ОСНОВЫ СВАРКИ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

ВЛИЯНИЕ СВАРОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ НА ПРОЧНОСТЬ И РАБОТОСПОСОБНОСТЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И КОНСТРУКЦИЙ

Процесс сварки сопровождается развитием в металле сварных соеди­нений необратимых объемных изменений, в результате которых в конст­рукциях возникают остаточные деформации и напряжения. Являясь соб­ственными напряжениями, т. е. уравновешенными в любых сечениях сварной конструкции, они имею г специфический уровень п распределе­ние (см. подразд. 17.2).

На основании многочисленных экспериментальных и теоретиче­ских исследовании сложились следующие представления о распреде­лении остаточных продольных напряжений oi в стыковыходнопроход­ных соединениях, выполненных электродуговой сваркой. В перлитных и аустенитных сталях, а также в титановых сплавах, структурные пре­вращения в которых либо вовсе не происходят, либо завершаются при высоких температурах, когда металл находится в разупрочненном со­стоянии, характер распределения остаточных напряжений одинаков. Максимальные растягивающие напряжения действуют в шве и около­шовных зонах: в низкоуглероднстых и аустенитных сталях а * а

ІТПХ

(рис. 20.22, а, б), в титановых сплавах (рис. 20.22, в) о, * * (0,5...0,8)а.

а - малоуглеродистая стать (s - Я мм); б - аустснитиаи стать 12Х18П9Т (s =- 2 мм), в - титановый сплав ОТД (,s - 1,5 мм); і - алюминиевый сплав АМг-6 (s - К) мм)

В алюминиевых сплавах в средней части наблюдается характерный «седлообразный» вид эпюры (рис. 20.22. г) - а ~ (0,6.,.0,8)0 . Растя-

ПНХ

гивающие напряжения уравновешены сжимающими напряжениями в основном металле, величина которых определяется действительными деформациями. Представленные эпюры остаточных продольных на­пряжений a t действуют по всей длине швов, за исключением конце­вых участков.

ЗЗ.'І

Структурные превращения, происходящие в металлах при темпе­ратурах значительно меньших, чем температура разупрочнения ме галла, когда су* 0, окалывают влияние на величину и распределение продоль­ных остаточных напряжений а. Чем ниже температура структурных пре­вращений (появление неравновесных мартенсптоподобных структур), тем меньше в зоне превращений растягивающие напряжения а. При низких температурах превращении (ниже 300 С) возникают сжимаю­щие напряжения. На рис, 20,23, а показано типичное распределение на­пряжений су в среднелегнрованнон стали (высокопрочные стати). Вне зоны сжимающих напряжений действуют растягивающие напряжения (пики напряжений), по величине равные (0,6„,0,9)ст, В. тегированных ста­лях, сваренных аустенитным присадочным металлом (рис. 20.23,6), в шве напряжения а растягивающие и равные о аустенита, в околошовных зо­нах в пределах зон, где произошли структурные превращения, a t сжима­ющие. По краям зоны пластических деформаций напряжения <у растя­гивающие, равные по величине (0,6...0,9)су основного металла.

Поперечные напряжения о в электродуговых однопроходных свар­ных соединениях ма. ты, по величине не превышают 0,3 о, , если жест­кость свариваемого элемента в поперечном направлении незначитель­на (в противном случае - см. подразд. 19.3).

При внешнем нагружении происходит взаимодействие (сумми­рование) сварочных напряжений и напряжений от внешнего иагру-
женпя. Вопрос о влиянии только остаточных сварочных напряжений на прочность и долговечность сварных соединений п конструкций не всегда однозначен, гак как процесс сварки сопровождается не только возникновением остаточных напряжений, но и возможным существен­ным изменением структуры и свойств металла в сварном соединении, кроме того, сам шов, как правило, является концентратором напряже­ний, Оценить влияние всех факторов в совокупности на прочность и работоспособность сварных соединений и конструкции можно толь­ко в результа те экспериментальных исследований. Однако некоторые моменты о влиянии остаточных сварочных напряжений на работо­способность конструкций достаточно изучены и подтверждены экс­периментами.

Влияние остаточных сварочных напряжений на прочность

сварных соединений при статическом нагружении

Рассмотрим образец - балку-полоску сечением (В х х) с цент­ральным продольным швом. Распределение остаточных продольных сварочных напряжений в сечении образца показано на рис. 20,24, а: в центрально)') зоне /, (площадь активной зоны F ) действуют растяги­вающие напряжения о. величина которых равна пределу текучести металла: о ( = а ; в периферийной зоне fH действуют уравновешиваю­щие сжимающие напряжения ан, ио величине равные:

ст і./1 +giiJr - б: ав-ал'~Т' = ст'7^' (20.19)

./ к./«

На схематизированной диаграмме растяжения-сжатия металла (рис. 20.24, в) зафиксированы точки А и В, соответствующие этим на­пряжениям. Внешним нагружением вызовем в образце растягивающие напряжения, но величине равные о' , а затем удалим их.

Процесс нагружения и последующего разгружения образца про­следим по диаграмме (рис. 20.24, б), на которой по оси абсцисс откла­дываются напряжения от внешнего нагружения о, а по оси ординат - действующие в образце напряжения а, определяемые суммой напря­жений: сварочных и от внешнего нагружения.

В случае, если в образце нет остаточных сварочных напряжений, дей - сгвугогцпе напряжения изменяются в соответствии с изменением а по прямой линии 0-Л вплоть до предела текучести металла а, (точка Л).

При наличии в образце начальных напряжений (а, = в зоне f] и а. в зоне fn) действующие напряжения в образце при нагружении будут изменяться иначе, В зоне они не изменятся и останутся рав-

а ■■ чпюра осгаючніах енарочпых продо. пимах напряжений о шдке-подоске е цеп іралмімм пниїм (исходное состояние). 6 - диаграмма ндменепия продольных напряжений и юлах /, и jв при паїружепии. н изменение продольных напряжений и донах /, и fR нри нагружении на дпаїрамче ст є: г ніюрл продольных напряжений при ниешмеч (чанічееком нагружении стч1'; й - нпора продольных напряжений при спяпім ста ичс скої о нагружения

УЛІЇ

ными а (точка а,'), В зоне /, напряжения при нагружении будут воз­растать быстрее (по линии стд—Л до точки а8‘), так как зона при ра­стяжении не участвует в восприятии внешней нагрузки. В этой зоне (зоне/,) процесс внешнего нагружения сопровождается протеканием пластических деформаций растяжения: на диаграмме ст-є (рис. 20.24, в) участок а,-ст

Эпюра продольных напряжений в результате взаимодействия (сум­мирования) остаточных сварочных напряжений и напряжений от внеш­него нагружения представлена на рис. 20.24, г.

При снятии внешнего нагружения весь образец, включая зону будет разгружаться упруго. Поэтому процесс снятия напряжений бу­дет характеризоваться линиями аА'~аА" и ав'-ай", параллельными ли­нии 0-Л.

Как следует из диаграммы, процесс приложения внешнего на­гружения, вызвавший пластические деформации растяжения в зоне fA, после снятия нагружения приводит к уменьшению остаточных напря­жений до величин а А" в зоне /, и ав" в зоне /в. На рис. 20.24, б, в показано изменение деформаций и напряжений в зонах /, и /в для рассматривае­мого случая, а на рис. 20.24, д - эпюра продольных напряжений после снятия нагружения.

Очевидно, что в случае, когда а = а, после снятия нагружения ос­таточные напряжения будут равны нулю, так как процесс нагружения будет идти по линии ст,,-/4 для зоны /, и по линии ав~/4 для зоны /в, а процесс разгрузки для обеих зон - по линии /4-0. Прослеживая в этом случае за изменением деформаций и напряжений по диаграмме о-е (см. рис. 20.24, в), можно видеть, что после снятия внешнего нагруже­ния в зоне fл пластические деформации растяжения по величине дос­тигали значения ст(, а в зоне /в пластических деформаций не наблюда­лось.

На основании схематизированного рассмотрения процесса на­гружения балки-полоски со сварным швом и его последующего разгру­жения можно сделать следующие выводы:

• приложение внешней нагрузки вызывает перераспределение внутренних напряжений в балке и сопровождается пластически­ми деформациями растяжения в активной зоне;

• после снятия внешней нагрузки балка остается удлиненной, а внутренние напряжения в ней уменьшаются;

• если при внешнем нагружении балки напряжения по всему ее сечению достигли предела текучести, то после снятия нагруже­ния внутренних напряжений в балке не остается, так как в зоне /, при нагружении возникли пластические деформации растяже­

ния, равные по величине а, в результате чего стремление этой зоны к сокращению исчезло.

Для полного снятия напряжений величина пластической дефор­мации растяжения в активной зоне составляет для малоуглеродистых и низколегированных сталей 0,12.„О,15%, что соответствует деформа­ции а. Это примерно на порядок меньше пластических деформаций удлинения, возникающих в результате сварочного нагрева при охлаж­дении (аТ*ъ 1% ). Запас же пластичности при линейном напряженном состоянии у низколегированных сталей не менее 20%. Следовательно, как процесс сварки, так и последующее нагружение внешней нагрузкой приводят к незначительному уменьшению пластичности металла в рай­оне сварного соединения. Поэтому остаточные сварочные напряжения практически не оказывают влияния на прочность сварных соединений при статическом нагружении, если металл сохраняет способность к пла­стическому деформированию.

Однако, как указывалось в подразд. 20.3, способность к пласти­ческому деформированию металла снижается при работе в условиях низких температур и объемного напряженного состояния, вызываемо­го концентраторами напряжений. В этих условиях возникает опасность хрупкого разрушения, и роль сварочных напряжений может быть весь­ма значительной.

Следует подчеркнуть роль остаточных сварочных напряжений в кон­струкциях, не подвергаемых значительным статическим нагружениям в процессе эксплуатации:

• сжимающие остаточные напряжения понижают местную устой­чивость тонкостенных элементов сварных конструкций. При сум­мировании даже малых рабочих и остаточных напряжений поте­ря устойчивости может возникнуть при нагрузках меньше расчетных, а в некоторых случаях - даже от остаточных напря­жений;

• процессы коррозии усиливаются под влиянием остаточных рас­тягивающих напряжений, а для сталей повышенной прочности и некоторых легированных сталей могут быть причиной появле­ния коррозионных трещин;

• остаточные растягивающие напряжения являются необходи­мым условием появления так называемых холодных трещин в сталях, склонных к закалке. Они возникают непосредственно после сварки или в процессе вылеживания сварных конструк­ций;

• остаточные сварочные напряжения являются носителями энер­гии упругой деформации. Так как напряжения максимальны в зоне сварных соединении, то значительная часть энергии сосре­доточена там. Начавшееся по каким-либо причинам разрушение в дальнейшем поддерживается энергией остаточных напряжений. Трещина может распространяться на значительную длину, сде­лав невозможным последующий ремонт сварной конструкции. Энергия остаточных напряжений усиливает динамику процесса разрушения, увеличивает скорость движения трещин и способ­ствует переходу от вязкого разрушения к хрупкому.

Влияние сварочных напряжений на прочность

сварных соединений при переменном нагружении

Положительное влияние сжимающих напряжений на работо­способность сварных соединений и конструкций при переменном на­гружении подтверждается опытом эксплуатации реальных конструк­ций; сжимающие напряжения повышают, а растягивающие напряжения понижают усталостную прочность.

Особенно существенно влияние остаточных сварочных растя­гивающих напряжений при наличии концентраторов, именно в их рай­оне в первую очередь возникают разрушения от усталости.

Степень отрицательного влияния растягивающих напряжений зависит от уровня эксплуатационных напряжений н коэффициен­та концентрации напряжений. Чем выше рабочие напряжения и чем больше концентрация напряжений, тем меньше доля влияния рас­тягивающих напряжений, и наоборот, при невысоких рабочих на­пряжениях и малых концентрациях напряжений относительное от­рицательное влияние растягивающих остаточных напряжений проявляется сильнее. Объясняется это тем, что остаточные свароч­ные напряжения являются собственными, т. е. взаимно уравнове­шенными, и если при первых же циклах нагружения в перегружен­ных зонах произошла пластическая деформация, в результате которой остаточные напряжения понизились, то собственные на­пряжения самопроизвольно не восстанавливаются. Поэтому при высоких рабочих напряжениях и высокой концентрации напряже­ний на первых же циклах нагружения 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.

Сказанное выше подтверждает, что наиболее эффективным способом повышения усталостной прочности является создание в зоне концент­рации напряжений сжимающих остаточных напряжений (путем повер­хностного наклепа, местного нагрева, обжатия смежных с концентрато­ром зон металла и др.).