ВНУТРЕННИЕ УСИЛИЯ И ДЕФОРМАЦИИ ПРИ СВАРКЕ

Правка сварных конструкций

Для устранения деформаций после 'сварки - применяется хо­лодная и горячая правка сварных конструкций.

Холодная правка основана на растяжении укороченных уча­стков и мест сварной конструкции до проектных размеров - и форм. Укороченными участками и местами в сварных конст­рукциях являются активные зоны сварных швов, в которых после сварки напряжения растяжения достигают предела текучести.. При холодной правке сварных конструкций неизбежно происхо­дит пластическое удлинение активных зон сварных швов. По­следнее вызывает наклеп металла этих зон, повышение остаточ­ной напряженности сварных конструкций, а в некоторых слу­чаях приводит к появлению в сварных швах трещин и разрывов. Ввиду этого холодная правка сварной конструкции иногда мо­жет отрицательно влиять на ее работоспособность.

Остаточные напряжения при холодной правке могут быть снижены только в том случае, если вся сварная конструкция подвергалась растяжению до напряжений, равных пределу те­кучести. Однако в этом случае увеличивается наклеп металла активных зон сварных швов и появляется вероятность образова­ния в швах трещин и разрывов.

Кроме того, холодная правка является весьма трудоемким технологическим процессом. В большинстве случаев для холод­ной правки нужны мощные прессы и громоздкие силовые устрой­ства и приспособления. Поэтому холодная правка сварных кон­струкций не находит широкого применения на практике.

Горячая правка сварных конструкций осуществляется элек­трическим или газопламенным нагревом и находит более широкое применение на практике.

Сущность горячей праївки состоит в укорочении местным нагревом участков и областей, длина. которых превышает длину активных зон соответствующих шівов сварной конст­рукции.

В нагреваемых местах сварных конструкций при горячей правке, как и при сварке, образуются деформации пластического сжатия. При остывании эти места укорачиваются и. выравни­вают деформированные места.

Горячая правка сварных конструкций, благодаря простоте технологического процесса, его экономичности, маневренности и универсальности, позволяющей править все виды остаточных деформаций, имеет ряд технико-экономических преимуществ по сравнению с холодной правкой.

В настоящее время выполнение горячей правки сварных кон­струкций основано главным образом на опытных данных и эк­спериментальных исследованиях, что требует во многих случаях дополнительных затрат средств и времени по изготовлению опытных узлов и конструкций. Нерациональный выбор областей местного нагрева и параметров режимов нагрева может вместо уменьшения сварочных деформаций привести даже к их увели­чению.

Теоретическая разработка вопросов горячей правки сварных конструкций находится еще пока в начальной стадии. Между тем разработка их дала бы возможность значительно повысить эффективность и экономичность горячей правки.

Основными теоретическими вопросами горячей правки, кото­рые в первую очередь должны быть исследованы и разработаны, являются:

1) определение в сварной конструкции плоскости изгиба, в которой действует результирующий изгибающий момент от внутренних усилий сварных швов;

2) определение поперечного сечения, объема и рациональной формы активной зоны местного нагрева, обеспечивающих обра­зование внутренних усилий, деформирующих конструкцию в про­тивоположном направлении;

3) установление экономичного способа и разработка эффек­тивного режима местного нагрева.

Горячую правку весьма эффективно можно применять для устранения остаточного прогиба и выравнивания центральных осей сварной конструкции и ее узлов, а также для устранения 236 выпучивания, волнистости и хлопунов в сжатых областях листо­вых элементов сварной конструкции.

