Сварные конструкции. Расчет и проектирование

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

случаи.

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

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 ({юрму правильной окружности, а сварная балка (рис. 6.40, г) частично изогнется и не будет иметь плоской обработан­ной поверхности. В этих случаях требуется либо иерекреп - лять детали перед финишными операциями (см. рнс. 6.40, в, г), либо производить повторную обработку поверхностей с малыми объемами удаляемого металла (см. рис. 6.40, а, б).

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.

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

6) ЛРдс. Н

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.

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:

°/ = У К®»—о,)* + (а, — о,)1 + (о,—о,)*]/2, (6.54)

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:

(/, = о*/(2 Е). (6.55)

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.

3. Перемещения элементов при сварке затрудняют последующий процесс сборки деталей между собой, а иногда делают ее невозможной без проведения дополни­тельной правки. Например, после сварки тонких листов (s<4 мм) их приходится править, так как отклонения от плоскости велики и не позволяют проводить качественную сборку. Если тонкостенные оболочки имеют кольцевые швы, выполненные вблизи края, то это приводит к местному изменению диаметра, и при последующей сборке таких оболочек друг с другом возникает ступенька, что обычно недопустимо. При поузловой сварке часто возникают за­труднения из-за несовпадения посадочных и присоедини­тельных размеров собираемых после сварки узлов вслед­ствие возникших перемещений. Искажения в пространстве бывают иногда настолько существенны и сложны, что приходится подгонку отдельных мест осуществлять вруч­ную, а в некоторых случаях вынуждены проводить пред­варительную полную сборку, что уменьшает возможности механизации и автоматизации сварочного производства.

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

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.