Принципы конструктивно-технологического проектирования сварных конструкций

Отмеченные выше особенности сварных конструкций показывают, что для создания наиболее рациональных конструкций необходимо при их проектировании учитывать все технологические воздействия, которые она испытывает в процессе изготовления. Следовательно, необходимо комплексное проектирование сварной конструкции и технологического процесса ее изготовления, так как только в этом случае можно выбрать такие решения, которые обеспечат необходимую работоспособность сварной конструкции при минимальных затратах материалов, труда и времени на ее изготовление. При одновременном проектировании конструкции и технологического процесса ее изготовления могут быть выбраны формы, облегчающие механизацию и автоматизацию процессов изготовления сварной конструкции, и использованы технологические средства для повышения ее работоспособности.

Насколько взаимосвязаны конструктивные формы и технологические приемы сварки особенно наглядно видно на следующем примере разработки конструкции и технологии изготовления редукторного колеса. Предположим, что при проектировании зубчатого колеса редуктора (рис. 12.1) для обода и вала выбрали (по соображениям работоспособности их в условиях эксплуатации) закаливающуюся высокопрочную сталь, которая требует подогрева при сварке. Для дисков выбрали малоуглеродистую сталь, не требующую подогрева при сварке.

Сопряжение этих двух сталей в конструкции колёса имеет место в двух случаях: при сварке обода с дисками и при сварке дисков с валом. Если в обоих сопряжениях применить одну и ту же технологию сварки с предварительным подогревом той части конструкции, которая выполнена из закаливающейся стали, то сопряжение обода с дисками окажется вполне работоспособным, а в сопряжении дисков с валом возникнут трещины еще в процессе изготовления.

Подогретый индукторами обод при остывании будет вызывать в швах, соединяющих его с дисками, напряжения сжатия, которые лаже облегчат восприятие эксплуатационной нагрузки, вызывающей в них напряжения растяжения. Подогрев вала перед сваркой приведет к тому, что при его остывании после сварки в швах, соединяющих его с дисками, возникнут напряжения растяжения и произойдет отрыв дисков от вала. Таким образом, при соединении сваркой двух сталей одна и та же технология дает в одних конструктивных условиях положительные результаты, а в других конструктивных условиях – отрицательные. Следовательно, выбирать технологию сварки тех или иных материалов без учета особенностей свариваемой конструкции недопустимо. Но с другой стороны также недопустимо выбирать конструктивные формы сварных соединений без учета конкретной технологии изготовления конструкции. В рассматриваемом случае для предотвращения отрыва дисков от вала, сварку необходимо производить без применения подогрева, а для предотвращения подкалки околошовной зоны надо изменить конструкцию сопряжения. На вал в местах примыкания дисков необходимо наплавить буртик из незакаливающегося металла. Высота h буртика должна быть такова, чтобы при сварке его с диском температура нагрева основного металла вала была ниже критической температуры Ас_ъ что исключает подкалку основного металла. Высота h определяется расчетом, основанным на теории распространения тепла при сварке. При значительных размерах редукторного колеса осуществить сварку кольцевого шва, соединяющего обод с диском с одного подогрева не удается, так как за время сварки температура обода может опуститься ниже той температуры подогрева, которая требуется для примененной стали. Поэтому потребуются повторные подогревы обода, причем температура Т дополнительного подогрева будет определяться режимом и скоростью сварки, длиной участка выполняемого с одного подогрева и интенсивностью остывания нагретого обода.

Наряду с расчетами прочности должны производиться и расчеты точности, которые в настоящее время, как правило, совсем не производятся. При проектировании обычно ограничиваются лишь требованиями к точности отдельных элементов и конструкции в целом, не проверяя, в какой мере при выбранных конструктивных формах достижима эта точность. В настоящее время существуют инженерные методы расчета деформаций, возникающих при сварке, которые позволяют расчетным путем оценивать достижимую точность сварного элемента, а следовательно, еще при проектировании конструкции предусматривать те меры повышения точности, которые придется принимать при изготовлении конструкции, если конструктивными средствами достичь требуемой точности невозможно.

Таким образом, при конструктивно-технологическом проектировании сварных конструкций должны применяться уточненные методы расчетов прочности и устойчивости отдельных элементов, а также расчетные методы оценки технологичности и точности сварных конструкций. Очевидно, что применение новых методов расчетов, основанных на комплексном учете разнообразных конструктивных и технологических факторов, потребует в ряде случаев пересмотра норм и критериев оценки качества сварных конструкций. Это должно быть произведено после накопления некоторого опыта применения расчетных методов конструктивно-технологического проектирования сварных конструкций.

Разработанные к настоящему времени принципы конструктивно-технологического проектирования сварных конструкций, и соответствующие методы их расчета, изложены в ряде работ.

Из рассмотренного выше следует, что технологии изготовления при проектировании сварных конструкций до сего времени уделялось мало внимания. Это приводило к тому, что, во-первых, она недостаточно учитывалась при оценке прочности проектируемой конструкции и, во-вторых, не использовались технологические средства для повышения работоспособности сварных конструкций. Поэтому, касаясь вопросов учета влияния технологии изготовления сварных конструкций при их проектировании, необходимо отметить следующее:

1. Наряду с расчетами прочности должны производиться расчеты точности изготовляемой конструкции. Это необходимо для получения форм и размеров, более точно отвечающих проектным размерам и формам как отдельных элементов, так и всей конструкции в целом, что обеспечивает более полное соответствие действительных условий работы конструкции проектным. Кроме того, при расчетах точности могут быть исключены случаи, когда принятые конструктивные формы не позволяют получить требуемую точность.

Повышение точности конструкций в результате выбора соответствующих конструктивных форм и применения предусмотренных проектом специальных мер (предварительные напряжения, обратный выгиб и др.) позволит упростить сборочные и сварочные операции и исключить многие трудоемкие ручные операции подгонки, правки и т. п. Определение расчетом величины возможных сварочных деформаций позволит правильно назначать размеры припусков на механическую обработку, что в свою очередь повысит точность механической обработки и исключит во многих случаях термическую обработку для снятия напряжений.

2. При проектировании сварных конструкций должны в необходимых случаях определяться напряжения, возникающие при сварке. Это необходимо для выбора рациональных форм сжатых сварных стержней и для правильной оценки местной устойчивости плоских сжатых листов, входящих в состав сварной конструкции. Знание величины сварочных напряжений и напряжений, остающихся после приложения внешней нагрузки, необходимо для оценки стабильности размеров сварной конструкции и для определения остаточных деформаций, возникающих в процессе эксплуатации.

3. Для повышения работоспособности сварных конструкций должны применяться не только конструктивные, но и технологические средства. Технологические возможности сварочной техники весьма разнообразны и позволяют выбирать из них наиболее удобные для рассматриваемых условий. Однако наиболее широкие возможности повышения работоспособности сварных конструкций открываются при применении метода регулирования напряженного состояния конструкции путем введения поля дополнительных напряжений, создаваемых наплавкой валиков, местным точечным нагревом и местным пластическим обжатием основного металла.

Путем регулирования указанными средствами напряженного состояния, создаваемого внешними нагрузками, представляется возможным в значительной мере ликвидировать отрицательное влияние концентраторов напряжений и полностью использовать свойства основного металла. В частности метод регулирования напряженного состояния позволяет существенно повышать выносливость и сопротивляемость хрупким разрушениям сварных конструкций, имеющих концентраторы напряжений.

В отношении современного подхода к конструктивному оформлению сварных конструкций необходимо отметить следующее:

1. Конструктивные формы сварных элементов должны по возможности исключать резкие изменения сечений и обеспечивать плавность переходов в местах, где изменения сечений необходимы. В частности, для всех конструкций следует избегать приварки коротких элементов, создающих резкую концентрацию напряжений, особенно опасную для конструкций, работающих под действием вибрационной нагрузки и в условиях температур ниже переходной температуры для данного материала.

2. В связи с отмеченным в предыдущем пункте следует отдавать предпочтение сплошным конструкциям, в которых легче избегать мест значительной концентрации напряжений. При применении решетчатых конструкций следует для элементов выбирать сплошные сечения и избегать сквозных элементов.

3. При проектировании сварных конструкций следует избегать большого числа второстепенных элементов, которые сами слабо работают, но создают концентрацию напряжений в основных элементах. В частности, в конструкциях, работающих в условиях, когда могут возникнуть явления усталости и хрупкие разрушения, следует избегать применения соединительных решеток и соединительных планок между отдельными ветвями составного стержня. Планки и решетки следует заменить сплошными листами, которые нужно вводить в расчетное сечение элемента. Постановку ребер жесткости надо производить с учетом действующих в основном сечении напряжений, размещая их по возможности в менее напряженных местах (рис. 12.2а), или учитывать создаваемую ими концентрацию напряжений. Следует отдавать предпочтение ребрам жесткости, расположённым по направлению основного силового потока, а не поперек его (рис. 12.2б).

