Сварные конструкции. Расчет и проектирование

МЕТОДЫ УМЕНЬШЕНИЯ СВАРОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ, ДЕФОРМАЦИЙ И ПЕРЕМЕЩЕНИЙ В КОНСТРУКЦИЯХ

В основе известных методов уменьшения сварочных напряжений и искажений форм сварных конструкций лежат три основных способа нх регулирования.

1. Уменьшение объема металла, вовлекаемого в пла­стическую деформацию на стадии его нагрева, и умень­шение самой пластической деформации.

2. - Создание в зонах пластических деформаций, воз­никших от нагрева, дополнительных деформаций проти­воположного знака. Это может быть выполнено как при остывании, так и после полного охлаждения.

3. Компенсация возникающих деформаций и переме­щений путем симметричного расположения швов, создания дополнительных зон пластических деформаций, предва­рительного перемещения, обеспечения свободной усадки и др.

Рассмотрим некоторые методы, используемые в произ­водстве.

Подогрев при сварке изменяет поля температуры и сварочных деформаций, а также в ряде случаев и свойства металла, воздействуя на термический цикл. При этом изменяются напряжения, создаваемые структурными пре­вращениями. В отношении пластических деформаций по­догрев, с одной стороны, уменьшает предел текучести, модуль упругости и перепад температур. Эго способствует уменьшению максимальных остаточных напряжений. С дру­гой стороны, он расширяет зону пластических деформаций, если тепловложенне при сварке остается прежним. При подогреве до очень высоких температур, при которых а7 мало, остаточные напряжения также весьма малы.

Проковка применяется как в процессе сварки по осты­вающему металлу, так и после полного остывания. Про­ковкой осаживают металл по толщине, создавая пласти­ческие деформации удлинения в плоскости, перпендику­лярной направлению удара. Этим достигают уменьшения растягивающих или даже появления сжимающих оста­точных напряжений. Эффект от проковки зависит от тем­пературы, количества теплоты, которое выделяется при проковке, и значения пластической деформации. Если температура в зоне проковки выше, чем в остальном (не - прокованном) металле, то в процессе последующего ос­тывания и температурного сокращения металла сжимаю­щие напряжения будут уменьшаться и могут перейти даже і* растягивающие. Г)ри холодной проковке нагрев обычно невелик и можно создать высокие сжимающие напряжения. Проковка ведется механизированным ин­струментом с малыми (6. . .7 м/с), средними (до 100 м/с) н высокими (более 100 м/с) скоростями движения бойка. Проковка маневренна, в этом ее преимущество перед другими методами. Следует опасаться снижения пластич­ности металла при проковке.

При импульсной обработке взрывом используют за­ряды ленточного типа, которые укладывают на обрабаты­ваемые поверхности. Взрыв, который проводят в специ­альной камере, создает напряжения в поверхностном слое. Применяется этот метод как средство повышения выносливости сварных соединений при переменных на­грузках. При такой обработке происходит перераспределе­ние остаточных напряжений.

Прокатка зоны сварного соединения используется глав­ным образом для уменьшения остаточных перемещений или для заглаживания швов. В местах прокатки растя­гивающие напряжения уменьшаются и могут стать сжи­мающими.

Приложение нагрузок. Во время сварки нагрузки прикладывают так, чтобы в зоне сварки создать растягивающие напряжения. Это уменьшает остаточные напряжения растяжения и усадочную силу Яус. Если на­гружение производится после сварки, необходимо, чтобы напряжения от нагрузки складывались с остаточными растягивающими напряжениями и вызывали пластические деформации. После снятия нагрузки напряжения снижа­ются. Для полного снятия собственных напряжений на­пряжения от нагрузки должны быть близки к пределу текучести металла, что обычно трудно достижимо.

Применяют как статическое, так и вибрационное на­гружение. В последнем случае напряжения снижаются незначительно, но этого бывает достаточно, чтобы в даль­нейшем сумма рабочих и остаточных напряжений не ис­кажала размеров конструкций при эксплуатации.

Создание неравномерных нагревов и охлаждений. Если создать с двух сторон сварного соединения нагретые зоны, то металл, расширяясь, вызовет растяжение вдоль шва и сжатие поперек шва. Такая схема напряжении благоприятна для протекания пластических деформаций в направлении вдать шва, что как раз необ­ходимо для снятия остаточных растягивающих напряже­ний. Перемещая зоны нагрева вдать шва, охлаждая металл позади источника теплоты, процесс можно сделать непре­рывным.

Если создавать концентрированное охлаждение участка с растягивающими напряжениями, то он будет сокращаться и вызывать суммирование остаточных напряжений с рас­тягивающими напряжениями от охлаждения. Это вызовет пластическую деформацию и последующее снижение ос­таточных напряжений после выравнивания темпера­тур.

Местный концентрированный нагрев отдельных зон применяют, чтобы вызвать усадку металла в месте нагрева и создать напряжения сжатия в соседних зонах. Как средство регулирования напряжений он находит ограни­ченное применение, ко для правки конструкций такой прием используют широко.

Отпуск сварных конструкций применяют для изме­нения структуры н свойств металла, а также для снижения остаточных напряжений. Применение отпуска для сниже­ния остаточных напряжений целесообразно, если предъ­являются повышенные требования к прочности сварной конструкции и точности ее размеров при последующей эксплуатации. Кроме того, иногда целесообразно восста­новить пластические свойства в зонах, где концентриро­вались пластические деформации при сварке, и повысить сопротивляемость хрупким разрушениям. В остальных случаях применение отпуска не рекомендуется нз-за по­вышения стоимости производства конструкций

Различают: общий отпуск, когда равномерно нагревают изделие целиком; местный — нагревают лишь часть кон­струкции в зоне сварного соединения; поэтапный — источ­ник нагрева движется вдоль конструкции, например трубы или оболочки, и последовательно нагревает ее участки; поэлементный — термической обработке подвергают узлы сварной конструкции, а затем сваривают их между собой. Основное достоинство отпуска как метода снижения ос­таточных напряжений в том, что он не вызывает пластиче­ских деформаций, которые бы уменьшали пластичность металла.

Операция отпуска состоит из четырех стадий: на: рева, выравнивания температур, выдержки и остывания. В ос­новном напряжения снимаются на стадии нагрева (рис. 6.45). Степень снижения напряжений зависит в основном от достигнутой температуры и мало зависит от скорости нагрева. В процессе выдержки происходит дополнительно некоторое снижение напряжений а,, которое происходит в соответствии с формулой

°у = <%(1 + ///,У (6.56)

где о0д — напряжение в начале выдержки, т. е. в конце стадии нагрева; t—время выдержки, мин; (0=Ю мин — постоянная величина; р — коэффициент, зависящий от

марки стали и температуры, изменяется в пределах —0,08. . .—0,16.

Длительная выдержка как средство снижения напря­жений не рекомендуется. Более эффективно несколько повысить температуру отпуска. Нужно назначать такую температуру отпуска для снижения напряжений, чтобы исключить возможность охрупчивания стали.

Как указывалось выше, при сварке и термической обработке массивных деталей в глубине металла возни­кают объемные напряжения. Их уменьшение происходит в значительной мере из-за пластических деформаций и релаксации напряжений в приповерхностных слоях, а не в глубине металла. Ползучесть металла на поверхности вызывает перераспределение напряжений, и происходит их снижение во всем объеме тела. Следует, однако, иметь в виду, что максимальные напряжения в областях с объ­емным напряженным состоянием все же в 2. . .2,5 раза выше (см. рис. 6.45), чем при одноосной или двухосной схеме напряжений. Увеличение продолжительности вы­держки в этих случаях не дает положительного эффекта, так как замедление релаксации напряжений на поверх­ности является причиной такого же замедленного снижения напряжений в глубине. Температуры отпуска (°С), обес­печивающие снижение остаточных напряжений до уровня (0,1. . .0,2)<гт, для различных металлов находятся в сле­дующих пределах:

Магниевые сплавы............................................ 250...300

Ллюмкниевыс сплавы......................................... 250...300

Титановые сплавы............................................... 550...000

Конструкционные стали........................................ 580.. .680

Аустеннтные стали.............................................. 850... 1050

Ниобиевые сплавы.................................................. 1100... 1200

Меры по уменьшению деформаций и перемещений от сварки предусматриваются на всех этапах проектиро­вания и изготовления большинства сварных конструкций.

