Влияние сварочных деформаций и напряжений на прочность сварных конструкций
Помимо того, что коробление сварных деталей нарушает весь процесс их изготовления, вводя ряд новых операций по правке, подгонке, прирубке соединяемых между собой деталей, сварочные деформации, искажая сечения отдельных элементов и искривляя геометрические оси их, изменяют условия работы сварных деталей и конструкций. Такого рода изменение характера работы сварного элемента конструкции может не только изменить его прочность, но и привести к перераспределению усилий от внешней нагрузки между всеми другими элементами рассматриваемой конструкции, а это последнее вызовет снижение напряжений, по сравнению с расчетными предположениями, в одних элементах за счет перенапряжения других частей конструкции.
Все это заставляет смотреть на общие деформации и коробление сварных деталей не только как на обстоятельство, усложняющее процесс постройки сварных конструкций, но и как на причину возможного нарушения прочности конструкции в процессе эксплоатации.
Рассматривая различные виды общих сварочных деформаций с точки зрения влияния их на прочность сварных конструкций, необходимо разделить общие деформации, получающиеся в процессе сварки, на две группы. К первой группе следует отнести деформации, связанные с искривлением геометрической оси сварной детали, тогда как во второй группе — местные выпучины, волнистость и другие искажения поперечного сечения сварной детали.
Первая группа деформаций изменяет характер работы детали в том отношении, что добавляет вследствие имеющихся искривлений новый вид напряжений, увеличивая таким образом фи брозые напряжения против расчетных. Так, в случае, если прямолинейный элемент какой-либо решетчатой конструкции получит в процессе сварки изгиб своей продольной оси, то под действием полезной нагрузки он будет не только равномерно рас — 196
тянут или сжат продольной силой Р, но и изогнут моментом, равным:
где z — стрелка прогиба элемента, вызванная сваркой. При этом напряжения в элементе возрастут в п раз, причем:
F’W _ , , F^z — * Г w.
Здесь F и W— площадь и момент сопротивления сечения. Для прямоугольного сечения с высотою Л, при стрелке прогиба z=)rh, напряжения увеличиваются в два раза (п — 2).
Рис. 180. Схема образования трещины в стенке двутавровой балки.
Вторая группа деформаций — выпучины, волнистость — изменяет характер работы детали в том отношении, что, выключая из работы часть поперечного сечения, уменьшает его площадь и момент сопротивления и, следовательно, повышает напряжения против расчетных (рис. 180).
Так, например, в случае сварной консольной двутавровой балки, в результате угловой деформации при сварке стыкового шва поясного листа может произойти выпучина пояса в соответствии с отмеченным в § 42, если не будут в процессе сварки приняты соответствующие меры, о которых будет сказано ниже (§ 63). Если к тому же поясные швы будут выполнены прерывистыми, то на протяжении выпучины поясной шов может оказаться отсутствующим. Тогда, при загружении в районе выпучины вместо двутаврового сечения балки будет работать однотавровое сечение, момент инерции которого во много раз меньше момента инерции всего сечения. При этом не исключена возможность появления в стенке трещины (рис. 180, а). В отдельных случаях, как показал опыт эксплоатации сварных конструкций, трещина в стенке может не привести к аварии, если выпучина будет не слишком велика, а стыковой шов будет выполнен из материала с достаточно высокими пластическими свойствами. В таком случае трещина раскроется, поясной лист натянется, прижмется к стенке и вступит в работу (рис.180, б), вследствие чего расчетное сечение балки восстановится и дальнейшее рас-
иространение трещины будет предотвращено. Однако, если вы — пучина окажется достаточно большой, а пластические свойства наплавленного металла стыкового шва —низкими, то трещина может распространиться на достаточно большую часть стенки, а сварной шов может треснуть раньше, чем пояс успеет прижаться к стенке и тем прекратить изгиб шва.
Аналогичное положение может создаться и в случае выпучины в элементах растянутого сечения. Так, например, если растянутый элемент имеет замкнутое сечение, состоящее из четырех листов, то в районе поперечного стыкового шва горизонтальных листов может произойти прогиб горизонтальных листов, как показано на рис. 181. Тогда продольное усилие будет в основном
Рис. 181. Влияние деформаций поясов растянутого элемента на распределение напряжений.
восприниматься вертикальными листами и той частью горизонтальных, которая, будучи связанной с вертикальными листами, сохраняется плоской. Остальная часть горизонтальных листов почти полностью выключится из работы. В связи с таким изменением рабочего сечения, вместо равномерного распределения напряжений по сечению горизонтального листа, будет иметь место неравномерное распределение напряжений со значительным перенапряжением краев горизонтального листа (рис. 181, а).
Подобные же условия работы оказались бы и в том случае, если бы элемент, приведенный на рис. 181, а, был снабжен поперечными диафрагмами, поясные швы которых вызвали бы волнистость горизонтальных листов (рис. 181,6).
Из приведенного видно, что изгиб свариваемых элементов и выпучины отдельных листов, входящих в состав расчетного се чения, приводят к тем или иным перенапряжениям, которые могут отразиться на прочности конструкции. Поэтому разработка методов борьбы со всеми видами коробления при сварке является исключительно важной задачей.
Влияние сварочных деформаций и напряжений на прочность сварных конструкций
Как отмечалось выше, при стыковании на монтаже двух секций конструкции условия для выполнения сварки являются наиболее тяжелыми. Выполнение сварки всего сечения одновременно— совершенно невозможно, а поэтому после наложения части швов …
Влияние методов выполнения шва
Если на общие деформации сварных конструкций большое влияние оказывает последовательность наложения отдельных швов, то на местные деформации и деформации из плоскости свариваемых листов существенное влияние оказывает метод выполнения каждого шва. …
Влияние последовательности наложения швов
Как отмечалось выше, при сварке сложных составных сечений и конструкций характер возникающих деформаций зависит от порядка наложения швов. Поэтому одним из основных средств борьбы с деформациями при изготовлении сварных конструкций …
ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ СВАРКЕ КОНСТРУКЦИЙ
63. Деформации при сварке двутавровых балок При сварке двутавровых балок могут возникнуть как общие деформации (изгиб и укорочение всей балки), так и местные деформации поясов или вертикальной стенки. И общие …
Меры борьбы с деформациями и напряжениями, вызываемыми структурными превращениями
Как и в случае сварки малоуглеродистых сталей, при сварке легированных сталей необходимо принимать все ранее указанные меры для предотвращения сварочных деформаций и напряжений. Однако, кроме того, необходимо применять меры борьбы …
Упругий обратный выгиб
При применении упругого выгиба, как средства борьбы с короблением, могут иметь место две разновидности этого метода: при упругом выгибе полосы. упругий и упруго-пластический выгибы. Характерной особенностью этих способов создания предварительного …
МЕРЫ БОРЬБЫ СО СВАРОЧНЫМИ ДЕФОРМАЦИЯМИ И НАПРЯЖЕНИЯМИ
ЪО. Применяемые методы предотвращения или ликвидации сварочных деформаций и напряжений Не касаясь таких основных приемов уменьшения сварочных деформаций и напряжений, как рациональный выбор: режима сварки, метода выполнения сварного шва, последовательности …
Значение структурных напряжений
Влияние структурных напряжений на прочность сварных конструкций, выполненных из низколегированных конструкционных сталей, проявляется прежде всего в виде трещин, которые могут возникнуть в процессе сварки, если не будут приняты специальные меры …
Значение сварочных напряжений для прочности сварочных конструкций
Из приведенного выше рассмотрения вопроса о суммировании сварочных напряжений с напряжениями от полезной нагрузки следует, что сама по себе величина начальных напряжений не имеет значения для характера дальнейшей работы элемента, …
Суммирование сварочных напряжений с напряжениями от полезной нагрузки
Для того, чтобы можно было оценить значение сварочных напряжений для прочности сварной конструкции, необходимо прежде всего установить, как суммируются сварочные напряжения с напряжениями от полезной нагрузки. Для этого рассмотрим несколько …
46. Влияние сварочных деформаций на работу сварных конструкций Помимо того, что коробление сварных деталей нарушает весь процесс их изготовления, вводя ряд новых операций по правке, подгонке, прирубке соединяемых между собой …
Условия образования трещин при сварке вследствие структурных превращений
Наиболее неприятным проявлением структурных превращений при сварке являются трещины; схема их образования может быть представлена в следующем виде. Если, используя график распределения температур вдоль отдельных волокон (рис. 179, а) и …
Влияние структурных превращений на деформации и напряжения при сварке
Для установления влияния структурных превращений на величину деформаций и напряжений при сварке легированных сталей ниже схематически рассмотрены деформации и напряжения при наплавке валика на кромку полосы. На рис. 176 показана …
Схема структурных превращений
Выше, в § 13, был приведен метод определения деформаций и напряжений, вызванных структурными превращениями при сварке легированных сталей. Как там было установлено, для возможности определения деформаций и напряжений в любой …
Деформации при сварке соединений внахлестку и др
К случаю сварки встык двух листов равной или разной ширины может быть приведен ряд сварных соединений. Так, например, в случае соединений внахлестку двух листов примерно одинаковой ширины, при налЛкении первого …
Характер деформаций поясов ‘ тавровых сечений
Приведенные выше формулы пред-. полагают полную гибкость поясных листов, вследствие чего их общий прогиб должен был бы быть таким же, как и прогиб стенки. В действительности пояса обладают известной жесткостью …
Влияние размеров тавров на деформации стенки
Для установления степени влияния размеров стенки и поясов на прогибы тавров, ниже рассмотрены зависимости кривизны тавровых сечений от соотношения моментов инерции стенки и всего сечения, от соотношения площадей поперечного сечения …
ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ СВАРКЕ ТАВРОВЫХ СЕЧЕНИЙ И ДРУГИХ СВАРНЫХ
СОЕДИНЕНИЙ 45. Деформации и напряжения при сварке тавровых сечений При изготовлении сварных тавров, составленных из двух листов, возникают деформации стенки и пояса тавра. Стенки тавра изгибаются в своей плоскости, определяя …
Плоское напряженное состояние при наплавке валика на плоскость
Как отмечалось выше, при достаточно больших размерах пластины и продольные и поперечные напряжения в зоне шва достигают предела текучести, в связи с чем расчетная схема для определения напряжений в бесконечной …
Наплавка коротких валиков на часть длины пластины
В тех случаях, когда валик положен не по всей длине пластины, развитие продольных и поперечных деформаций ограничивается теми частями пластины, на которых валик не располагается. Если рассмотреть деформации относительно узкой …
НАПЛАВКА ВАЛИКА НА ПОВЕРХНОСТЬ
44. Деформации и напряжения при наплавке валика на плоскость Вели на поверхность тонкой пластины весьма больших размеров по длине и ширине наплавляется валик, то возникающие при этом деформации будут ограничены …
Деформации при сварке тонких листок
При сварке встык тонких листов условия развития деформаций и напряжений несколько отличаются от рассмотренных ранее (гл. VI). Основное отличие заключается в том, что тонкие листы теряют устойчивость в области значительных …
Деформации при угловых швах
Рис. 140. Схема соединений, выполняемых с применением угловых швов. В случае выполнения соединений с односторонними угловыми швами (рис. 140, а) определение угловых деформаций может быть произведено так же, как и …
Деформации и напряжения при многослойных швах
При выполнении многослойных швов развитие угловых деформаций происходит значительно сложнее. Как отмечалось выше, при однослойном ш*е угловые деформации (уменьшение угла раскрытия шва) не зависят от толщины свариваемых листов. Поэтому, если …
Влияние закреплений на угловые деформации и напряжения в однослойных стыковых швах
Величина угла поворота может быть значительно снижена, если в процессе сварки и остывания свариваемые листы будут закреплены от поворота. Так, например, если свариваемые листы на расстоянии I от шва будут …
ДЕФОРМАЦИИ ИЗ ПЛОСКОСТИ СВАРИВАЕМЫХ ЛИСТОВ при стыковых^и угловых швах
31. Деформации при однослойных стыковых швах Кроме рассмотренных выше деформаций в плоскости свариваемых листов, при сварке встык происходят деформации, выходящие из первоначальной плоскости свяриваемых листов. Так, при применении гмива (рис. …
Влияние закреплений свариваемых листов
Рис. 123. Продольные деформации полос с закрепленными кромками при сварке их встык. В случае закрепления внешних свободных кромок свариваемых?,стык листов так, чтобы исключался их изгиб, но допускались продольные деформации, распределение …
Характер напряжений, возникающих при сварке встык
Отмеченный в предыдущих параграфах характер деформаций свариваемых листов определяет и возникающие при сварке напряжения. Хотя величина напряжений в свариваемых элементах еще не характеризует прочности элемента, так как помимо упругих деформаций …
Зависимость деформаций от соотношения шири свариваемых полос
Если рассмотреть изменения конечной стрелки прогиба полосы шириною Л, при изменении ширины Л2 привариваемой к ней второй полосы, то характер изменений представится кривой, изображенной на рис. 113. При отношении прогиб …
Деформации при сварке встык полос разной ширины
При сварке встык двух полос разной ширины характер деформаций обеих полос будет различный, так как жесткость обеих, полос—в силу их разной ширины—различная. При отн осительно узких полосах преобладающее значение будет …
Суммарные деформации при сварке встык полос равной ширины
Общий вид суммарной кривой, характеризующей изменение общих деформаций полосы в процессе сварки и остывания, Рис. 10’. Изменение суммарных деформаций в процессе сварки двух листов встык. представится кривой, подобной изображенной нарис. …
Деформации, вызываемые изменением ширины стыкового шва при остывании
Рис. 98. Схема определений поперечных деформаций, вызванных остыванием шва. Для определения перемещений полосы в результате изменений ширины шва необходимо установить характер и величину тех деформаций, которые произошли бы в шве, …
Деформации изгиба свариваемых полос
Как отмечалось выше, кривизна полосы на протяжении ближайшего к дуге участка шва / остается такой же, как и для свободной полосы с наплавленным на кромку валиком, так как металл шва, …
ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ СВАРКЕ ВСТЫК ‘
29. Общая схема развития деформаций и напряжений при сварке встык Рассмотренные выше условия образования деформаций и напряжений при наплавке валика на кромку полосы и полученные при этом зависимости деформаций и …
Влияние термической обработки на сварочные деформации
Влияние последующего отжига на напряжение сварных изделий было исследовано многими авторами. Вопрос же о влиянии отжига на деформации оставался до последнего времени не уточ-^ ненным. Исследование этого вопроса проф. Николаевым …
ВЛИЯНИЕ СВАРОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ И ТЕХНОЛОГИЮ ИХ ПРОИЗВОДСТВА
Очень часто служебные свойства и работоспособность сварных конструкций практически не зависят от собственных сварочных напряжений и деформаций Имеются, однако, примеры их выраженного отрицательного действия. В процессе конструирования, изготовления и эксплуатации сварных конструкций необходимо это учитывать.
Напряжения, пластические деформации и искажения формы конструкций специфическим образом ухудшают свойства изделий. Поэтому их влияние обычно изучают раздельно.
Влияние собственных напряжений и пластических деформаций. Остаточные напряжения и деформации могут влиять на получение и сохранение точных размеров и форм сварных конструкций, а также на их прочность и
работоспособность. Ниже перечислены наиболее типичные
1. Одним из видов отрицательного влияния сварочных напряжений является изменение размеров и форм сварных деталей. Чаще всего это изменение наблюдают в процессе механической обработки детален с неснятыми после сварки остаточными напряжениями. Shri искажения происходят либо непосредственно во время обработки, либо в момент
Рис. С.40. Примеры механической обработки деталей, сопровождающейся их деформацией
съема детали со станка, либо в незначительной мере в процессе вылеживания после механической обработки. Во время механической обработки удаляют металл, в котором были собственные остаточные напряжения. Особенно значительны они в зоне пластических деформаций. Происходит нарушение равновесия внутренних сил. Если закрепление детали не мешает ей деформироваться, то изменение размера возникает сразу. При обточке наружной поверхности вала (рнс. 6.40, а), сваренного многослойной сваркой, нарушается прямолинейность внутреннего отверстия, обработанного ранее. При обточке цилиндра (рнс. 6.40, 6) появляется бочкообразность внутренней поверхности вследствие частичного уменьшения окружной усадочной силы. При закреплении детали сварной шпангоут (рис. 6.40, в) после съема со стола утратит (
Искажение формы обработанных поверхностей может происходить также в результате различия сил резания иа закаленных и незакаленных участках зон неотпущен - ного сварного соединения.
В процессе вылежнванйя после механической обработки деформирование с течением времени может происходить потому, что перераспределение остаточных напряжений во время механической обработки могло вызвать пластические деформации в отдельных зонах и активизировать процесс релаксации.
Рнс. 6.41. Нагружение сварной балки с остаточними напряжениями
Изменение размеров в процессе эксплуатации может происходить под влиянием дополнительного силового воздействия на сварную деталь. Если сумма оОС1+ор, в достигает предела текучести, возникает необратимая пластическая деформация. Нагружение детали может возникнуть в процессе перевозки и монтажа. Различают нагружение детали статическими и переменными (вибрационными) нагрузками. При статическом нагружении двутавровой балки силой Р (рнс. 6.41, а), имеющей зоны / и 2 (рис. 6.41, б) с остаточными растягивающими напряжениями, близкими к ат, рабочие напряжения opaS вызывают пластическую деформацию в зоне 2 и она выключается из восприятия нагрузки. Прогиб балки при этом нагружении происходит так, как если бы сечение балки было без зоны 2 (рис. 6.41, о). При этом JX>JX.. Поэтому при приложении нагрузки возникает прогиб f=MP/(8EJt.), в при снятии нагрузки, когда пластических деформаций не будет, произойдет выпрямление /=—ЛМ*/(8£7,). Разность Г—/™Д/ даст остаточную деформацию.
Приложение вибрационных нагрузок также сопровождается суммированием остаточных и дополнительных напряжений с протеканием пластических деформаций. Виб-
рации може! вызывать некоторое понижение предела текучести металла и усиливать искажение размеров по сравнению со статическими нагрузками при равном уровне приложенных сил.
Изменение размеров в процессе эксплуатации может происходить вследствие нестабильности структурного состояния металлов и релаксации напряжений. Стедует, однако, сразу подчеркнуть, ‘Гто эти изменения размеров имеют значения лишь для ряда машиностроительных и приборостроительных конструкций высокой точности. Изменение размеров происходит по двум причинам: во-первых, вследствие пластических деформаций в металле из-за наличия в нем остаточных напряжений и, во-вторых, вслед-' ствне изменения объема металла при медленном протекании структурных превращений в зонах со структурной нестабильностью, возникшей в процессе сварки.
Остаточные напряжения после сварки часто близки к пределу текучести металла. Именно в зонах с такими максимальными напряжениями и возникает пластическая деформация. Самопроизвольное изменение напряжений весьма мало. Измерения остаточных напряжений с точностью до 10. . .20 МПа на протяжении даже нескольких лет не показали их существенных изменений. Однако установлено, что в процессе релаксации напряжений при комнатіюй температуре в сталях с содержанием углерода 0,025. . .0,39% начальные напряжения в пределах 100. . .200 МПа через несколько лет снизились на 1,5 . .2,5?^. Такие изменения недопустимо снижают точность высоко прецизионных устройств. Изменение остаточных напряжений во времени может усиливаться от естест - пенного колебания температуры окружающей среды. При более высоких температурах процессы релаксации интенсифицируются. Возможно изменение уровня собственных напряжений из-за разных коэффициентов линейного расширения шва и основного металла в сварных соединениях, что также способствует усилению релаксации.
Структурная нестабильность является одной из основных и в ряде случаев существенных причин изменения размеров во времени. Аустеннтные стали в процессе сварки ие испытывают структурных превращений; низкоуглеро - днетые стали СтЗ, 20 и нм подобные слабо реагируют на изменение скорости остывания и завершают структурные превращения у-*-а при высоких температурах. В этих металлах структурная нестабильность обычно не возникает. Среднеуглеродистые стали и низколегированные
стали 35, 4X13, 25ХГС, ЗОХГСА, I2X5MA и другие могут иметь в зоне структурных превращений, нагревающейся при сварке выше температуры.4Сі (окаю 800. . .850 °С), остаточный аустенит, распад которого во времени увеличивает объем металла. Если при сварке в результате очень быстрого переохлаждения аустенит практически полностью превращается в мартенсит (стали 35, 4X13), то с течением времени идет процесс отпуска мартенсита закалки и объем
Рис. 6.42. Изменение усадочной силы с течением времени
металла уменьшается. Таким образом, при том или ином виде структурного превращения усадочная сила будет уменьшаться (при распаде остаточного аустенита) или увеличиваться (при отпуске мартенсита закалки).
Деформации во времени происходят также в сварных соединениях термически упрочняемых алюминиевых сплавов системы AI — Zn — Ag. В них протекают структурные изменения, связанные с распадом пересыщенного твердого раствора цинка и магния.
Характер изменения усадочной силы во времени при комнатной температуре, полученный на лабораторных образцах, показан на рис. 6.42, а. У титанового сплава ВТ1 и аустенитной стали 1Х16Н25АМ6, не испытывающих при сварке структурных превращений, а также у стали СтЗ, структурные превращения в которой происходят при высоких температурах, усадочная сила уменьшается из-за пластических деформаций металла в процессе релаксации напряжений. В сталях 4X13 и 35 усадочная сила растет вследствие уменьшения объема металла в зоне, где идет
процесс отпуска мартенсита закалки. Повышение температуры до 100 °С (рис. 6.-12, б) усиливает как пластическую деформацию, так и отпуск мартенсита.
2. Растягивающие остаточные напряжения снижают вибрационную прочность сварных конструкций. Если они действуют в зонах, где есть концентрация напряжений и неоднородность механических свойств, то там в первую очередь возникают разрушения от усталости. Степень отрицательного влияния растягивающих напряжений зависит от уровня эксплуатационных напряжений и коэффициента концентрации напряжений. Чем выше рабочие напряжения и чем выше концентрация напряжений, гем меньше доля влияния растягивающих напряжений, и, наоборот, при невысоких рабочих напряжениях и малых концентрациях напряжений относительное отрицательное влияние растягивающих остаточных напряжений обнаруживается сильнее. Объясняется это тем, что остаточные напряжения взаимно уравновешены, и если произошла пластическая деформация, в результате которой они понизились, то собственные напряжения самопроизвольно не восстанавливаются. Поэтому при высоких рабочих напряжениях и высокой концентрации напряжений на первых же циклах нагрузки возникают пластические деформации от суммы рабочих и остаточных напряжений. Кроме того, значительная концентрация напряжений по своему влиянию превалирует над собственными напряжениями. При небольшой концентрации напряжений остаточные растягивающие напряжения сохраняют свой высокий уровень в процессе эксплуатации и увеличивают средние напряжения цикла, тем самым понижая выносливость.
3. Остаточные растягивающие напряжения могут понижать статическую прочность сварных соединений. Степень влияния зависит от свойств металла, его деформационной способности, уровня концентрации напряжений, предварительной пластической деформации металла. Если металл при рассматриваемой температуре мало чувствителен к концентрации напряжений и не испытал большой предварительной пластической деформации, то остаточные растягивающие напряжения не влияют на статическую прочность. В противном случае даже сами собственные напряжения могут вызвать самопроизвольные разрушения. Статическая прочность высокопрочных сталей с невысоким отношением критического коэффициента интенсивности напряжения к пределу текучести (К, е/о7) при наличии напряжений, близких к от, и острых концентраторов может существенно снижаться. Стали невысокой прочности, находясь в области температур вязкого состояния металла, практически нечувствительны к остаточным напряжениям. Исключение составляют случаи, когда в процессе сварки возникают очень большие пластические деформации, например в корне многослойного шва значительной толщины. Из-за пластической деформации металл изменяет свои свойства и имеет низкую деформационную способность.
Рис. 6.43. Изменение предела прочности сварных крестовых образцов и зависимости от температуры
Стали невысокой прочности, находясь в области температур хрупкого или полухрупкого состояния, особенно если они испытали в процессе сварки деформационное старение, становятся крайне чувствительными к растягивающим остаточным напряжениям. На рис. 6.43 показано резкое падение прочности сварных образцов по мере перехода в область температур хрупкого состояния металла. Об разец состоит из двух собранных с очень малым зазором пластин, к которым тавровым соединением приварены с двух сторон ребра длиной 220 мм и толщиной 16 мм. В ребре в зоне, расположенной у стыка пластин, возникаюі деформационное старение и высокие остаточные напряжения.
Остаточные напряжения, возникающие в глубине металла при сварке деталей толщиной более 150. . .200 мм, могут быть растягивающими по всем направлениям. В этом случае, несмотря на высокий уровень отдельных компонентов напряжений, пластическая деформация не будет возникать вследствие малой интенсивности напряжении:
так как разности напряжений, входящие в формулу, малы. Возникает так называемая жесткая схема напряжений, при которой отдельные компоненты могут существенно превышать уровень предела текучести металла. Кроме
того, металл большой толщины менее однороден, чем тонкий; в нем могут бьгть скопления неметаллических включений, рыхлоты. Разрушение может произойти, когда напряжения достигнут критического уровня, который зависит от характера скопления микро - и макродефектов и свойств металла.
4. Сжимающие остаточные напряжения понижают местную устойчивость тонкостенных элементов сварных конструкций. При суммировании рабочих и остаточных напряжений потеря устойчивости может возникнуть при нагрузках меньше расчетных, а в некоторых случаях — даже от остаточных напряжений.
5. Коррозионное растрескивание, а иногда и процессы коррозии усиливаются под влиянием остаточных растягивающих напряжений как первого, так и более высоких родов.
6. Как будет рассмотрено ниже в гл. 7, остаточные растягивающие напряжения являются необходимым условием появления так называемых холодных трещин в закаливающихся сталях. Они возникают непосредственно после сварки в процессе вылеживания сварных конструкций.
7. Остаточные напряжения являются носителями энергии упругой деформации. При одноосных напряжениях энергия, запасенная в единице объема, пропорциональна квадрату напряжения:
Так как напряжения максимальны в зоне сварных соединений, то значительная часть энергии сосредоточена там. Начавшееся по каким-либо причинам разрушение в дальнейшем поддерживается энергией остаточных напряжений. Трещина может распространиться на значительную длину, сделав невозможным последующий ремонт разрушившейся детали. Энергия остаточных напряжений усиливает динамику процесса разрушения, увеличивает скорость движения трещин и способствует переходу от вязкого разрушения к хрупкому.
Влияние перемещений, вызываемых сваркой. Отрицательное влияние перемещений может обнаруживаться непосредственно в процессе изготовления сварной конструкции.
1. Перемещения свариваемых деталей создают деформации в зоне кристаллизующегося металла и могут привести к образованию горячих трещин (см. гл. 7).
2. Во время сварки в ряде случаев возникают перемещения в зоне формирования сварного соединения. При электрошлаковой сварке изменение зазора изменяет скорость сварки. Сварочный зазор может закрываться или открываться в таких пределах, что процесс может даже прерваться. При дуговой сварке тонкого металла из-за потери устойчивости возникает прожог листов. В результате перемещений при сварке кромки листов смещаются по толщине и образуют ступеньки. При сварке нахлесточ - ных соединений возникшие ранее остаточные перемещения не позволяют деталям плотно прилегать друг к другу и сварка углового шва ведется в этом случае по зазору, что приводит к затеканию металла в зазор. Чтобы обеспечить соединение листов, необходимо завышать катет шва. При автоматической сварке угловых швов возможно даже их несплавление. При шовной сварке из-за ранее возникшей волнистости металл набегает впереди рати ков и возникает непровар.
4. Из-за возникающих от сварки перемещений приходится назначать завышенные припуски на механическую обработку, чтобы иметь возможность обработать все предусмотренные чертежом поверхности. На рис. 6.44, а показан полый вал с угловым изломом 0 в зоне кольцевого шва. При значительной длине вала необходимо увеличить толщину стенки s, чтобы можно было провести обточку по всей длине. Рама на рис. 6.44, б имеет пропел - лерность. Толщина платиков 1 должна быть увеличена, чтобы после механической обработки верхние поверхности всех платиков лежали в одной плоскости. Эго увеличивает расход металла и время на обработку.
5. Некоторые виды перемещений изменяют геометрические характеристики сечений. Например, появление угла р (см. рис. 6.22) после выполнения поясных швов уменьшает момент инерции двутавровой балки вследствие
Рис. 6.44. Перемещения в сварных деталях, вызывающие увеличение припуска на механическую обработку
приближения краев полок к главной оси поперечного сечения. Изгиб колонн от сварки, окружные сокращения оболочек от кольцевых швов, уменьшение кривизны в оболочках в местах приварки к ним различных элементов создают при эксплуатации более высокие напряжения при тех же нагрузках вследствие появления не учтенных расчетом изгибающих моментов и растягивающих напряжений.
6. Начальные перемещения могут вызывать уменьшение устойчивости, в особенности местной. Общая устойчивость изогнутых колонн, сжатых труб с местными деформациями стенок также несколько снижается.
7. В летательных аппаратах, судах, энергетических установках перемещения, искажающие поверхности, которые обтекаются потоками газа или жидкости, увеличивают сопротивление потоку. В деталях машин и механизмов искажения размеров вызывают увеличение сил трения или даже заклинивание.
8. Значительные отклонения от правильных геометрических форм нарушают требования технической эстетики, ухудшают товарный вид таких технических изделий, как вагоны, автомобили, суда, предметы бытовой техники.
Первая группа деформаций изменяет характер работы детали в том отношении, что добавляет вследствие имеющихся искривлений новый вид напряжений, увеличивая таким образом фи брозые напряжения против расчетных. Так, в случае, если прямолинейный элемент какой-либо решетчатой конструкции получит в процессе сварки изгиб своей продольной оси, то под действием полезной нагрузки он будет не только равномерно рас - 196
F'W _ , , F^z — * Г w.
Так, например, в случае сварной консольной двутавровой балки, в результате угловой деформации при сварке стыкового шва поясного листа может произойти выпучина пояса в соответствии с отмеченным в § 42, если не будут в процессе сварки приняты соответствующие меры, о которых будет сказано ниже (§ 63). Если к тому же поясные швы будут выполнены прерывистыми, то на протяжении выпучины поясной шов может оказаться отсутствующим. Тогда, при загружении в районе выпучины вместо двутаврового сечения балки будет работать однотавровое сечение, момент инерции которого во много раз меньше момента инерции всего сечения. При этом не исключена возможность появления в стенке трещины (рис. 180, а). В отдельных случаях, как показал опыт эксплоатации сварных конструкций, трещина в стенке может не привести к аварии, если выпучина будет не слишком велика, а стыковой шов будет выполнен из материала с достаточно высокими пластическими свойствами. В таком случае трещина раскроется, поясной лист натянется, прижмется к стенке и вступит в работу (рис.180, б), вследствие чего расчетное сечение балки восстановится и дальнейшее рас-
иространение трещины будет предотвращено. Однако, если вы - пучина окажется достаточно большой, а пластические свойства наплавленного металла стыкового шва —низкими, то трещина может распространиться на достаточно большую часть стенки, а сварной шов может треснуть раньше, чем пояс успеет прижаться к стенке и тем прекратить изгиб шва.
Влияние остаточных сварочных напряжений
на прочность сварных соединений и конструкций.
При сварке на отдельных участках сварного соединения часто возникают напряжения, которые достигают величины предела текучести – т.е. напряжения, при котором образец, деформируясь, получает остаточное удлинение еще до приложения к нему внешней нагрузки.
Прочность сварной конструкции может оказаться ниже расчетной, когда остаточные сварочные напряжения и рабочие напряжения будут одного направления – одного знака и просуммируются.
Резервом повышения прочности сварной конструкции являются рабочие и остаточные напряжения разного знака, которые в некоторых случаях могут взаимно компенсироваться, но это носит вероятный характер и встречается редко.
При статической нагрузке остаточные сварочные напряжения в значительно меньшей мере влияют на прочность сварных соединений и конструкций. Если напряжения от внешней нагрузки складываются с остаточными сварочными напряжениями, то наступает местная пластическая деформация конструкции чаще всего в околошовной зоне, в результате которой увеличения напряжений выше предела текучести на отдаленных от шва участках практически не происходит.
Металл утрачивает способность пластически деформироваться в следующих случаях:
– при наличии значительной площади или объема металла с остаточными сварочными напряжениями, т.е. при малых удельных напряжениях;
– при низкой температуре окружающей среды, что может перевести металл в хрупкое состояние, с последующим образованием трещин.
Металлы с низкими пластическими свойствами, такие как некоторые легированные стали склоны к переходу в хрупкое состояние в значительно большей степени. В связи с этим, сварные соединения и конструкции из высокопрочных сталей весьма чувствительны к наличию остаточных напряжений.
Остаточные напряжения увеличивают вероятность усталостного разрушения конструкций при переменных и вибрационных нагрузках, особенно при наличии концентраторов напряжений в виде острых надрезов, а также с понижением пластических свойств металла.
Хрупкое разрушение конструкции при наличии сварочных собственных напряжений растяжения имеет следующие особенности:
– разрушение носит внезапный характер и не имеет следов предшествующей ему пластической деформации;
– хрупкая трещина, возникая в местах концентрации напряжений, пересекает большую часть или все сечение;
– разрушение наступает при незначительных рабочих напряжениях.
В этом случае поле остаточных сварочных напряжений играет роль источника энергии для развития возникающей хрупкой трещины.
В том случае, когда возникают не растягивающие, а сжимающие остаточные сварочные напряжения значительной величины, они могут вызывать потерю устойчивости элементов или конструкции (резервуаров, трубопроводов и др.) в целом, то есть стать причиной значительной деформации или разрушения конструкции.
Влияние остаточных деформаций на качество
Сварных конструкций.
Остаточную деформацию в результате сварочных напряжений могут иметь детали, узлы и крупные конструкции. Эти деформации являются причиной таких негативных явлений, как:
– затрудняют сборку конструкции или монтаж ее на фундаменте без подгонки, правки, подрубки; это усложняет технологию работ и увеличивает их трудоемкость;
– очень опасны искажения геометрической формы элементов и конструкции в целом, так как в процессе их правки и монтажа создаются дополнительные неучтенные напряжения в несущих элементах, что может привести к разрушению конструкции даже при небольших эксплуатационных нагрузках;
– искажение геометрической формы сварных рабочих органов машин (например, шнек дозатора, транспортера или пресса), трубопроводов существенно ухудшает эксплуатационные характеристики этих изделий;
– назначение повышенных припусков на механическую обработку из-за деформации деталей или узлов, предназначенных для механической обработки с целью придания им требуемой точности размеров и геометрической формы, увеличивает расход металла;
– ухудшается внешний вид изделий, что в основном относится к листовым обшивкам кабин автомобилей, комбайнов, вагонов; снижается рыночная конкурентоспособность деформированной конструкции с искаженной геометрической формой.
Прогнозирование возникновения вероятных напряжений и полей их распределения в сварных конструкциях позволяет уже на стадии проектирования этих конструкций и разработки технологии их изготовления уменьшить или почти исключить возникновение сварочных напряжений и вызываемых ими деформации. Аналитические методы определения напряжений, ввиду сложности решения этих задач, большого распространения не получили. Поэтому чаще всего используют экспериментальные методы определения остаточных напряжений и деформаций, а наиболее эффективны – практические приемы минимизации сварочных напряжений на стадиях проектирования конструкций, обработки, технологии подготовки и выполнения сварочных работ, а также ликвидации напряжений путем термообработки готового изделия.
Читайте также: