськ) для тонкост!нних i оболонкових конструкц1й вироб!в новоГ техн!ки.

Регулювання ВПЗ теплопоглинаючими пастами при зварюванн! встик дозволило п1двищити точн1сть виготовлення корпусних конструкцй швидк!сних суд ¡а з алюм1н!евого сплаву (довжина • 26 м, ширина - 6",1Р висота 2,2 м). Корпус судна мае багато з'еднань елемент!в складно! форми I рЬноТ жорсткост!, що спричинюе загалом високий р!вень деформацИ конструкцИ. Охолодження елемент!в обшивки зменшуе поздовжн1й прогин корпусу до необх!дноТ величини. Цей метод регулювання впроваджено на суднобуд(вному завод! (м. Пот1).

ВИСНОВКИ:

1. Взаемне поздовжне зм1щення елемент!в при зварюванн! стикових I таврових з'еднань е одним з визначальних чинник!в, що впливають на напружено-деформований стан тонколистових зварних конструкцШ з алюм!н1евих сплав!в. На величину ВПЗ впливають теплоф!зичн1 ! механ!чн! властивост! матер!апу, геометричн! характеристики зварних з'еднань I погонна онерг!я зварювання.

2. Встамовлено, що залишков! поздовжн! нзпруженнй t поздовжн! прогини в стикових I таврових з'еднаннях монш! у випадках, коли ¿ШЦъння мають можлив1сть в1льно! реал1зац11, пор!вняно з пар!антам!1, коли зм!щенНЙ Ы^Шуються. Для стикових з'еднань з сплаву АМгб I таврових з'еднань з1 сплав!в ÀMrèKï I АМгбНПП зменшення напружень I про'гин!в у раз! реал1зац!Т зм!щень сягае 25-Sti'îi')

3. Розроблена розрахункова модель прогнозУвйШЙ ВПЗ при зварюванн! гтикових I таврових з'еднань тонколистових консГрукц!й J К1НЦ£00-елементна методика ÎT чисельноТ реап!зац|1. Показано, що при зб1льЩ'ённ! довжини з'еднання до

певного poaMipy L вщбуваеться зростання значень поздовжн1х зм1щень до величини, що задасться механ!чними, теплоф1зичними властивостями матералу, геомегр1ею з'еднання I режимом зварювання, а при перевищенн! розм1ру -L вщбуваеться насичення значень поздовжжх зм|щень, тобто на кожний погонний метр шва мае Micue ршний прирют значень ВПЗ. Встановлено, що при зб!льшенн1 ширини элемент, що зварюються,значения ВПЗ эменшуються. Показано, що при зварюванм встик елементш si сплаву АМгб шириною до 600 мм при зб1льшенн1 сп1вв'|Дношення поперечних перетижв вщ 0,2 до 0,6 величина змЦцення зменшуеться в!д 1,2 до 0,3 мм, а при подальшому збшьшенж близька до нуля.

4. Встановлено, що ефективним способом зниження ВПЗ при зеарюванш встик е ¡нтенсивне охолоджування елемента з'еднання меншо! ширини. Доведена ефективнють .застосування теплопоглинаючих паст I стержн!в для зниження поздовжжх змкцень. Розроблеш склади паст I стержжв. що забезпечують високу швидк!сть охолоджування. Показано, що застосування розроблених охолоджуючих систем дозволяе знизити залишков! значения змщень при зварюванн1 алюмМевих

. cnnasie на 45-50%.

5. Встановлено, що при зварюванн1 таврових з'еднань ефективним методом пщвищення точности виготовлення тонколистових конструкшй с попередне пружне розтягнення елементш, що зварюються в поеднанш з компенсац!ею ВПЗ. СтабМзацш зусилля розтягнення стЫки тавра пщ час циклу зварювання за рахунок пружного навантаження дозволяе компенсувати негативний вплив ВПЗ на конструкц!ю I знизити поздовжн! прогини 8 2-3 рази пор1вняно з вар1антом ■ зварювання без компенсацп.

6. Розроблено технологию виготовлення великогабаритних tohkoctîhhhx панелей високоГ розм1'рноГ точносп з алюм[ш'еоого сплаву АМгбНПП, ¡3 застосуванням електронно-променевого зварювання у поеднанЫ з попередн1м пружним розтягненням елеменлв, що зварюються. Технолопя зменшус подовжш прогини

. конструкц|й до 0,8 мм на погонний метр шову. Пщвищено коефвдент використання матергалу В1Д 0,2 до 0,8. .

Ochobhî результати дисертацм висв!тлеш у таких працях:

1. Cnociô з'еднання електрода з струмоведучим стержнем. /Б.А.ЗадерЮ, Г.К.Харченко, С.С.Котенко, М.О.Пащин// Авторське свщоцтво № 137435 вщ 07.04.86.