Для устранения остаточного прогиба сварной конструкции необходимый изгибающий момент противоположного направле­ния можно вызвать либо нагревом полосы вдоль линии mm, либо нагревом клиньев (секторов), как показано на фиг. 111. В пер­вом случае для правки будет использована продольная усадка,

а во втором — поперечная усадка местного нагрева. Центр тя­жести поперечного сечения активной зоны продольного нагрева, должен находиться в плоскости изгиба, т. е. в плоскости дейст­вия результирующего изгибающего момента от внутренних уси­лий сварных швов. В сварном тавре (фиг. 111) плоскость изгиба

совпадает >со серединной плоскостью его стенки. В сварных кон­струкциях с несимметричным поперечным сечением плоскость изгиба проходит через центр тяжести активных зон сварных швов Оа и центр тяжести поперечного сечения сварной конструк­ции (фиг. '112, а, б). Соединив точку О с точкой Оа, получим линию ООа, через которую проходит плоскость изгиба (фиг. 112, а, б).

При горячей правке наиболее целесообразно, как показано на фиг. 111 и 112, напревать 'полосу вдоль линии mm, - расположен­ную на периферии сварной 'конструкции. Это обеспечивает про­тивоположное действие в плоскости изгиба (с’оздав/аемого прав­кой) момента и возможно большее его плечо.

Необходимое сечение активной зоны местного. нагрева тіри правке (можно найти, исходя из величины результирующего изги­бающего момента М, вызвавшего остаточный прогиб в сварной конструкции и определяемого по формуле (224) или по замерен­ному остаточному прогибу из формулы (225). Условное началь­ное усилие Ропу которое обеспечивает активная зона местного нагрева при цраеке (фиг. М'2, а, б) определяется из выражения

Роп = (259)

Уп

где уп — расстояние от центра сечения активной зоны натрева при правке От до центра тяжести 'поперечного сечения конструк­ции О.

Сечение активной зоны Fn при горячей правке определяется по формуле

Fn = ps, (260)

ОП

где о0п — начальное напряжение активной зоны наїгрева при горячей правке, приближенное значение которого при­нимаем равным пределу текучести от* Тогда сечение активной зоны Fn ic незначительным отклонением в сто­рону увеличения можно определить по формуле

Роп м

л. <26|>

Ширина активной зоны Ьоп будет равна

Ьоп = ъ> (262)

где б — толщина нагреваемого при правке листа.

Эффективная мощность q источника нагрева при горячей правке определяется из приближенной формулы (103)

Ь„идпатк

ч = т{н-ьпУ (263>

где Ьп — ширина активной зоны в одну сторону от оси нагреіва, равная 0,5 Ьоп v — скорость движения источника нагрева в см/сек; бо — суммарная толщина листов, воспринимающих тепло от источника нагрева; h —расчетная ширина нагреваемого листа.

Если плоскость изгиба не пересекает тела сварной конструк­ции на стороне, лежащей против сварных швов (фиг. ИЗ), то для создания в плоскости изгиба противодействующего момента необходимо напревать діве 'полосы в более удаленных от центра тяжести конструкции точках т и т2 [4]. Для определения актив­ной зоны каждой полосы соединим их с центрам тяжести попе­речного сечения конструкции О и разложим результирующий изгибающий момент на составляющие М и М2 по направлению линии Оті и От2. Зная величину моїментов Мх и М2, можем определить активную зону каждой нагревае­мой полосы по формулам (261) и (262), а так­же мощность источника нагрева для правки по формуле (263).

Однако выпрямление остаточного прогиба действием /продольной усадки нагретой полосы в некоторых случаях сопровождается пласти­ческим удлинением активных зон сварных швов и увеличением остаточных напряжений.

Действию продольной усадки нагретых полос при горячей правке противодействуют сжатые околошовные области сварных конструкций, что снижает эффективность правки нагревом продольных полос. Кроме того, продольная усадка 1 пог. м сварного шва составляет в среднем 0,2—0,5 мм, поэтому деформирую­щая активность при нагреве одной продольной полосы сама по себе сравнительно небольшая.

’С увеличением же числа нагреваемых продоль­ных полос или ширины их увеличивается трудоемкость и пони­жается эффективность горячей правки, а остаточная напряжен­ность конструкции повышается. Эффективность горячей правки нагревом продольной полосы повышается только с увеличением геометрического параметра уп, т. е. расстояние от центра тя­жести конструкции до этой полосы. Указанные обстоятельства ограничивают широкое использование продольной усадки сва - ^розного. нагрева для правки конструкций.

Весьма эффективное действие при горячей правке сварных конструкций оказывает поперечная усадка от местного нагрева поперечных полос или клиньев (секторов). Последние располо­жены на сжатых и только частично на растянутых областях сварных конструкций, поэтому их поперечная усадка одновре­менно с укорочением нагреваемых областей приводит также к снижению остаточных напряжений в сварных конструкциях.

Поперечная усадка одного сварного шва, цримерно в 3— 5 раз больше, чем продольная усадка, отнесенная к длине 1 пог м. шва [4]. Сравнительно большая величина поперечной усадки, короткая длина поперечных швов и возможное уменьше­ние остаточных напряжений способствуют широкому использо­
ванию на практике поперечной усадки сварочного нагрева при горячей. правке оварных. конструкций.

Использование поперечной усадки нагретых клиньев или по­лос для правки рассмотрим на сварном соединении, показанном на фиг. 114. Для устранения остаточного прогиба необходимо ■вызвать укорочение А в волокнах более широкой. пластины. Уко­рочение их должно увеличиваться по мере удаления от активной зоны сварного шва (фиг. 1.14). Наибольшее укорочение Атах наружного волокна выпуклой кромки сварного соединения равно

Лтах — Ltп, (264)

где Z, і — замеренная длина наружного волокна выпуклой кромки

Чтобы обеспечить укорочение каждого волокна А, .необходи­мо вызвать нагревом пластические изменения в них на участках соответствующей длины.

Суммарная длина U оснований по наружной кромке нагрева­емых клиньев определяется, исходя из формулы (166)

/ Ашах L ~Lm /ofiqv

п ~ аТ~ ~ ~аТ ’ (ЛЭО)

а 1 ср ср

где а—коэффициент линейного теплового расширения металла; ТСр —среднее значение температуры на нагреваемом участке в - момент перехода металла из пластического состояния - в упругое.

Награв ^клиньев, у которых общая длина оснований по наруж­ной кромке равна 1п> обеспечивает свободное укорочение воло­кон до длины линии шва Lm (фиг. 1,14), что необходимо для уст­ранения остаточного прогиба сварного соединения. Напрев,

клиньев, івершина которых лежит на граничной линии активной

зоны шва, мало влияет на уменьшение остаточных напряжений

в растянутой активной зоне, ввиду противодействия прилегаю - щих к ней сжатых участков основного металла.

Так как остаточные напряжения растяжения © активной зоне обычно равны пределу текучести, то для уменьшения іих следует вызвать нагревом укорочение всех волокон сварного соединения Аг, кроме волокон активной зоны, равное

Д2 = ет-Lm, (266)

где єт—относительное укорочение, соответствующее напряже­нию предела текучести.

Необходимая длина /т нагрева всех волокон - сварного соеди­нения, кроме волокон активной зоны, определяется исходя из той же формулы ((166)

1т=£-==ЯГ' <267>

1 ср а ср

Таким образом о'бщая длина нагрева клиновидных участков по наружной выпуклой кромке сварного соединения будет

= In Л~ 1т» (268)

В целях равномерного выпрямления 'прогиба и уменьшения

остаточных напряжений размеры клина следует брать малыми,, но количество клиньев увеличивать. Однако ввиду технологиче­ских трудностей нагрева узких клиновидных участков, а также в целях уменьшения числа операций основание клиновидного участка Ъ п устанавливают опытным путем.

Число 'нагреваемых участков определяется, исходя из общей длины нагрева по наружной кромке 10 и основания каждого уча­стка Ьп по формуле

да

п п

Таким образом форма поверхности нагреваемых участков на широкой пластине сварного соединения примет вид усеченного клина (фиг. 114).

Бели поперечная усадка нагретых участков не может свобод­но осуществляться, то в зависимости от условий, число нагрева­емых участков должно быть увеличено.

