ВНУТРЕННИЕ УСИЛИЯ И ДЕФОРМАЦИИ ПРИ СВАРКЕ

Расчет общих деформаций в сварных конструкциях

Рассмотренные выше сварные. конструкции (фиг. 98—103) отличались «большой длиной и сравнительно мальши. поперечны­ми размерами. Вследствие этого поперечные швы в этих кон­струкциях либо совсем отсутствуют, либо их очень мало. Соеди­нения элементов или узлов поперечными швами в рассмотрен-1 ных выше сварных - конструкциях вызываются необходимостью наращивания длины элементов до требуемых проектных разме­ров. Обычно при изготовлении сварных конструкций такие попе­речные швы выполняются до общей оборки всей конструкции, поэтому поперечная усадка их почти никакого влияния на обра­зование общих деформаций не оказывает. Общие деформации в рассмотренных выше. конструкциях вызываются главным об­разом продольной усадкой сварных швов. Поэтому при расчете общих деформаций исходим из величины активных внутренних усилий, действующих по линиям этих швов. Влияние поперечной усадки сварных швов в рассмотренных на фиг. 98—'103 конст­рукциях сказывается на образовании (местных деформаций, а именно угловых деформаций в соединениях стыковыми и угло­выми швами, потере устойчивости сжатыми областями листовых элементов и др.

В сварных конструкциях, имеющих большие габаритные размеры, количество сварных швов, расположенных в различ­ных пространственных положениях, значительно возрастает. К таким сварным конструкциям относятся корпуса машин, бло­ки дизелей тепловозов, барабаны шахтных подъемных машин, объемные секции «корпуса .корабля, .поворотные платформы и рамы экскаваторов и др.

. В конструкциях с большими габаритными размерами свар­ные швы обычно расположены параллельно их координатным осям (например, в секциях корпуса корабля, © блоках дизеля тепловоза и др.). Такое расположение сварных швов обусловле­но технологическими и экономическими предпосылками и уста­навливается конструктивными «формами соединения и сопряже­ния свариваемых элементов и узлов (фиг. 106). iB некоторых сварных конструкциях часть швов расположена радиально отно­сительно оси центров тяжести поперечных сечений этой конст­рукции, например,, в барабанах подъемных імашин, в поворот­ных платформах.

Величина общих сварочных деформаций в конструкциях, имеющих Щвы в различных - пространственных положениях (фиг. 106), зависит не только от продольной усадки швоїв, парал­лельных соответствующей координатной -оси, но также и от по­перечной усадки швов, параллельных другим (Координатным осям.

Теоретический расчет общих деформаций сварных конструкт ций с большим количеством швов представляет весьма сложную и трудную задачу. Общие сварочные деформации от продольной, усадки швов, параллельных какой-либо координатной оси, мо-

гут быть определены при помощи описанных выше приближен­ных теоретических методов расчета, дающих значения общих деформаций, близкие к действительным величинам.

Влияние поперечной усадки швов на общие деформации сварной конструкции теоретически «можно учесть лишь ориенти­ровочно, основываясь на предпосылках и допущениях первого приближения.

На фиг* 107 схематически показаны возможные общие де­формации (укорочения и прогибы), ориентированные относи­тельно координатных осей пространственной сварной конструк­ции. Кроме деформаций общего укорочения и прогибов в про­странственной сварной конструкции, возможно также образова­ние винтообравности.

Возможные общие «сварочные деформации, ориентированные относительно координатной оси х будут: укорочение длины свар­ной конструкции AL; поперечный изгиб сварной конструкции с прогибами zx от поворота около оси у сечений, параллельных координатной плоскости yoz; поперечный изгиб - сварной канет-*

рукции с прогибами ух от поворота около оси г тех же сечений, параллельных той же координатной плоскости yoz (фиг. 107) и винтообразность сварной конструкции относительно оси х (фиг. 97).

Подобным же образом. возможные общие сварочные дефор­мации, ориентированные относительно координатной оси конст­рукции уу соответственно будут: укорочение ширины конструк­ции АН; поперечный изгиб конструкции - с. прогибами ху от пово­рота около оси z сечений, параллельных координатной плоско-

сти xoz; поперечный изгиб конструкции с прогибами zy от пово­рота тех же сечений около оси х (фиг. 107) и винтообразность сварной конструкции относительно оси у.

Точно так же возможные общие сварочные деформации, ориентированные относительно координатной оси конструкции г, соответственно будут: укорочение высоты конструкции AS; по­перечный изгиб конструкции с прогибами xz от поворота около оси у сечений, параллельных координатной плоскости хоу; попе­речный изгиб конструкции с прогибами yz от поворота тех же сечений около оси х (фиг. 107) и винтообразность конструкции относительно координатной оси г.

Степень развития и величина каждой из описанных /выше общих сварочных деформаций относительно той или иной коор­динатной оси сварной конструкции будет зависеть от располо­жения швов по отношению к направлению соответствующей ко­ординатной оси, поперечного сечения швов, режима сварочного нагрева при выполнении этих швов, конструктивных форм сое­диненных между собою элементов и формы всей конструкции, технологической сборочно-сварочной оснастки и порядка выпол­нения сварных швов в отдельных узл. ах и соединениях узлов, в целую конструкцию.

Если їв конструкции сварные швы (расположены симметрична относительно центральных осей (фиг. 106) И если допустить, что сварка всех швов выполняется одновременно, то общие - свароч­ные деформации будут представлять только укорочение контур­ных размеров. конструкции в направлении координатных осей.

Приближенный расчет общих деформаций сварной конструк­ции при указанных условиях и допущениях заключается в опре­делении укорочения контурных размеров AL, АН и AS.

Укорочение длины конструкции AL будет состоять из укоро­чений от продольной усадки сварных швов, параллельных оси ху поперечных укорочений в направлении оси х сварных швов, параллельных оси у, и поперечных укорочений в направлении оси х сварных швов, параллельных оси г. Поэтому общее уко­рочение длины сварной конструкции AL будет

AL = Ах - j- ЕДуХ + ЕД2Д> (256)

где Ал: — укорочение длины конструкции от продольной усадки

сварных швов, параллельных оси х

1>Аух — сумм, а поперечных укорочений в направлении оси х сварных швов, параллельных оси у

2А— сумма поперечных укорочений в направлении оси х сварных швов, параллельных оси z.

Подобным же образом соответственно формуле (256) общее укорочение ширины сварной конструкции АН будет

АН = А у + ЕД ху + ЕД 2у, (257)

где А у — укорочение ширины конструкции от продольной усадки

сварных швов, параллельных оси у;

НА ху — сумма поперечных укорочений в направлении оси у

сварных швов, параллельных оси х

ЕД2У — сумма поперечных укорочений в направлении оси свар­ных швов, параллельных оси г.

Таким же образом общее укорочение высоты сварной кон­струкции AS будет:

AS = Az + ЕД** + ЕА„2> (258)

где Az — укорочение высоты конструкции от продольной усадки

сварных швов, параллельных оси г

SA— сумма поперечных укорочений в направлении оси г

сварных швов, параллельных оси х

ЕДyz — сумма поперечных укорочений в направлении оси z

сварных швов, параллельных оси у.

Определение уменьшения контурных размеров сечений конст­рукции по формулам (256), (257) и (258), исходя из активных внутренних усилий сварных швов, производятся по следующей расчетной схеме:

1) определяются активные внутренние усилия в сварных швах конструкции от действия продольной усадки этих швов;

2) определяется реактивное напряжение осевого сжатия a2t - от продольной усадки сварных швов, параллельных соответствующей

координатной оси сварной конструкции, и по формуле (117) рас­считываются укорочения Ах, Ду, Дг в направлении этих осей;

3) находится величина поперечной усадки сварных швов ори­ентировочно по приближенным формулам (158) и (164);

4) определяется сумма укорочений 2Д*/ в направлении каж­дой координатной оси от поперечной усадки сварных швов, не параллельных этой 'координатной оси;

5) находится общее укорочение контурных размеров сварной 'конструкции по формулам (256), (257) и (258).

Угловые деформации противолежащих сварных швов будут действовать друг на друга в противоположных направлениях и ввиду их симметричного расположения относительно коорди­натных осей заметного влияния на величину общих деформаций не окажут.

Рассмотренный вариант технологического процесса изготов­ления сварной конструкции условным допущением одновре­менного наложения всех сварных швов является теоретическим, так как указанный технологический вариант изготовления свар­ной конструкции практически осуществить почти невозможно.

Рассмотрим образование общих сварочных деформаций при изготовлении той же сварной 'конструкции практически возмож­ными технологическими вариантами, а именно:

1) предварительно собираются и свариваются стыковыми швами все листы, а затем из них собирается вся конструкция и сваривается угловыми швами;

2) собирается на прихватках вся конструкция из отдельных заготовок листовых элементов, а затем - свариваются все стыко­вые и угловые швы.