На стадии разработки проекта нужно принимать такие конструктивные решения, которые бы позволили тех­нологу избежать значительных искажении сварной кон­струкции и организовать при необходимости правку.

1. Назначают минимальные объемы наплавляемого ме­талла; сечения угловых швов следует принимать по рас­чету на прочность или в соответствии с рекомендациями о минимальных катетах швов. Площадь поперечного се­чения и погонная энергия при однопроходной сварке, усадочная сила и поперечная усадка обратно пропорцио­нальны квадрату катета шва k*.

2. Используют способы сварки с минимальным тепло- вложением, например контактной вместо дуговой, много­проходной вместо однопроходной. При назначении вида сварки следует иметь в виду допустимые скорости охлаж­дения металла и не превышать их.

3. Балочные конструкции проектируют с таким попе­речным сечением и расположением швов, чтобы моменты, создаваемые усадочными силами, были уравновешены, а углы излома ф от поперечных швов взаимно компенси­ровали прогибы. Это обеспечивает минимальный изгиб балок.

4. Счедует стремиться к таким последовательностям сборочно-сварочных операций, при которых моменты инер­ции и площади поперечных сечений во время выполнения тех или иных швов были по возможности максимальными. Например, последовательное наращивание элементов в сложных конструкциях дает большие искажения размеров, чем сборка всей конструкции на прихватках, а затем сварка.

5. В некоторых ату чаях целесообразно обеспечить свободное сокращение элементов от усадки, чтобы не вы­звать искажений конструкции в целом. Например, нахле­сточное, еще не сваренное соединенно позволяет смещаться листам, не передавая остальной части конструкции усадку. Стыковое соединение листов выполняется до прикрепления их к другим частям конструкции, обеспечивая возмож­ность беспрепятственной поперечной усадки швов.

6. В конструкциях с тонкостенными элементами швы располагают либо на жестких элементах, либо вблизи них.

7. Во всех атучаях, когда есть опасение, что возникнут нежелательные искажения размеров и формы конструкции, проектирование ведут так, чтобы обеспечить возможность последующей правки.

При разработке технологии и осуществлении сварки используют следующие мероприятия:

1. Применяют рациональную последовательность сбо­рочно-сварочных операций, которая либо предусмотрена проектом конструкции, либо выбрана технологом в пре­делах имеющихся у него возможностей. Например, кон­струкцию расчленяют на отдельные узлы, которые могут быть по отдельности легко выправлены, а затем сварены между собой с минимальными отклонениями. Определенной последовательностью наращивания элементов атож ной ба­лочной конструкции также можно уменьшить искажения. Сборку целесообразно вести от наиболее жесткого эле­мента.

2. Назначают экономичные способы и режимы сварки с минимальным тепловложеннем и таким характером иска­жений, который безвреден для качества конструкции. На­пример, еати недопустим излом длинной трубы в зоне кольцевого шва, то применяют многопроходную сварку Регулированием скорости охлаждения и химического со­става металла шва изменяют характер структурных пре­вращений н усадочную силу.

3. Применяют соответствующую оснастку и приспо­собления для сборки и закрепления свариваемых элемен­тов. Они особенно эффективны для ликвидации временных перемещений, которые значительны по размеру, но не сопровождаются большими усадочными силами, напри­мер, прижатие тонких листов при сварке стыковых сое­динений, закрепление ребер и диафрагм при выполнении угловых швов, удержание листа в плоскости при кон­тактной точечной сварке и шовной сварке, фиксация эле­ментов рамы при сварке ее в углах и пересечениях.

4. Назначают размеры заготовок с учетом последующе.! усадки, например, выставление переменного по длине зазора при электрошлаковой сварке (рис. 6.46, а); ком­пенсация угла при сварке стыковых соединений (рнс 6.46, 61 создание предварительной кривизны балки (рис. 6.46, в) путем выкраивания стенки с кривизной, натяжение Л

(рис. 6.46, г) или термическое удлинение Ат стенки дву­тавра (рис. 6.46, д), чтобы она при последующей усадке не потеряла устойчивости.