2. Теплопоглинаючий елемент i склад для його виготовлення /Л.М.Лобйнов, В.П.Логинов, М.О.Пащин, В.В.Лисак// Авторське св'щоцтво № 1449727 в!д 28.10.86.

3. СпоЫб з'еднання електрода'з струмоведучим стержнем /Б.А.Задер1й, Г. К.Харченко, С.С.Котенко, М.О.Пащин// Авторське се!доцтво № 1S10S509 вщ 04.04.88.

4. Технология I обладнання для автоматичного бездеформацШного зварювання панельних конструкции з легких сплав1о /М.О.Пащин//1! конференц!я молодих вчених I фах1вц1в: Тези доповШей, Ки1в, 1988, стор. 38. ■

5. Регулювання напружено-деформосаного стену при эварюванн! тонкостЫних великогабаритних панелей з високом!цних алюм!н1евих сплав1в /В.1.Павловський, М.О.Пащин// Матер1али III Всесоюзного симпоз!уму «Технологии! эалишков1

' напруження», КутаТси. 1988, с.293-299.

в. Вплив багатократних п!дварок електронним променем на мехажчн! характеристики велнкогабаритних оребрвних панелей з високом!цного сплаву АМгбНПП /М.О.Пащин, Г. А.Чайка, С.В.Назаренко// М!жнародна конференц!я молодих вчених о облает! зварювання i спор!дноних технолог1й: Тези допов!дей, КиТв, 1988, с.79.

7. Виготовлення зварних великогабаритних tohkoctIhhhx панолей з високом!цних алюмМгвих сплав!в /Б.б.Патон, Л.М.Лобаноо, В.1.Павловський, М.О.Пащин// журн. "Автоматич. сварка", № 10, 1989 с.23-36.

8. Розробка технологи виготовлення зварного корпусу океанськоТ яхти для neperoHla «ФАЗИСИ» /В.1.Павловский, М.О.Пащин// М1жнародна конференц1я «Зварн1 конструкцГ!»: Тези допов!дей, Ки1в, 1990, с.ЗЭ.

9. Регулювання тсрмодеформац!йних цикл!в при зварюванн! листових конструкции 1з застссузанням теплопоглинач1з' /Л.М.Лобанов, В.КПавловський, В.П.Логинов, М.О.Пащин//журн. «Аптоматич. сварка» Nä Q, 1990, с.25-31.

10. Cnociö виготовлзннл зсарно! ребристо? панел! /Л.М.Лобаноа, В.1.ПаплоЕСЫо:й, Л.Ф.Чопонко, М.О.Пащин// Апторськр рс!доцтро N516S090S в!д 0a.03.91.

11. Зэбезпечсння точност! виготовлення зварного корпусу окранськоТ яхти для. riepVrOHla //В.1.Пас;ювсьх1;Г Л.М.Лобанов, ^.^.Грищснко, ДО.О.П?.щин// Жури. «Лвтоматич. сварка» N23, 1993, с.35-41.

12. П1двищсння kkoctI таерозих э'е'днзд!» *вар.них т,о,н;к.ост]нних панелей з нагортссанного сплаву ЛМгСНПП /Л.М.Лсбг^др, ^.Д^Кадке-ги^, ^Л.Пащин// Журн. «Аотсматич. сворка« N5 1, 1005, 0.44-40.

13. Вплив пз?. емкого пегдогохньегр РЛГИ^тй, ;;>о сварюються, Ht\ ззлишязг! форыозгЛноння листових ронстрщф гдор.мЭДргде* /Л.М.Лобанов, 3.1.Па?лсзсьа:Я, М.О.Пз'Д«»// МЬягародна конфер;?НЦ'3 гриструкцА»: Тези допоп'дсЛ, 1995, с.27.

14. Впяиз сгагмиого по^о^Н^го гм^щения уу? сп^р'сються на нвпрушжо-доформосаний 'стг;я листозих ко!{струрц1й' 5 «?г;р:.-*;н!свих сплов)в /Л.М.Лобаноз, 8.1.ПазлоаськиГ1, ГИ.О.Пащин// 'йСурц. "Дцтр,:;^;^. рр^рка», №3, 1920, ' с.19-35. . ' . " ". '

15. Регулюоання взаемного поздовжнього зм!щення при зварюванн1 встик тонколистових конструкц1й з алюм!н!евих сплав1в за допомогою водовм!сних теплопоглинач1в /Л.М.Лобанов, В.1.Лавловський, М.О.Пащин// Журн. "Автоматич. сварка» N35, 1997, с. 17-28.

