Сообщение об ошибке

Notice: Undefined property: stdClass::$comment_count в функции comment_node_page_additions() (строка 728 в файле /home/vprokby/svarschik.by/modules/comment/comment.module).

Влияние сварочных деформаций, напряжений и перемещений на качество сварных конструкций

Методы уменьшения сварочных деформаций, напряжений и перемещений могут быть разделены на две группы в зависимости от того, предназначены ли они для уменьшения остаточных напряжений или для уменьшения перемещений при сварке. Деление это условно и зависит от основного назначения метода. Уменьшение остаточных напряжений влияет на изменение перемещений и наоборот.
Пластические деформации металла в сочетании с термическим воздействием сварки вызывают главным образом изменение свойств металла. Влияние остаточных напряжений и перемещений элементов сварных конструкций многообразно и проявляется как при их изготовлении, так и в процессе эксплуатации.
Влияние пластических деформаций и остаточных напряжений обычно рассматривают совместно. Основные случаи их неблагоприятного проявления следующие:
1. Изменение геометрических размеров и нарушение точности в результате механической обработки деталей, имеющих остаточные напряжения.
Встречаются в основном два случая влияния механической обработки на точность деталей:
съем напряженного металла вызывает перераспределение остаточных напряжений, однако оно не обнаруживается в процессе обработки, так как перемещения детали невозможны ввиду ее закрепления. После освобождения обработанной детали и снятия ее со станка она деформируется и теряет точность, которая была достигнута при обработке. Например, деталь, показанная на рис. 1, а, при съеме с нее металла, испытывающего растягивающие напряжения, должна была бы изогнуться под действием появляющихся касательных сил Рт. Однако искривление обработанной плоскости А произойдет после освобождения детали от закреплений. Рассмотренный случай характерен для нежестких деталей при обработке их плоскостей;
съем напряженного металла вызывает деформирование детали непосредственно в процессе обработки. При этом теряется ранее достигнутая точность. Например, при расточке отверстия 1 (рис. 1, б) вследствие перераспределения остаточных напряжений нарушается точность отверстия II, обработанного ранее.

Схемы обработки сварных деталей

2. Суммирование остаточных напряжений с напряжениями от нагрузок, в результате чего протекают пластические деформации, жесткость детали оказывается меньше расчетной, после снятия нагрузки изменяются геометрические размеры и точность элементов конструкции.

Наиболее значительным по своему влиянию является первое нагружение конструкции. В тех зонах, где рабочие напряжения по своему знаку совпадают с остаточными, которые имеют после сварки величину предела текучести или достигают ее при суммировании с работами напряжениями, будут протекать пластические деформации. Участок 2, где при первом нагружении протекают пластические деформации, как бы «выключается» из работы сечения (рис. 2, в), так как напряжения в нем, примерно равные пределу текучести, по мере роста нагрузки увеличиваются незначительно. Это уменьшает характеристики жесткости сечения EF и EJ. Перемещения — прогибы, углы поворота, удлинения, вызванные нагрузкой, превышают расчетные значения. Например, в балке на рис. 2, а, испытывающей изгиб, в работе участвует лишь сечение, показанное штриховкой на рис. 2, в.

Нагружение сварной балки с остаточными напряжениями

После снятия нагрузки деталь, испытавшая пластические деформации, не возвращается в прежнее положение. В станках для механической обработки и приборах это может привести к снижению точности, в механизмах — к повышенным силам трения при работе их на холостом ходу и т. п.
Имеются формулы для расчета остаточных прогибов в сварных балках 17]. Например, для случая, представленного на рис. 2, остаточный прогиб focm, можно вычислить по формуле


При повторных нагружениях прирост пластических деформаций будет происходить в тех случаях, когда величины повторных нагрузок будут больше, чем при первом нагружении, а также при непродолжительном времени действия первого нагружения, когда пластические деформации не успевают произойти в полной мере. Вибрационные нагрузки могут вызывать пластические деформации в зонах с высокими остаточными напряжениями в течение более продолжительного периода.
3. Пластические деформации металла, его старение и остаточные напряжения в концентраторах, что вызывает снижение деформационной способности элементов сварных конструкций при статическом нагружении.
Пластические деформации металла при сварке наиболее значительны в зонах концентрации напряжений в пересечениях непроваренных элементов, трещинах, в зонах резкого изменения сечений и т. п. Вследствие деформационного старения существенно возрастают предел текучести металла, величина «зуба текучести», склонность металла к локализации пластических деформаций, уменьшается полная деформация до разрушения. Понижается работа при ударном изгибе образцов. Особенно заметны эти изменения при испытаниях в условиях низких температур. При высокой начальной пластичности металла снижение ее в результате указанных причин, а также под влиянием низких температур, может оказаться в некотором интервале температур не столь значительным (рис. 3), чтобы вызвать понижение прочности сварного соединения при статической нагрузке. Однако при дальнейшем понижении температуры обнаруживается также и снижение прочности.

Изменение предела прочности сварных крестовых образцов в зависимости от температуры

Отрицательное влияние сварочных напряжений на прочность соединений проявляется в том случае, когда материал находится в хрупком состоянии. При пластичном состоянии материала сварочные напряжения не являются опасными с точки зрения возникновения разрушения.
4. Жесткая схема трехосных растягивающих остаточных напряжений, способная вызвать разрушение металла без существенной пластической деформации. Объясняется это тем, что пластическая деформация в металле начинается, когда эквивалентное напряжение достигает:


Если наибольший компонент главных напряжений ах достигнет значения разрушающего напряжения до того, как стj станет равным ат, разрушение возникнет без пластической деформации.
5. Понижение прочности сварных конструкций при переменных нагрузках под влиянием остаточных растягивающих напряжений. Теоретические исследования И. В. Кудрявцева [10] показали, что влияние остаточных напряжений на усталостную прочность может быть выражено специальной формулой.
В сварных соединениях в зависимости от свойств металла и концентрации напряжений степень влияния остаточных напряжений на усталостную прочность меняется в широких пределах и количественно окончательно не установлена. Проведены разнообразные исследования усталостной прочности сварных соединений с остаточными напряжениями [6, 7, 10]. Степень влияния остаточных напряжений на выносливость понижается с увеличением переменных напряжений и зависит также от формы сварных соединений.
6. Влияние остаточных напряжений на местную устойчивость тонкостенных элементов сварных конструкций. При действии сжимающих остаточных напряжений устойчивость понижается. В тонкостенных элементах, где сжимающие остаточные напряжения распределены равномерно, они могут быть просуммированы с рабочими при определении критических напряжений и запаса устойчивости. Нередко потеря устойчивости тонколистовых элементов возникает только от остаточных напряжений. Остаточные сжимающие напряжения влияют на общую устойчивость сварных стержней двутаврового, таврового, коробчатого и других профилей. Степень влияния остаточных напряжений зависит от гибкости колонн и расположения зон с растягивающими и сжимающими напряжениями. Количество исследований, посвященных данному вопросу, мало; точки зрения отдельных авторов не совпадают.
7. Интенсификация процессов коррозии и коррозионного растрескивания в зонах с остаточными растягивающими напряжениями и пластическими деформациями. В ряде случаев преобладающее влияние оказывают пластические деформации. Имеет место воздействие напряжений как первого рода, так и более высоких родов. Исследования по количественному влиянию остаточных напряжений на процессы в коррозионных средах малочисленны.

Цилиндрические оболочки с приваренными шпангоутами

8. Накопление значительной потенциальной энергии в сварных конструкциях вследствие наличия объемов металла с большими остаточными напряжениями. Развитие начавшихся по разным причинам разрушений может происходить только за счет накопленной потенциальной энергии. Известны случаи самопроизвольных развитых разрушений, когда рабочие напряжения отсутствовали. Основное
количество потенциальной энергии сосредоточено в зонах пластических деформаций сварных соединений, где остаточные напряжения наиболее значительны и нередко близки к пределу текучести. В зоне сжимающих напряжений, которые обычно невелики, количество запасенной энергии незначительно.
Это следует из формулы, выражающей количество энергии в единице объема при одноосном напряжении, где величина напряжений входит в квадрате:


9. Образование и развитие так называемых холодных трещин (см. гл. VI). Оно происходит в присутствии остаточных напряжений первого рода, которые в данном случае являются необходимым элементом действующего механизма разрушения. Так как замедленные разрушения возникают в период, непосредственно следующий за сваркой, когда рабочие напряжения отсутствуют, роль остаточных напряжений наряду с другими факторами структуры и состояния металла является решающей. Результаты испытаний на замедленные разрушения (см. гл. VI) позволяют судить о количественной стороне влияния остаточных напряжений.
Влияние перемещений, вызванных сваркой также многообразно и может проявляться в следующем:
1. Остаточные перемещения в значительном большинстве случаев затрудняют сборку элементов сварных конструкций, а в некоторых случаях делают ее даже невозможной. Например, после сварки тонких (менее 3—4 мм) листов в результате потери устойчивости коробление настолько значительно, что сваренные ранее пластины невозможно собрать между собой, не применив перед сваркой их правку. Отдельные элементы сложных балочных конструкций перед сборкой, как правило, должны подвергаться правке, так как они не могут быть собраны ввиду наличия больших зазоров от изгиба. На рис. 4 показаны поперечные сечения концов тонкостенных оболочек с шпангоутами, в которых различное окружное сокращение после сварки роликовых швов не позволило собрать оболочки под сварку, ввиду наличия «ступеньки» величиной около 1—1,5 мм. Практика производства сварных конструкций располагает многочисленными примерами необходимости устранения перемещений перед сборкой.
2. Остаточные перемещения могут ухудшить процесс и качество сварки. На рис. 5, а показаны тонкие листы, которые вначале были собраны на прихватках, а затем был заварен шов 1. Потеря устойчивости листов не позволяет произвести сварку шва 2, так как при зажатии их в приспособлении в зоне шва 2 появляются перемещения волнообразного характера, листы не прилегают к подкладке, ввиду чего сварка не может быть выполнена качественно. На рис. 5, б показан недостаточно хорошо выправленный лист 1, который точками собран с листом 2 под роликовую сварку. В процессе сварки происходит смятие листа 1, имеются смещения и вмятины.
Полка балки 1 на рис. 5, в имеет грибовидность; в сопряжении между балкой 1 и 2, которое должно быть заварено, имеется зазор. Ввиду того, что угловой шов может оказаться неполноценным, необходимо устранение грибовидности.

Примеры отрицательного влияния перемещений на соединения, поступающие на сварку

3. Вследствие остаточных перемещений, вызванных сваркой, назначают завышенные припуски на механическую обработку деталей. Например, толщину стенок вала на рис. 6, а, который должен обрабатываться снаружи и внутри, необходимо перед сваркой назначать большей ввиду появления углового излома 0 в зоне кольцевого шва, выполняемого электрошлаковой сваркой. Аналогичные случаи имеют место и в протяженных сварных деталях другого типа (рис. 6, б). Пластины 1, поверхности которых обрабатываются, должны быть выполнены завышенной толщины.

Примеры влияния остаточных перемещений на величину припусков при механической обработке
4. Некоторые виды перемещений изменяют геометрические характеристики сечений, например уменьшают момент инерции J, что, в свою очередь, может привести к неучтенному расчетом повышению рабочих напряжений. На рис. 5, в показано сечение сварной балки, полка которой имеет грибовидность. Приближение полки к центру тяжести балки вызывает уменьшение момента инерции Jx.
Сварочные перемещения могут привести к выключению из работы отдельных участков конструкции и к перегрузке за счет этого других участков, например при местной потере устойчивости листовых элементов.
5. Остаточные перемещения (изгиб, хлопуны) оказывают заметное влияние на устойчивость конструкций. Например, остаточные прогибы / в колоннах, работающих на сжатие, вызывают появление дополнительных изгибающих моментов (рис. 7, а). В тонкостенных оболочках, работающих на сжатие, устойчивость может быть понижена за счет корсетного сокращения от кольцевого шва 1 или за счет прогиба участка А оболочки в направлении к ее оси (рис. 7, б).

Примеры отрицательного влияния перемещений еа устойчивость элементов конструкций

6. Остаточные перемещения, искажающие форму сварных конструкций, могут повлиять на эксплуатационные свойства изделий, например вызвать повышенные сопротивления потоку жидкости или газа. Сварные плоскости самолетов, выполненные с применением точечной сварки, могут иметь недостаточно ровную поверхность. Листовые элементы, испытывающие действие остаточных сжимающих напряжений, при движении в потоке газа или жидкости могут испытывать вибрацию. Отклонения сварных деталей от проектных размеров нередко вызывают в механизмах повышенные силы трения.
7. Вследствие значительных перемещений (сокращений, изгиба) размеры сварных деталей могут значительно отклоняться от проектных, не укладываясь в отведенное поле допуска. В таких случаях необходимо также устранять остаточные перемещения или учитывать их при заготовительных операциях.
8. В ряде изделий искажения формы от сварки приводят к неудовлетворительному внешнему виду, ,не отвечающему эстетическим требованиям (вагоны, автомобили, предметы бытового назначения и др.).

О нас

Сварщик.by  - Белорусский интернет-портал о сварке и сварочном оборудовании

NB!

Сварка - технологический процесс получения механически неразъёмных соединений в результате межчастичных (межатомных, межионных) связей, диффузионных процессов.

Сбор новостей

Подписка на Сбор новостей

Контакты

Вы можете связаться с нами: