5.5.1. Продольные остаточные пластические деформации

Продольные остаточные пластические деформации создают усадочную силу P_ус. Рассмотрим состояние сваренной пластины шириной 2В, как на рис.33. Разрежем пластину на продольные полоски для того, чтобы освободить ее от сварочных напряжений _x. Полоски, находящиеся за пределами зоны пластических деформаций будут иметь первоначальную длину L_o. Полоски внутри зоны пластических деформаций укоротятся на величину L=_пл.ост.L_o. Концы полосок геометрически будут повторять характер эпюры _пл.ост. Для того, чтобы выровнять концы полосок к ним надо приложить силы Р

.

Интеграл от напряжений по длине зоны пластических деформаций даст величину усадочной силы

s - толщина пластины.

Если вновь склеить между собой полоски, то действие силы Р_ус на ненагруженные полоски приведет к продольному укорочению всей пластины

.

Если не учитывать характер распределения напряжений, то в средине пластины со сварным швом имеются остаточные собственные напряжения

.

При сварке легированных сталей, испытывающих структурные превращения, в зоне пластических деформаций могут возникнуть пластические деформации удлиннеия и усадочная сила может оказаться растягивающей. В этом случае полоски удлинняются.

Для различных сталей получены эмпирические формулы для вычисления силы P_ус. в зависимости от условий сварки. Для низкоуглеродистых и низколегированных сталей с _т300МПа при дуговой сварке стыковых, тавровых и нахлесточных соединений

,

q - эффективная мощность; v_c - скорость сварки; -удельная погонная энергия.

В случае многопроходной сварки зоны пластических деформаций последующих слоев могут перекрывать зону пластических деформаций, возникающих от ранее уложенных, поэтому формула не применима и используют справочные формулы.

Усадочная сила, возникающая при резке металла, вычисляется по тойже формуле, однако погонная энергия вычисляется по другой формуле

,

S - толщина в см, q/v_p - дж/м.

5.5.2. Равномерные по толщине поперечные остаточные

пластические деформации

При нагреве или проплавлении пластины в ней возникают как продольные, так и поперечные собственные деформации, которые создают поперечные пластические деформации. Характер распределения _пл.ост. показан на рис. 36. Если точку О считать неподвижной , то перемещение точек А,B,C можно вычислить:

,

Аналогично v_B и v_C, т.к. точки B и C находятся за пределами зоны пластических деформаций b_пл., то их смещение одинаково. Ширина пластины сократится на величину

.

В стыковом соединении с заром максимальное смещение кромок:

,

где q - мощность, вводимая в сварной шов;

v_c - скорость сварки;

 - коэффициент линейного расширения;

c - объемная теплопроводность.

После сближения кромок на стадии остывания они отходят в обратном направлении и поперечные усадки меньше, чем 2V_max

,

А - эмпирический коэффициент, для электродуговой сварки А=1,0-1.2, для электрошлаковой А=1.6.

5.5.3. Неравномерные по толщине поперечные пластические

деформации

Неравномерные по толщине или неравномерные по сечению многослойного шва поперечные пластические деформации вызывают поворот одной части пластины относительно другой на угол .

При проплавлении целой пластины или выполнении углового шва угол  зависит от отношения глубины проплавления к толщине пластины H/S, формы провара и его ширины. При малой глубине проплавления, не свариваемая часть оказывает значительные сопротивления

усадочной силе в прова-ренной части и деформации малы. При большой глуби-не провара _пл.ост. равномер-ны по толщине и наблюда-ется только поперечная усад-ка, а угловая деформация мала. Аналитических зависимостей угла  для широкого изменения условий сварки нет. Значения  получают экспериментально. Для сварного двутаврового соединения можно оценить суммарный угол по формуле :

,

К- катет шва.

Для сталей графики зависимости от толщины приведены на рис.39.

№22

ВИДЫ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ СВАРКЕ СТЫКОВЫХ СОЕДИНЕИЙ

Типичным примером сварки стыковых соединений с зазором является электрошлаковая сварка. В общем случае в процессе сварки возникают несколько видов перемещений.

1. Изгиб полос от неравномерного нагрева по ширине. Он приводит к раскрытию сварочного зазора.

2. Перемещения, вызванные остыванием пластин в заваренной части шва. Сокращение зоны термического влияния приводит к их повороту, стремящемуся закрыть зазор.