Если предварительно собрать и сварить стыки горизонталь­ных и вертикальных листов, а после этого собрать всю конст­рукцию (фиг. 106) и производить сварку угловых швов, парал­лельных оси х, то общие деформации будут вызываться только внутренними усилиями угловых швов. Продольная и поперечная усадка стыковых швов, выполненных ранее до общей оборки конструкции, влияния на образование общих деформаций ока­зывать не «будет.

Характер общей деформации сварной конструкции при таком технологическом варианте ее изготовления будет обусловлен порядком наложения угловых швов, параллельных оси х. При крестообразном порядке наложения угловых швов на наружных поясах конструкции деформация изгиба оси л: практически мо­жет отсутствовать.

Укорочение длины AL конструкции будет представлять про­дольную усадку угловых швов, параллельных оси х, и ее можно определить по формуле (117). Укорочение контурных размеров по ширине конструкции АН будет представлять собой попереч­ную усадку угловых швов в направлении оси у. Укорочение вы - 224

Соты AS 'будет -представлять поперечную усадку тех же угловых швов в направлении оси г.

Если «первыми заварить угловые швы на нижнем поясном листе (фиг. 106), а затем на среднем и верхнем, то общая де­формация сварной конструкции, создаваемая продольной усад­кой угловых швов, проявится в виде поперечного изгиба оси х с прогибами zx (рис. 107), причем вогнутость 'будет со стороны листа, на котором наложены первые швы, т. е. со стороны ниж­него поясного листа.

Величину прогиба г* определим подобно расчету, приведен­ному выше (см. пример 2).

Очевидно, наиболее рациональным будет такой порядок на­ложения угловых швов, при котором вначале приваривается средний лист к стенкам конструкции, «а затем попеременно на­крест завариваются угловые швы на поясных листах сварной конструкции.

Если первыми заварить угловые швы, соединяющие стенку с тремя горизонтальными листами (фиг. 106), а потом угловые швы, соединяющие вторую, стенку с теми же горизонтальными листами, то поперечный изгиб оси х с прогибами ух будет с во­гнутостью со стороны той стенки, которая первая приваривалась к листам. Укорочение ширины конструкции АН и высоты конст­рукции AS в этом случае будет вызвано поперечной усадкой угловых швов в соответствующих направлениях.

'При оборке всей конструкции из отдельных заготовленных элементов и последующей сварке стыковых и угловых швов об­щие деформации сварной конструкции будут развиваться в за­висимости от последовательности выполнения стыковых и угло­вых швов, причем стыковые швы, помимо укорочения контурных размеров, будут влиять также на образование поперечного из­гиба сварной конструкции.

Таким образом при симметричном расположении сварных швов относительно - центральных осей конструкции общие дефор­мации теоретически должны представлять только укорочение контурных размеров конструкции. Явление поперечного изгиба в такой сварной конструкции теоретически должно было бы от­сутствовать, так как сумма моментов активных осевых внутрен­них усилий равна нулю. Однако ввиду практической невозможно­сти одновременного выполнения всех сварных швов, образование поперечного изгиба в сварной конструкции с симметричным рас­положением швов обусловлено технологической последователь­ностью выполнения сварных швов.

В преобладающем большинстве практических случаев свар­ная конструкция составляется из элементов разного сечения, и расположение этих элементов по отношению друг к другу быва­ет различным. Поэтому расположение сварных швов и попереч­ное их сечение также будут различными. В результате центр тяжести активных зон параллельных швов будет смещен на

величину уо относительно центра тяжесїй соответствующего сечения сварной конструкции, т. е. равнодействующая активных внутренних усилий параллельных швов будет смещена относи­тельно центра тяжести сечения .конструкции на величину уо. В этом случае для определения изгибающего момента и проги­ба от продольной усадки параллельных швов удобнее пользо­ваться опрещелением эквивалентного момента от начального уси­лия Р0.

Кроме того, на образование прогиба. влияет поперечная усад­ка 'сварных швов, параллельных двум другим. координатным осям сварной конструкции. Влияние поперечной усадки может быть учтено на основании поперечного укорочения и угловой деформации этих швов.

Следует отметить, что величина поперечной усадки швов сварной конструкции в значительной степени зависит от условий закрепления. Поэтому теоретическая разработка расчетных приемов по определению величины деформаций, порождаемых поперечной усадкой швов, требует накопления опытных данных.

Общие деформации в сложных сварных конструкциях можно установить по методу расчета общих сварочных деформаций, разработанному Н. О. Окербломом [9], [16] и состоящему в опре­делении кривиз-ны конструкции путем расчета величины остаточ­ного объема продольных и поперечных укорочений сварных швов. На основании этого метода С. А. 'Кузьминовым разрабо­тана инструкция по расчету общих сварочных деформаций в су­довых корпусных (конструкциях.