4.
В сварных конструкциях следует избегать постановки многочисленных местных косынок, создающих неравномерность напряженного состояния и концентрацию напряжений. В частности, не следует ставить большого числа косынок в жестких углах рам с криволинейным поясом (рис. 12.2в), а также в листовых конструкциях в местах сопряжения обечаек друг с другом или с плоскостью (рис. 12.2г),нужно заменять их в последнем случае при необходимости непрерывными кольцами жесткости.

5. С целью дальнейшего облегчения сварных конструкций следует при проектировании предусматривать применение других технологических процессов (штамповки, гнутья, литья и др.) для производства заготовок, а также применение в одной конструкции различных материалов или различных марок стали.

6. Учитывая большие преимущества трубчатых сечений, следует развивать конструкции из труб и из элементов трубчатого сечения. В частности, более широкое применение должны найти штампованные заготовки и гнутые профили при условии уточнения конструкции и технологии выполнения сопряжений, исключающих опасность появления трещин в местах перегибов.

Необходимо некоторые выводы сделать и в отношении содержания действующих в различных отраслях промышленности и строительства правил, норм и технических условий. Современные правила и нормы не могут охватить всего разнообразия конструкций и условий их работы, которые возникают на практике и которые должны учитываться при проектировании. Поэтому проектировщик должен самостоятельно решать целый ряд вопросов, опираясь на некоторые основные положения правил и норм. Поэтому все положения, которые приводятся в правилах, должны быть понятны, и должно быть ясно, какими обстоятельствами они обусловлены.

В правилах должно быть минимальное количество всякого рода частных требований и запрещений и совсем не должно быть таких, которые непонятно чем вызваны. Чрезмерная опека связывает инициативу проектировщика, а неясность требований заставляет его проектировать формально, что не способствует творческому подходу к совершенствованию конструкции.

Совершенно недопустимо, когда разные правила приводят разные характеристики для одного и того же материала или разные требования к одним и тем же узлам конструкции, не обусловленные разной спецификой работы конструкции.

Необходимо, чтобы в правилах и нормах четко формулировались требования, предъявляемые к конструкции, но не ограничивались бы средства, которыми эти требования могли бы быть удовлетворены.

Массовое внедрение сварных конструкций в различные отрасли требует непрерывного их совершенствования. Это тем более необходимо, что современная сварочная техника располагает широкими возможностями дальнейшего улучшения качества и повышения экономичности сварных конструкций.

К настоящему времени уже достаточно определились и те направления, по которым должно идти совершенствование сварных конструкций. Эти направления следующие:

1. Переход на новые принципы конструктивно-технологического проектирования сварных конструкций. Комплексное решение вопросов прочности, точности, технологичности и экономичности позволяет создавать наиболее рациональные сварные конструкции, которые потребуют наименьших затрат материалов, времени и труда на их изготовление и обеспечат наибольшую их долговечность. Этот переход обеспечит, наряду с использованием имеющихся возможностей, создание новых возможностей совершенствования сварных конструкций и, в частности, обеспечит дальнейшее развитие расчетных методов конструктивно-технологического проектирования, учитывающих в расчетах прочности влияние технологии, а при проектировании технологии изготовления – возможности регулирования напряженного состояния сварных конструкций.

2. Расширение применения комбинированных сварных конструкций с использованием в одной конструкции различных материалов и различных технологических процессов для производства заготовок. Если в настоящий момент для комбинированных сварных конструкций в основном используют различные металлы, то в ближайшем будущем должны использоваться такие материалы, как пластмассы, ячейчатая бумажная масса в качестве связующего элемента в тонкостенных сварных трубчатых элементах, а также должны применяться такие технологические процессы, как склеивание (например, бумажного заполнителя с металлическими стенками сжатого элемента).

3. Более широкое применение предварительно напряженных конструкций и более полное, использование местных предварительных напряжений для повышения работоспособности отдельных узлов и сопряжений в сварных конструкциях.

Перечисленными направлениями не исчерпываются все возможности дальнейшего совершенствования сварных конструкций, однако отмеченные пути являются такими, которые должны быть использованы в первую очередь, так как они определяют и технические и организационные формы, необходимые для дальнейшего быстрого прогресса в области сварных конструкций.