16. Модель термомехан!чного • процосу при зварюванн! пластин, що 1х но згинають, з урахуванням Тх в(дносних зм!щень /1.К.Сенченков, Г.А.Таб1ева, М.О.Пащин, О.П.ЧервЫко// Журн. "ТохнИна механ!ка», над!йшло до ред.25.03.97.

17. Роэрахункова модель для визначання взаемних лоздовжн!х зм!щень при зварюванн! тонколистових конструкц!й з алгам!н!ееих сплав!в /Л.М.Лобанов, В.1.Павловський, В.А.Санченко, М.О.Пащин, 1.К.Сенченков, Г.А.Таб1ева// Журн. •Автоматич. сварка», надщшло до род. 20.04.997.

18. 1.К.Сенченков, Л.М.Лобанов, О.П.Черв!нко, М.О.Пащин. Законом!рност1 в1дносних поздовжн!х зм!щень пластин при стикосому елехтрозварюванн!.// Журн. Допов!д1 НАН Украши. Над/йшло до ред. 18.07.97.'

19. Акустичний контроль зварних шв!в панелей з алюмМевих сплашс /М.Л.Жадкевич, Л.М.Лобанов, М.О.Пащин//Рег1оналышй семЫар Якутського паукового центру СВ РАН «Технолог1я ! як!сть зсаргасання в умовах низьких температур», Якутськ, Ю97, с.53-55.

Особистий вносок автора. У (1) показано актуальней. виачоння взаемного поздовжнього змадення /ВПЗ/ при зварюванн! стикослх ! тасрових з'еднань для п(даищення точност! тонкэлнсюзих .зварних конструкц!й. У (2) розроблано методику I проведено скслеримеитальж досл'д^синя ППЗ стикових I тасрових з'еднань з алюм!н1евих сплас!а. У (3) ааг.ропоновано мотодолог!чний Ыдхщ I розроблоно гранична умоси, що доэсолллть мэделюсати ВПЗ ] ошнювати його онссо:< в залишкоаэ формозмЬюннл. У (4) эалропоносамо могоди регулюоання ВПЗ спмових I таврових з'еднаиь. У (5) розроблено технолог!! сиготовлення тонкостшних панелей Ы сплаву АМгНПП 1з застосуоанням елоктронно-промоневого зварюсання у поеднанш з попередшги прухеним рэзтягненням елс.мент1з, що зварюються, а тако>:; п1двищення точност! суднохорпусних констру!:ц:й з1 сплаву АМгС.

АННОТАЦИЯ

Пзщин Н,Л. Рукопись диссертация на соисканио ученой степени кандидата .технически наук по специальности С5.03.С5 «Технология и машины для сварки и смежных процессов» на тему «Исапедосание взаимных продольных смещений (ВПС) олементо.з конструкций'при саарко н разработка методов их регулирования».

Защищаются результаты экспериментального исследования и регулирования ВПС элементов при сварка стыковых и тавровых соединений, а также расчетный метод для определения ВПС и оценка его влияния на точность сварных конструкций.

Ключевые слова: взаимные продольные смещения, сварные конструкции, стыковые и тавровые соединения, расчетный метод.

АНОТАЦ1Я

Пащин М.О. Рукопис дисертацИ на эдобуття вченого ступени кандидата техн1чних наук за спец1альн1стю 05.03.06 «Технолог1я та устаткування для зварювання та спор!днених процес1в» на тему «Досл1дження взаемних поздоежн1х зм1щень (ВПЗ) елемент1в конструкц1й при зварюванн! та розробка метод1в Гх регулювання».

Захйщаються результат експериментапьного"досл1дження I регулювання ВПЗ елемент!а при зварк^анн! стикових та таврових з'еднань, а також розрахунковий метод для сизначення ВПЗ та оц!нка його вплизу на точн!сть зварних конструкц!й.

Ключов! слова: взаемн! поздовжн! зм1щення, зварн! конструкцн, стиков) та тавров! з'еднання, розрахунковий метод.

ABSTRACT

Inerstlqatlon of reciprocal lonqetudinal displacement (RLD) elements of structures durlnq weldlnq and worklnq out methods of It's controls by Paschln N.A. The dissertation of a Candidate of Technical Sciences on the Speciality 05.03.06 - Tochnoloqy arid Equipment for Weldlnq and Related Processes. Patons Institute of Electric Weldinq, Ukraine, Kiev, 1997.

The results of experimental Investlqatlbn RLD elements durlnq Weldlnq butt and T-yolnts and prediction method of determination influence RLD on accuracy of welded structures.

. Key words: reciprocal lonqltudlnal displacement, welded structures, butt and T-yolnts, Prediction method, j