5. Предварительной пластической деформацией заго­товок перед сваркой создают перемещения, противопо­ложные ожидаемым при сварке. Например, изгибают полки, чтобы уменьшить грнбовндность от укладки про­дольных швов в балке, раскатывают края обечаек перед сваркой кольцевых швов, изгибают в штампах края от­верстий в оболочках, чтобы компенсировать последующее перемещение соединения к оси оболочки.

6. Искусственным охлаждением, к которому относятся подача воды при контактной сварке; обдув газоводяной смесью при некоторых способах сварки; использование охлаждаемых подкладок и накладок в зажимных приспо­соблениях, уменьшают зону пластических деформаций.

7. Создают в зоне сварки с помощью приспособлений или специальных установок напряжения растяжения (обыч­но путем изгиба, реже растяжением), чтобы уменьшить усадочную силу. Такой прием используют при сварке балок.

8. Создают непосредственно после сварки пластические деформации удлинения проковкой металла специальным инструментом или сварочным электродом при точечной контактной сварке.

Для правки конструкции после сварки используют различные механические и термические способы.

Механические способы основаны на создании пласти­ческих деформаций удлинения с целью компенсации пла­стических деформаций укорочения, вызванных сваркой, и включают гибку, растяжение, проковку, статическое осаживание металла по толщине под прессом для его уд­линения в плоскости, вибрацию, прокатку. При этом не стремятся к тому, чтобы обеспечить равномерное умень­шение пластических деформаций и остаточных напряжений в зоне сварного соединения. Необходимо, чтобы усадочная сила стала близкой к нулю.

Рассмотрим подробно, как происходит устранение де­формаций в тонколистовых сварных конструкциях про­каткой зоны сварного соединения цилиндрическими ро­ликами. Прокатка создает пластическую деформацию ме­талла по толщине и приводит в основном к удлинению металла в продольном и частично в поперечном направ­лениях. В подавляющем большинстве случаев остаточные пластические деформации, вызванные сваркой, сосредото­чены только в шве и зоне термического влияния т. е. на участке сравнительно небольшой ширины 2Ь„. В остальных частях сварной конструкции деформации упругие. Чтобы устранить деформации во всем изделии, достаточно со­здать при прокатке пластические деформации, равные по значению, но противоположные по знаку сварочным только в пределах зоны 2Ь„

Прокатка производится стальными роликами шириной

5. . .15 мм. Поскольку удлинение металла в поперечном направлении невелико, устраняются деформации, вызван­ные продольной усадкой.

На рнс. 6.47, а показана эпюра распределения напря­жений ах в непрокатанном шве; на рис. 6.47, б. . .г — эпю­ры ох после прокатки в разных режимах. Растягивающие напряжения могут понизиться, оказаться близкими к нулю или даже перейти в сжимающие. Остаточное напря­жение о„0и в прокатанной зоне зависит от многих фак­торов. Связь между напряжениями в металле и парамет­рами режима прокатки узкими роликами выражается следующей формулой:

РИМ 6,7сЬот (Пцпи —Т,)8 ('Зща — 1.5<Упн - f 0.5О|) /С г у.

И 10 ~ £<0.7or-f0.3oHi,) •

где Р — усилие на ролики; d —диаметр роликов; Ь — ширина рабочего пояска роликов; s — толщина металла в зоне прокатки; <гт — предел текучести металла в зоне прокатки; Е — модуль упругости; онач — начальные ос­таточные напряжения в металле перед прокаткой.

При известных параметрах режима прокатки и ацач по формуле (6.57) можно определить остаточное напряже­ние после прокатки. Формула справедлива, если оН0„> >—0,7<гт.

Экспериментально и расчетным путем показано, что для каждого металла при заданных размерах роликов и

толщине металла в зоне прокатки существует определен­ное усилие на ролики Р0, при котором остаточные напря­жения, равные до прокатки примерно пределу текучести, снижаются после прокатки до нуля. Утонение металла при этом составляет около 0,5. . .1%. На основании фор­мулы (6.57), если ана,«ат, a oKOU=0, для определения Р„ получена формула

Pa — bV 10,1 dsaJ/B. (6.53)

Вычисленное по формуле (6.58) усилие на ролики Ра должно уточняться при правке конкретного изделия.

Вели ширина зоны пластических деформаций, вызван­ных сваркой, велика, а ролик узкий, то зону термиче­ского влияния необходимо прокатывать последовательно (рис. 6.47, д) с порядком положения роликов 1. . .5. В слу­чае невозможности прокатать всю зону пластических деформаций 2Ьа (рнс. 6.47, е) необходимо создать перекат в зоне, доступной для прокатки (положение роликов 1 и 2), назначая Р>Р0 так, чтобы собственные напряжения были уравновешены в пределах узкой зоны и не пере­давали сжимающие усилия на остальную часть конст­рукции. Нели в шве нежелательно снижать пластические свойства металла при прокатке (рнс. 6.47, яе), то прока­тывают при повышенных усилиях только зону термиче­ского влияния, добиваясь устранения деформаций за счет напряжений сжатия в зоне термического влияния. Для нахлесточных соединений суммарная толщина SpaC4 при использовании формул (6.57) и (6.58) равна 2s. Прокатка может применяться и для устранения деформаций от то­чечных сварных соединений.

Если прокатка не дает достаточного исправления, то ее можно повторить. Повторная прокатка по одному и тому же месту при неизменном усилии вызывает затухаю­щую пластическую деформацию, составляющую не более 10. . .15% от деформации предыдущего пропуска. Для получения большей пластической деформации при повтор­ных прокатках следует повысить усилие. Механическая правка прокаткой требует высокого качества сборки перед сваркой и определенной очередности сборки, сварки и правки. Если сварка одного из швов не ухудшает качества сборки второго, то исправление может выполняться после сварки обоих швов.

Устранение деформаций прокаткой осуществляется на элементах толщиной до 8. . ,12 мм, но возможно и на бблмних толщинах. Для получения равномерной пла­стической деформации металла по толщине s отношение d/s не следует принимать менее 15. . .20. Прокатка может применяться на изделиях из сталей, титановых и алюми­ниевых сплавов. Не рекомендуется применять прокатку для конструкций из малопластичных материалов. При наличии коррозионной среды требуется проверка влияния прокатки на коррозионную стойкость сварных соединений.

Термические способы также основаны на создании пластических деформаций необходимого знака. При мест­ных нагревах (так называемая термическая правка) со­здают пластические деформации укорочения. Эго означает, что нагрев, как правило, должен проводиться вне зон пла­стических деформаций, возникших при сварке. Например, в изогнутых балках нагревают более длинную сторону (рис. 6.48,о) и вызывают обычную у. адку металла, как при сварке. Усадочная сила после местного нагрева вы­прямляет балку. В листах, потерявших устойчивость от

напряжений сжатия (рис. 6.48, б), создают нагревы и усадку в зонах сжатия. Сокращение листа в результате термической правки и последующего остывания обеспе­чивает его выпрямление. Углеродистые стали обычно нагревают газовым пламенем до 600. . .800 °С. Нагрев ведут пятнами или полосами. Необходимо стремиться к кратковременному и концентрированному нагреву, чтобы соседние зоны оставались ненагретымн и сопротивлялись расширению нагретого металла, вызывая в нем усадку.

О результатах правки можно судить лишь после пол­ного остывания конструкции. Листовые элементы иногда после нагрева осаживают молотками на плоскость. Так как нагретый металл имеет низкий предел текучести, то он легко осаживается и в нем при этом возникают пла­стические деформации укорочения.

Успех правки зависит от квалификации и опыта прав­щика, так как технологу трудно регламентировать и конт­ролировать все параметры правки. Благодаря простоте, универсальности и маневренности термическая правка нашла широкое применение в производстве.

Термическая правка путем общего нагрева детали при отпуске без использования приспособлений невозможна, так как напряжения снижаются как в зонах растяжения, так и в зонах сжатия. Равновесие сил почти не нарушается, а следовательно, перемещения сохраняются. Если с помо­щью жесткого приспособления детали придать нужную форму, а загем поместить ее вместе с приспособлением в печь, то будет происходить релаксация напряжений до низкого уровня. При освобождении детали из приспособ­ления после отпуска она не деформируется и сохраняет ту форму, которую ей придали. К этому, довольно дорогому способу правки прибегаю! в тех случаях, когда другими методами не удается добиться необходимого эффекта