3. Перемещения, вызванные изменением объема металла при его структурных превращениях в процессе сварки. Они могут как открывать, так закрыва ть зазор.

Рис.41.

Изменения зазоров при ЭШС может привести к нарушению режима сварки ,т.к. при этом меняется скорость сварки и соотношение между основным и присадочным материалом. В некоторых случаях чрезмерное открытие зазора приводит к вытеканию ванны из-под формирующих ползунов , а закрытиие - к короткому замыканию мундштуков на изделие.

Предотвратить перемещение пластин или ЭШС практически невозможно из-за большой величины сил усадки в пластинах. Поэтому меры учета перемещений сводятся к выбору режима сварки.

№23

ПЕРЕМЕЩЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ БАЛОЧНОГО ТИПА

балочным конструкциям относятся собственно балки, колонны и рамы. Характерной особенностью балочных конструкций является их большая длина по сравнению с высотой и шири-ной. Для сварных балок характерны поясные швы по всей длине, а также поперечные швы прикрепляющие ребра жесткости, диафрагмы и т.д. Если в балке имеются несемметрично расположенные швы, то в них возникают значительные прогибы.

Продольный шов в тавровом соединении вызовет продольное укорочение балки

а также момент,: , который в свою очередь изогнет балку с максимальным прогибом

Причем величина Р_ус будет больше, чем для пластины

e₁,e₂ - эксцентриситеты приложения усадочной силы относительно главных центральных осей инерции; J₁,J₂ - моменты инерции относительно тех же осей; F - площадь шва; P – значение, рассчитанное по первоначальной формуле (*). Эксцентриситеты определяются относительно центра тяжести эпюры остаточных пластических деформаций. Для тавровых соединений за эту точку принимают стык стенки и полки.

При присоединении к тавру еще одной полки, т.е. при изготовлении двутавра, то от последующих сварных швов находят отдельно прогиб и укорочение. Для симметричного сечения остаточный прогиб будет не нулевым, а направлен вверх, т.к. прогиб от шва 1 больше, чем от шва 2, в связи с тем , что при сварке шва 2, деформированию подвергается сечение большей жесткости.

Если балка состоит из нескольких элементов, которые собираются на прихватках, а затем свариваются, то при вычислении укорочений и прогибов прихваточные швы считают достаточно прочными и жесткими, чтобы обеспечить совместную работу всех собранных элементов.

Отрезка полос от листа также сопровождается их изгибом. Во время отрезки неравномерный нагрев вызывает их искривление, но после остывания остаточный прогиб можно определить по тем же формулам, что и при сварке элементов балок.

Поперечные швы, расположенные перпендикулярно продольной оси балки, вызывают укорочение балки, а если они расположены не в центре тяжести, то и ее изгиб. Пусть на пояс двутавровой балки уложен поперечный шов, который вызывает поперечную усадку _поп.<0. Эта усадка вызывает продольную силу:

,

где F_шв. - площадь поперечного сечения шва. Продольная сила вызывает в свою очередь продольное укорочение всей балки на величину

.

Сила Р создает изгибающий момент M=-Pe_y, который повернет сечение на угол

.

- статический момент шва относительно его центра тяжести, тогда

Продольные и угловые перемещения не зависят от длины балки. Аналогично можно повторить рассуждения для шва, уложенного на вертикальную стенку. Значительные прогибы балок возникают при приварке ребер жесткости. Определение суммарного угла поворота производится суммированием углов поворота и прогибов от отдельных швов. В балках может возникнуть закручивание продольной оси и даже крутильная форма потери устойчивости.

Усадочная сила в крестообразной балке создает сжатие, которое может привести к потере устойчивости.

Помимо действия усадочной силы большое влияние на крутильную устойчивость сварных балок ока-зывает сдвиг свариваемых элементов, в направлении сварки.

Если швы сварены в противоположных напавлениях, то закручивание от отдельных швов суммируются. Если швы 1-4 и швы 2-3 свариваются в противоположном направлении, то угол закручивания будет в 4 раза больше, чем от одного шва.

Для устранения закручивания сварку делают в жестких кондукторах. оценить устойчивость балки можно по формулам теории упругости для закрепленных пластин. Стенку двутавровой балки рассмотривают как пластину, закрепленную с двух сторон и нагруженную равномерно напряжениями сжатия:

Для такой пластины известны значения критических напряжений:

- коэффициент Пуассона, S_c, h_c - толщина и высота пластины. Если _сж>_кр , то произой дет потеря устойчивости. Для полки шириной В, рассматриваемой как пластина закрепленная с одной стороны.

№24

МЕТОДЫ УМЕНЬШЕНИЯ СВАРОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ

В основе методов уменьшения сварочных напряжений и скажений форм лежат три способа их регулирования.

1. Уменьшение объема металла вовлеченного в пластическую деформацию на стадии его нагрева и уменьшение самой пластической деформации.

2. Создание в зонах пластических деформаций, возникающих от нагрева, дополнительных деформаций противоположного знака.

3. Компенсация возникающих деформаций путем симметричного расположения швов, создание дополнительных зон пластических деформаций, обеспечивающих свободную усадку.

В производстве применяют следующие методы:

1. Подогрев при сварке. Тем самым изменяются температурные поля и сварочные напряжения, а также иногда и свойства металла, при этом изменяются напряжения, вызванные структурными превращениями. Подогрев уменьшает предел текучести, модуль упругости и перепад температур. Это способствует уменьшению остаточных сварочных напряжений. С другой стороны он увеличивает зону пластических деформаций, что при прежднем тепловложении уменьшает остаточные напряжения. При подогреве до высоких температур, при которых предел текучести очень мал, остаточные напряжения также весьма малы.

2. Проковка. Применяется как в процессе сварки по остывающему металлу, так и после полного остывания. Проковкой уменьшают толщину металла шва и тем самым создают пластические деформации удлинения. Эффект от проковки зависит от температуры проковки. Если температура в зоне проковки выше чем в остальном металле, то при последующем остывании, температурные сокращения металла уменьшают сжимающие напряжения, которые даже могут перейти в растягивающие. Однако проковка снижает пластичность металла. Применяют также прокатку и обработку взрывом. Для этого используют ленточные заряды, укладываемые на обрабатываемые поверхности. Производя взрыв в специальной камере, перераспределяют напряжения в поверхностном слое, что способствует повышению выносливости, т.к. снижает концентрацию напряжений.

3. Приложение нагрузок. В процессе сварки к конструкции прикладывают внешнюю нагрузку так, чтобы создать растягивающие усилия. Это уменьшает усадочную силу. Для полного снятия остаточных напряжений, напряженя от внешней нагрузки должны быть близки к пределу текучести. Применяют вибрационное нагружение, что позволяет избежать искажений формы конструкции.

4. Создание неравномерного нагрева и охлаждения. Обычно применяют для снятия растягивающих напряжений. При этом создают нагретые зоны с двух сторон сварного соединения. Расширяясь, металл вызывает растяжение вдоль шва и сжатие поперек, что вызовет пластическую деформацию в продольном направлении. Перемещая зоны нагрева вдоль шва и охлаждая металл позади точки сварки, можно сделать процесс непрерывным. Местный концентрированный нагрев отдельных зон применяют, чтобы вызвать усадку металла в месте нагрева и создать напряжения сжатия в соседних зонах. Применяется для исправления формы конструкций.

5. Отпуск. Применяют для изменения структуры и свойств металла, а также снижения остаточных напряжений. Позволяет восстановить пластические свойства в зонах сварки и повысить сопротивляемость хрупким разрушениям. Применяют для изделий с повышенными требованиями к прочности конструкции и точности ее размеров. Различают общий отпуск - когда равномерно нагревают все изделие целиком; местный - нагревают лишь зону сварного соединения; поэтапный - источник тепла перемещается вдоль конструкции; поэлементный - термообработке подвергаются отдельные собранные узлы, а затем их объединяют в конструкцию. Основное достоинство отпуска в том, что он не вызывает пластических деформаций и не снижает пластичности металла. Операция отпуска проходит в четыре этапа: нагрев, выравнивание температур, выдержка и остывание. Напряжения снимаются на стадии нагрева и степень снижения зависит от достигнутой температуры и мало зависит от скорости нагрева. В процессе выдержки происходит снижение напряжений до величины

,

_ов - напряжения в начале выдержки; t - время выдержки; t_o=10 мин; =-0,08 - -0,16 - константа, зависящая от свойств стали.

