Автоматизированная термическая правка сварных тонколистовых конструкций

14.07.2018
Опыт изготовления сварных тонколистовых конструкций показывает, что часто встречаемый вид местных деформаций — коробление (бухтиноватость) металла листа образуется вследствие потери устойчивости от напряжений сжатия, вызванных продольной усадкой сварных швов от приварки ребер жесткости. Если эти деформации превышают допустимый уровень, обычно используют термическую правку, в результате которой в металле листа возникают пластические деформации укорочения, позволяющие убрать «лишний» металл.

Термическую правку сварных тонколистовых конструкций можно рассматривать как непродуктивные затраты. Так, на судостроительных заводах ее объемы по затратам квалифицированной рабочей силы составляют 10...15 % суммарного объема затрат на сборку и сварку корпусных конструкций, а в некоторых случаях при правке тонкостенных конструкций могут достигать 40...45 % и более. При производстве корпусов вагонов деформации бухтиноватости составляют приблизительно 50 % всех видов сварочных деформаций формоизменения, а затраты на термическую правку могут достигать 20 % стоимости изготовления корпуса вагона. При этом до настоящего времени нет данных относительно разработки и применения автоматизированной термической правки сварных тонкостенных конструкций.

Величина остаточных пластических деформаций при термической правке зависит от максимального значения и распределения температуры нагрева, мощности источника, количества и расположения мест нагрева, остаточных напряжений и жесткости конструкции, жесткости внешнего закрепления и пр. Таким образом, эффективность термической правки зависит от большого количества параметров, что является основной проблемой при автоматизации такой технологической операции. Одним из путей решения этой проблемы является выбор оптимальных параметров нагрева, количества и расположения пятен нагрева на основе математического моделирования процесса термической правки для каждой конкретной конструкции. Современный уровень компьютерной техники и расчетных методов прогнозирования напряженно-деформированного состояния в тонколистовых конструкциях позволяет проводить такое моделирование и определять оптимальные параметры процесса термической правки оперативно, в режиме реального времени.

При автоматизации процесса термической правки тонколистовых сварных конструкций важен правильный выбор источника нагрева. Традиционно используется нагрев газовым пламенем, однако этот источник нагрева имеет ряд недостатков с точки зрения автоматизации процесса. Целесообразно рассмотреть возможность применения альтернативных источников нагрева, например, электросопротивлением, индукционным, плазменным и другими источниками. Для того, чтобы автоматизировать контроль формы сварной конструкции и позицирование нагревающего устройства, необходимо использовать либо промышленный робот, либо специальный манипулятор.

Математическое моделирование. Оно может помочь решить две задачи. Во-первых, определить оптимальные параметры нагрева, при которых возможно получение максимальных остаточных пластических деформаций усадки при отсутствии местной потери устойчивости листа металла. Во-вторых, определить необходимое количество местных нагревов и их расположение для того, чтобы устранить или уменьшить деформации коробления конструкции в допустимых пределах. Математическое моделирование процесса термической правки должно выполняться оперативно, в режиме реального времени, т. е. математическая модель должна быть максимально упрощена. С этой целью форма пятна нагрева была выбрана круглой (рис. 1). Это позволило разработать для решения первой основной задачи одномерную модель нагрева круглого пятна в листе металла бесконечных размеров. Были приняты следующие допущения: плоское напряженное состояние и отсутствие перемещений из плоскости; симметрия в плоскости листа; неограниченные размеры листа, что соответствует реальным условиям нагрева концентрированным источником на некотором удалении от края листа. При решении использовали методы решения задач термопластичности. В результате последовательного прослеживания образования и развития пластических деформаций во время нагрева и остывания определяли остаточные пластические деформации усадки от такого нагрева в листе металла. Модель дополнена также возможностью учета процесса местной потери устойчивости. В результате путем последовательного уточнения определяли оптимальные параметры нагрева, при которых возможно получение максимальных остаточных пластических деформаций усадки при отсутствии местной потери устойчивости листа металла.
Автоматизированная термическая правка сварных тонколистовых конструкций

В качестве примера на рис. 2 и 3 приведены расчетные данные распределений температуры, пластических деформаций и напряжений в стальном (Ст. 3) листе толщиной 2 мм в разные моменты времени от начала нагрева. Радиус пятна нагрева 10 мм, эффективная мощность источника нагрева 245 Дж/с, время нагрева 30 с. На рис. 4 приведены данные из работы относительно рекомендуемых диаметров нагрева до температуры 600 °С, а также полученные расчетные данные относительно максимальных диаметров пятна, при которых еще не возникает местной потери устойчивости при различном времени нагрева до температуры 600 °С. Чем меньше время нагрева, тем больше максимальный радиус пятна нагрева. Для получения этих данных использовали разработанный подход, в котором потеря устойчивости происходит в достаточно большой области, где возникают температурные напряжения сжатия. Для оценки критического состояния, при котором происходит потеря устойчивости, использовали метод Бубнова-Галеркина для жесткой круглой пластины, шарнирно опирающейся по контуру и свободной в радиальном направлении.

После того, как вычислены оптимальные параметры круглого пятна нагрева для данного материала и толщины листа металла, необходимо определить количество таких пятен нагрева и их расположение для данной конструкции с учетом ширины и длины зоны бухтиноватости, количества волн бухтиноватости и их максимальных прогибов (рис. 5). Для оценки «лишней» площади F листа, которую необходимо убрать при термической правке в рамках зоны бухтиноватости 0<х<а, 0<у

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: