Сварные конструкции. Расчет и проектирование

ДЕФОРМАЦИИ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ В ЗОНЕ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Сварка вызывает искажение размеров и формы элементов сварных конструкций, их укорочение, изгиб, потерю устой­чивости, закручивание. Эти искажения выражаются в пе­ремещениях, которые зависят от формы сварной конструк­ции, расположения швов в ней, толщины металла. Многооб­разные виды перемещений сварных конструкций порожда­ются относительно небольшим числом видов деформаций и перемещений, возникающих в зоне сварных соединений. Деформации и перемещения в зоне сварных соединений зависят от количества теплоты, вводимого при сварке, рас­пределения температур, свойств свариваемого металла.

Один из наиболее простых расчетных приемов определе­ния перемещений сварных конструкций состоит в выделе­нии двух самостоятельных этапов расчета. На первом нахо­дят деформации и перемещения в зоне сварных соединений эту часть называют термомеханической частью задачи, а на втором методами сопротивления материалов или теории упругости определяют перемещения в конструкции, ис­пользуя результаты, полученные на первом этапе. Эту часть называют деформационной частью задачи. Удобство такого приема состоит в том, что одни и те же результаты термомеханической части задачи, полученные один раз расчетным или экспериментальным путем, могут затем многократно использоваться при решении деформационных задач для самых разнообразных видов конструкций.

Различают пять основных видов деформаций и перемеще­ний в зоне сварных соединений.

1. Продольные остаточные пластиче­ские деформации ехая ост, создающие так назы­ваемую усадочную силу Ру0. При определении продольных напряжений ох по методу Г. А. Николаева (см. рис. 6.10, в) была получена эпюра остаточных пластических деформаций еПлосі- Чтобы установить зависимость между усадочной силой РуС и еплост, рассмотрим более подробно состояние сваренной пластины.

Разрежем пластину шириной 2В на продольные полоски, чтобы освободить каждую из них от имеющихся напряжений ах (рис. 6.17, а). Концы полос расположатся так, как пока­зано на этом рисунке. Полоски, находящиеся за пределами зоны 2Ьп пластических деформаций, будут иметь начальную длину LB. Полоски внутри этой зоны будут короче, потому что они имеют остаточную пластическую деформацию ®пл осг> которую берут со знаком минус. Укорочение Д1**вплост L#. Концы полос будут геометрически повто­рять характер эпюры е1|ДОСТ (рис. 6.17, б). Приложим и укороченным полосам растягивающие силы р, образующие в полосках напряжения а. чтобы длина всех полос стала одинаковой и равной L„ (рис. 6.17, в)'.

/> = —е„л. (62°)

«Склеим» между собой полоски. При этом они образуют целую пластину с напряжениями ах—р по концам в преде-

лах зоны пластических деформаций. Остальная часть шири­ны будет свободна от напряжений. В действительности к торцам сваренной пластины никаких сил не приложено, поэтому уравновесим силы р равными им по значению и противоположными по направлению (рис. 6.17, г). Интег­рал от распределенной нагрузки р, взятый в пределах зоны пластических деформаций 2Ь„, даст некоторую силу, кото­рая называется фиктивной усадочной силой РиС. Так как *пл ост<0, ТО Рус<0, или

»п

5 епл. oct^s ^ У» (6.21)

~Ьа

где s — толщина пластины.

Усадочная сила Яус вызовет по всей ширине равномер­ное сжатие <rCm=Pyc/(‘2Bs) и сформирует совместно с на­пряжениями о=р, которые образовались в пределах зоны
2Ьа при растяжении полосок, эпюру остаточных собствен­ных напряжений ах, которые были в пластине до ее разрезки на полосы. Укорочение пластины от силы Р, с выражается величиной

Anp = P, cM2Bs£). (6.22)

Таким образом, если пренебречь влиянием характера распределенных сил р по торцам пластины и заменить их силой Рус, то будем иметь пластину, нагруженную по кон­цам швов. Собственные напряжения в разных точках по

8}

Рнс. 6.18. Распределение епд, осг в низ­коуглеродистой стали (а) и в стали при сварке, испытавшей структурные превра­щения (О)

ширине могут быть определены по общему правилу вычис­ления напряжений в пластине, имеющей остаточные пла­стические деформации укорочения епд осг:

0Х = — 0СТЕ + Pyc/(2Bs). (6.23)

Значения епяосг и Руе в формуле (6.23) отрицательны. Напряжения ах показаны в сечении пластины на рис. 6.17, г. Как видим, определение усадочной силы Рус сводится к определению эпюры остаточных пластических деформаций епл ост. которая может быть найдена различ­ными расчетными методами или экспериментально. Для исключения погрешностей, вызываемых различными допу­щениями в расчетных методах, усадочную силу часто опре­деляют экспериментально. Для этого достаточно измерить длины патосок до сварки и после разрезки пластины, как это было изложено в § 6.1 при определении остаточных напряжений. По разности показаний нужно найти изме­нение длины полосок Л, а затем определить еил аст=/Б, где Б —длина базы измерения. По формуле (6.21) вычис­ляют Ру0. Можно также определить изменение длины пластины в результате сварки Дир на какой-либо началь­ной базе а затем, воспользовавшись формулой (6.22), вычисляют Рус-

При сварке легированных сталей, испытывающих струк­турные превращения, в юне пластических деформаций могут возникнуть и пластические деформации удлинения (рис. 6.18, а, б). У отдельных сталей сила Рус может ока­заться растягивающей, т. е. в этом случае пла­стина после сварки удли­няется, а не укорачива­ется. Однако у подав­ляющего большинства металлов сила Яу0 сжи­мающая.

Для разных сталей и сплавов получены эмпи­рические формулы для вычисления Рус в за­висимости от условий сварки. Для низкоуглеродистых и низколегированных ста­лей с пределом текучести oTs^300 МПа при дуговой сварке стыковых, тавровых и нахлесточных соединений весьма жестких (с большой площадью поперечного сечения) эле­ментов за один проход значение Р, с ж> выраженное в нью­тонах, может быть определено по формуле

V ж = - 1230 000/(7, + 12 600) + 3,58] q/vc, (6.24)

где q — эффективная мощность, Дж/с; vc — скорость свар­ки, см/с; Оо=<?/ (Ис5р«сч) — удельная погонная энергия сварки, Дж/см*; spac, — расчетная толщина свариваемого элемента, см; spac,=0,5 (s,+s,) в стыковых или угловом соединении пластин толщиной и s, (рис. 6.19, а, б) или spac,=0,5 (2su+Sc) в тавровом или нахлесточном соедине­нии (рис. 6.19, в, г). Формула (6.24) действительна в диапа­зоне 70=4000. . .38 ООО Дж/см*.

В случае многопроходной сварки зоны пластических деформаций от последующих слоев могут перекрывать зону пластических деформаций, образованную ранее уложен­ными слоями. При сварке таврового соединения последова­тельно двумя одинаковыми угловыми швами, зоны пласти­ческих деформаций которых перекрываются, суммарная усадочная сила от двух швов составляет 1,3. . .1,45 усадоч­ной силы от первого шва. При укладке большего числа сло­ев данные приведены в справочнике 161.

Из-за нагрева кромки усадочная сила возникает и при резке металла. Погонная энергия при газовой резке стали,

приходящаяся на одну кромку для толщин s=0,6. . .4,0 см, q/vv = 42 600 (13,5—s) s, (6.25)

где s выражено в см; q/vp — в Дж/м.

2. Равномерные по толщине попереч­ные остаточные пластические дефор­мации вувя осг, интеграл которых дает поперечную усадку Дпоп При нагреве или проплавлений целой плас­тины движущимся источником теплоты в ней помимо про - дольныхсобственныхдеформа - ций возникают и поперечные собственные деформации гу, которые обычно создают попе­речные пластические деформа­ции е„ . Металл от иа-

пл ост

грева расширяется, так как в нем возникают напряжения сжатия. Наиболее низкие зна­чения от наблюдаются в об­ласти высокого нагрева, где и образуются пластические деформации. На рис. 6.20, б показан примерный характер распределения еоПявсг по ширине пластины Если точку О по оси шва (рис. 6.20, а) принять как неподвижную, то можно определить перемещения v точек А, В, D в направ-

v

лении к оси шва как интеграл J e, int ос[ (рис. 6.20, в),

где верхний предел интегрирования принимает значения у At yut Уп■ Точки В и D одинаково смещаются к оси шва, так как зона поперечных пластических деформаций огра­ничена размерами — 6„п и 6*п, а точки В и D находятся за ее пределами. Ширина пластины сокращается на размер

+

Д"°"= S •Woerdj'- (6-26)

~ Vn

В стыковом соединении пластин с зазором (рис. 6.21, а) расширение металла в поперечном направлении происходит намного свободнее, чем при сварке целой пластины. Нагре­
ваемые кромки достаточно свободно перемещаются в зазор, в результате чего возникают перемещения о, показанные на рис. 6.21, б. Максимально возможное перемещение каж­дой кромки при отсутствии теплоотдачи в воздух

0ии«= —А. (6.27)

™“* Су DCS ' '

где q — мощность, вводимая в обе кромки (в каждую кромку вводится q!2); vc — скорость сварки; s — толщина листа; а — коэффициент линейного расширения; су — объемная теплоемкость (см. табл. 6.1).

После максимального сближения в точке О кромки на стадии охлаждения отходят в обратном направлении, пока металл находится в жид­ком состоянии или имеет о) низкий предел текучести.

В некоторой точке F металл приобретает достаточную прочность и величина 2 vf предстает как поперечная усадка Лпоп=2у/<2і'п1„. В зависимости от условий и способа сварки Дпоп имеет разные значения:

4.™-= А і Д, (6.28)

где А — эмпирический ко­эффициент. При электро­шлаковой сварке /4 = 1,6; Рис. 6.21. Перемещение кромок при электродуговой сварке пластины в стыковом соединении

с полным проплавлением с заз°Р°м

И«1,0. . .1,2.

Абсолютное значение AUOn изменяется в широких пре­делах в зависимости от вводимой при сварке энергии. При дуговой однопроходной сварке стыкового соединения ме­таллов толщиной до 3. . .5 мм Дпоп составляет обычно де­сятые дати миллиметра; до 5. . .20 мм ДиОп=0,5. . .1,5 мм; при электрошлаковой сварке Д„оп—3. . .8 мм и более. Поперечная усадка в случае неполного проплавлення ли­ста, например в нахлесточных и тавровых соединениях, также имеет большое практическое значение. Коэффициен­ты А, входящие в формулу (6.28), для случая неполного проплавлення приведены в справочнике 16].

При определении Ап»,, по формуле (6.28) q — это эф­фективная мощность, вводимая в пластину, для которой находят поперечную усадку. Для нахлесточных и тавровых соединений определение эффективной мощности qa, вводи­мой в лист толщиной s„, к которому приваривают другой лист толщиной sp, приближенно можно проводить по фор­муле

Яа ™ 2()sn/(2sn - f Sp), (6.29)

где q — полная эффективная мощность источника нагрева. Поперечная усадка может быть определена эксперимен­тально путем измерения баз, расположенных поперек шва с

о! в) 91

одной и другой стороны пластины. Размер измеряемых баз должен быть больше ширины зоны, которая нагревалась до 150 °С (для сталей). Величина Дпоп находится как полу­сумма значений, подученных на лицевой и обратной сторонах.

3. Неравномерные п о толщине попе­речные пластические деформации, обра­зующие угловое перемещение р в зоне сварного соединения. Неравномерные по толщине или неравномерные по сечению многослойного шва поперечные пластические деформации Єуплосг вызывают поворот одной части пластины относи­тельно другой на угол р (рис. 6.22, а. . .е). При проплав­лении целой пластины или выполнении углового шва угол Р зависит от отношения His глубины провара к толщине пластины, формы провара и его ширины. Характер зависи­мости Р (His) показан на рис. 6.23. При малой глубине про­вара непроверенная часть сопротивляется усадке проварен­ной части. При большой глубине провара эпюра e„n4oct достаточно равномерна по толщине. В обоих случаях угол

Р мал. Однако и при полном проваре часто возникает угол поворота р (пунктирная линия на рнс. 6.23). При сварке двух однопроходных швов (см. рис. 6.22, е) угол Pv опре­деляется суммой углов Pi от неравномерной усадки листа при сварке шва /, р2 от неравномерной усадки шва 2 и Рш от усадки собственно шва 2 в направлении его гипотену­зы. Угол рш мал по сравнению с примерно одинаковыми pi и р*. По­этому угол Pv«2P!. Если fc<0,5 х xsn(pnc. 6.22, е), то угол р£ в ра­дианах для сталей можно прибли­женно вычислить по формуле

pE=0,l(ft/sn-0,l). (6.30)

Шов с одним и тем же катетом к _________________________

можно выполнить с большим или и / TJ/5

меньшим проплавлением листа. По - Рис 6 23 Характер эа. этому зависимость (6.30) справедли - писимости р от НІ» ва при эффективной погонной энер­гии, вводимой в лист: qjvc=16 ООО к1 для */s„<0,5,

= 10 500 k* для k/sn^0,7; при 0„/уе=75ОО кг для k/sa^ (к выражено в см; qjve — в Дж/см), qn можно опреде-

лить по формуле (6.29). Для случая <7о/ио = 10 500 к* на рис. 6.2-1 показана зависимость угла ps от толщины листа su и катета шва к. Уменьшение Ре при малых s0 вызвано ростом относительного проплавлення Шап (см. рис. 6.23). Аналогичный вид имеют кривые Ре и для алюминиевых сплавов АМг5В, АМгб, АМгб 1 (рис. 6.24) при сварке двух угловых однопроходных швов. На рис. 6.25 показано пере­мещение Д края полки при /.= 180 мм (Д=Ру;/,).

Аналитических зависимостей углов р для широкого изме­нения условий сварки нет. Значения р несложно получить экспериментально, используя профилограммы в перпен­дикулярном шву направлении.

4. Перемещения в зоне шва в направлении перпендикуляра к поверхности свариваемых листов w,

которые образуют смещение Дг. Перемещения ш возникают чаще всего при сварке металла небольшой толщины. Нагрев металла, сопровождающий сварку, вызывает его расшире­ние и образование временных напряжений сжатия. В тонком (до 1 мм) металле может возникнуть потеря устойчивости — одна кромка смещается относительно другой, и это положе­ние фиксируется швом. Возникает смещение А,. Неравно­мерный нагрев по толщине вызывает изгиб листа в процессе сварки. Если один лист по этой причине перемещается, а другой — нет, то также возникает смещение Аг Наиболее закономерный характер имеют перемещения w при сварке кольцевых швов оболочек. Вследствие расширения при нагреве значительная зона вблизи кромки оболочки удли­няется в направлении окружности, возникают радиальные перемещения свариваемых кромок. Радиальные перемеще­ния кромок и» будут разные, если оболочки имеют разную жесткость, как, например, показано на рис. 6.26, о, когда одна из оболочек представляет собой часть шпангоута, а другая не имеет дополнительных жесткостей. Эти переме­щения по длине развертки части периметра показаны кри­выми / и 2. Они регистрировались на расстоянии 6 мм от свариваемых кромок. Шов зафиксировал относительное

перемещение кромок, и на рис. 6.26, б показано их положе­ние после полного усгывання. Возникло смещение которое снижает прочность и устойчивость оболочек. Пере­мещения w могут быть вычислены, но обычно их определя­ют экспериментально.

5. Сдвиговые деформации ухи, которые образуют в сварном соединении смещения Дх. При сварке в зоне нагрева точки свариваемых пластин перемещаются в

направлении оси х. Впереди источника нагрева они дви­жутся в одном направлении с ним, а позади него — в про­тивоположном. Максимальные перемещения и различны — наибольшие у кромок, которые убывают с увеличением ко­ординаты у. Возникают сдвиговые упругие и пластические

деформации. При прочих равных условиях ы ~ т. е.

зависит от удельной погонной энергии, вводимой в каждую из свариваемых пластин. В практическом отношении инте­рес представляет то обстоятельство, что при одинаковых температурных полях максимальное перемещение и„ края пластины, наблюдаемое примерно в точке положения источ­ника, в 1,5 раза больше, чем максимальное перемещение ис середины пластины (рис. 6.27, а, б). Такоз явление обычно наблюдается при сварке нахлесточных или тавро­вых соединений. Разница в перемещениях ы„ и и,, может оказаться еще больше, если больше вводится теплоты в привариваемый лист, чем в полку. Разница в перемещениях Ах=(ин~ис) зафиксируется швом н сохранится как оста­точная. Привариваемое ребро или нахлестка переместятся после полного остывания в направлении сварки. Значение

Лх при нормальном ведении сварки металла толщиной 5. . . 10 мм составляет несколько десятых долей миллиметра, но может быть и более миллиметра при сильном разогреве привариваемого элемента При контактной точечной или шовной сварке нахлесточных соединений также могут возникать смещения Ах в результате сдвига электродов

относительно друг друга или сильного сопротивления вра­щению одного из роликов

Рассмотренные выше деформации и перемещения в зоне сварных соединении, особенно Рус и ДПол. будут в дальней­шем неоднократно использованы для описания и вычисле­ния разнообразных искажений формы сварных конструк­ций при решении деформационных задач