Длительная выдержка, как средство снижения напряжений нецелесообразна. Лучше повысить температуру, однако так, чтобы исключить охрупчивание стали. Отпуском можно снизить остаточные напряжения до 0,1 - 0,2 _t. Примерные температуры отпуска для малоуглеродистых сталей - 580 - 680 ^оС, для аустенитных 850 - 1050 ^оС, для ниобиевых 1100 - 1200 ^оС.

№25

РАСЧЁТНАЯ И КОНСТРУКЦИОННАЯ ПРОЧНОСТЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Под несущей способностью понимают способность конструкции сопротивляться наступлению предельных состояний. Понятие несущей способности шире, чем понятие прочности. Появлению течи вследствие нарушения сплошности от коррозии, недостаточная жесткость, появление вибрации непосредственно не связано с прочностью, но являются предельными состояниями, определяют несущую способность конструкции. Под прочностью в широком смысле слова понимают способность деталей или конструкции сопротивляться не только разрушению, но и наступлению текучести, потере устойчивости, распространению трещин и др. К числу факторов оказывающих влияние на несущую способность относятся:

1. Действующие нагрузки и вызываемые ими напряжения;

2. Статический или динамический характер приложения нагрузок, а в последнем случае и их спектр - пульсирующий, симметричный, случайный ;

3. Неодноосность действующих напряжений;

4. Концентраторы напряжений ;

5. Собственные и остаточные напряжения;

6. Температура эксплуатации: либо в пределах конструкции, либо во времени ;

7. Среда и порождаемые ею физические либо химические процессы на поверхности;

8. Потоки частиц излучения ;

9. Время эксплуатации ;

Помимо перечисленных внешних факторов существует большое число факторов отражающих реакцию материала на возникающие состояния и протекающие процессы, т.е. то, что называется свойствами материала: упругость, прочность, пластичность, упрочненность, старение, хладостойкость и т.д. В конкретных условиях эксплуатации все факторы выступают в сложном взаимодействии и определяют конструкционную прочность, под которой понимают установленную в результате эксплуатации или испытания способность конструкций сопротивляться наступлению её предельных состояний. Т.е. это реальная прочность конкретной конструкции.

Расчетная прочность это установленная в результате расчета способность конструкции сопротивляться наступлению предельного состояния. Большинство современных методов расчета построены по принципу учета одного главного фактора, а воздействие остальных учитывается в введением поправочных коэффициентов. Например, прочность и устойчивость, прочность и выносливость и т.д. Соединение в одной теории двух факторов достаточно редкое явление.

Второй причиной расхождения конструкционной и расчетной прочности конструкции является недооценка слабо изученных факторов, которые иногда оказываются решающими. Например, применение высокопрочных материалов ограниченно их крайней чувствительностью к концентрации напряжений. Сварные конструкции из низкопрочных материалов не плохо работают при незначительных по размерам дефектах, а крупные дефекты не трудно обнаружить. Высокопрочные материалы разработаны с целью эксплуатации их при высоком уровне напряжений, при котором эти материалы чувствительны к незначительным дефектам.

Третьей причиной несовпадений конструкторской и расчетной прочности является неправильный выбор критериев оценки прочности и выбора предельного состояния широко распространенным примером неправильного выбора предельного состояния является расчет сварной конструкции по наступлению текучести, в то время как она должна быть рассчитана на выносливость по разрушению от усталости или на сопротивляемость разрушению при низких температурах из-за концентрации напряжений.

Четвертая причина состоит в вероятнстной природе формирования конструкционной прочности. С одной стороны неблагоприятное сочетание факторов имеет случайный характер, а с другой стороны количественная оценка каждого фактора имеет рассеяние. Расчетная прочность может совпадать с конструкционной только в статистическом смысле, т.е. с учетом рассеяния действующих факторов. Детерминистический подход к расчету прочности не дает абсолютно надежного уровня расчетной прочности.

Пятая причина связана с вероятностным характером появления и распространения дефектов в сварных конструкциях. Во-первых возможно появление дефектов там, где они раньше отсутствовали и не требовался постоянный сплошной контроль продукции, во-вторых разрешающая способность методов контроля не без предельна, и в третьих всегда возможен пропуск дефекта.