Волокна сварного соединения со стороны вогнутой кромки находятся в сжатом состоянии и подвергать их местному нагре­ву не следует, так как это будет увеличивать остаточный прогиб. Местный нагрев кромки может быть 'произведен ли)бо в целях уменьшения остаточных напряжений, либо при необходимости обратного выгиба в случае перегиба сварного соединения при правке. Форма поверхности местного нагрева сжатых областей со стороны вогнутой кромки должна быть. прямоугольной (фиг. 114).

Нагрев при горячей правке рекомендуется 'производить за короткое время. Температура нагрева примерно 800—850° С.

Местный нагрев п/роизводнтся либо рассредоточенной дугой - с не - плавящимся электродом, либо газопламенной горелкой или пис­толетом с неплавящимися электродами. Нагрев следует начинать с той области, где металл находится в сжатом состоянии, т. е. с вершины - клина.

Вместо измерения длины наружных волокон сварного соеди­нения и лини^ шва при разработке процесса горячей правіки можно воспользоваться значением замеренного остаточного про­гиба. Зная прогиб, можем определить по формуле (225) изги­бающий момент

М = (270)

Затем определяется угол поворота сечений при изгибе ф по формуле

* = <271>

Укорочение наружного волокна выпуклой кромки сварного ^соединения, необходимое для устранения остаточного прогиба, можно приближенно установить, исходя из формулы (167)

Ділах = 2ср/г, (272)

где h — ширина нагреваемой пластины от активной зоны свар­ного шва до наружной выпуклой. кромки.

По формуле (265) определяется суммарная длина 1п основа­ний клиньев по наружной выпуклой кромке сварного соединения и рассчитываются остальные параметры местного нагрева кли­новидных участков, как описано выше.

Горячая правка нагревом точек преимущественно применя­ется для устранения выпучин, хлопу нов и волнистости в сжатых

листовых элементах сварных конструкций. Сущность правки

нагревом точек состоит в там, что нагреваемая до пластического состояния точка, расширяясь, встречает противодействие со сто­роны окружающих ее менее нагретых и холодных участков ме­талла. В металле точек происходят деформации пластического сжатия, т. е. подсадка металла. При остывании нагретый металл сокращается. Этому сокращению противодействуют окружаю­щие точку мало нагретые и холодные участки металла. Поэтому в точке образуются напряжения растяжения, достигающие пре­дела текучести. Радиальное укорочение подвергавшегося нагре­ву металла уменьшает его поперечные размеры и взаимодейст­вует с прилегающими сжатыми участками. При этом выпуклые места листовых элементов сглаживаются. Количество металла, которое должно быть подсажено путем пластического сжатия, можно установить следующим образом. Если поверхность вы­пуклой части или хлопуна Fі, а площадь основания (проекция выпучины на плоскость листа) ^2, то площадь AF, которая при 242 местном нагреве должна быть подсажена пластическим сжати­ем, будет

A F = F1 — F2. (273)

Учитывая препятствия свободному укорочению нагретого ме­талла при остывании, площадь AF должна быть соответственно увеличена.

При правке выпучин, напоминающих шаровую поверхность, нагреваемые точки. размещают по 'концентрическим кольцам, как показано на фиг. 115.

Диаметр точки зависит от характеристики источника нагре­ва и толщины деформированного листа. Расстояние между точ­ками зависит от их диаметра. Количество колец и расстояние

между ними устанавливается в зависимости от размеров поверх­ности выпучины и ее стрелки прогиба.

Методы определения диаметра точки, а также расстояния между точками и кольцами, требуют теоретических исследова­ний и опытных проверок. В настоящее время эти ‘величины уста - наївливаются опытным путем. Нагрев точек должен носить резко выраженный локальный характер. Температура нагрева точки не должна превышать 800—850° С. Правку тонколистовых конст­рукций более эффективно можно - выполнять пистолетом с гра­фитовым электродом [43].

[1] °о-Р2> от - F±; 2) а0 • F2 = ат * Fi, 3) а0 • F 2 < ст • Fv