ВНУТРЕННИЕ УСИЛИЯ И ДЕФОРМАЦИИ ПРИ СВАРКЕ

Основные виды деформаций в сварных конструкциях от продольной усадки при сварке

Продольная усадка есть укорочение шва под действием 'остаточного активного внутреннего осевого усилия. Характер общей деформации в сварных конструкциях от продольной усад­ки зависит от сечения и расположения сварных швов относитель­
но центральной оси конструкции, от режима сварочного нагрева, от последовательности выполнения сварных швов и от размеров и формы конструкции и ее элементов.

Вид общей остаточной деформации сварной конструкции от продольной усадки зависит главным образом от величины равно­действующей активных внутренних усилий всех швов и располо­жения ее относительно центральной оси конструкции, а также от последовательности технологических операций при сборке я. сварке конструкций.

Если все швы параллельны центральной оси конструкции, симметрично расположены относительно ее и имеют одинаковое сечение, то равнодействующая активных внутренних усилий сов­ладает с центральной осью сварной конструкции. В этом случае при правильной последовательности технологических операций 'остаточная общая деформация от продольной усадки проявится только в укорочении длины или высоты конструкции.

При несимметричном расположении параллельных швов или при выполнении их на разных режимах сварки, равнодейству­ющая активных внутренних усилий всех параллельных швов сме­щена относительно центральной оси конструкции. Изгибающий момент от активных внутренних усилий относительно центральной оси обычно будет неуравновешенным, и общая деформация свар­ной конструкции от продольной усадки швов, помимо укорочения, проявится в виде остаточного прогиба от поперечного изгиба (саблевидность).

Если в листовых элементах сварной конструкции реактивные напряжения сжатия, порождаемые продольной усадкой парал­лельных швов, достигают высоких значений, то возможно появ­ление потери устойчивости в этих листовых элементах и искрив­ление всей конструкции.

Остаточные общие деформации, вызываемые продольной усадкой швов в сварных конструкциях, можно разделить на три основных вида, а именно:

1) укорочение длины, ширины и высоты сварной конструкции;

2) поперечный изгиб (прогиб) сварной конструкции;

3) искривление конструкции от потери устойчивости сжатыми элементами.

В соответствии с тремя основными видами остаточных общих деформаций в сварных конструкциях от продольной усадки раз­делим их условно на три группы и рассмотрим особенности рас­чета общих деформаций в каждой группе.

Первую группу составляют сварные конструкции, у которых швы параллельны центральной оси конструкции и расположены симметрично относительно этой оси. Простейшим представите­лем этой группы будет сварное стыковое соединение одинаковых пластин узкой и средней ширины (см. фиг. 49). Типичные пред­ставители этой группы: 1) сварная двутавровая балка

(фиг. 98, а); 2) сварная балка коробчатого сечения (фиг. 98, б); 3) свар'.ной цилиндр с двумя продольными противо­положено расположенными швами и четырьмя ребрами: (фиг. 98, в); 4) сварной цилиндр из двух одинаковых обечаек,, сваренных кольцевым швом (фиг. 98, г) и др.

Активные зоны сйварных швов расположены симметрично от­носительно центра тяжести поперечных сечений этих конструк­ций. Равнодействующая активных внутренних усилий всех па­раллельных швов, равная их алгебраической сумме, совпадает с центральной осью сварной конструкции. Сумма изгибающих моментов от активных внутренних усилий параллельных швов, относительной центральной оси конструкции должна равняться

нулю, и остаточный прогиб от продольной усадки теоретически должен отсутствовать. Однако остаточный прогиб в этих свар­ных конструкциях. может образоваться при неправильной после­довательности наложения швов, т. е. прогиб может быть вызвак технологическими причинами.

Для устранения остаточного прогиба целесообразно выпол­нять противоположные швы одновременно или поочередно «на­крест», чтобы прогиб, вызванный продольной усадкой одного шва, был устранен обратным прогибом от продольной усадки последующего шва. Такой порядок наложения швов в достаточ­ной степени обеспечивает постоянство момента инерции свари­ваемого. сечения, которое противодействует изгибу от продоль­ной усадки каждого из двух противоположных швов и практи­чески обеспечивает сохранение прямолинейности центральной оси конструкции.

іПри правильной последовательности наложения швов оста­точная общая деформация в этой 'Группе -сварных конструкций, как указывалось выше, будет состоять в укорочении длины или высоты конструкции. Величина остаточного укорочения ДI кон­струкции будет р-авна упругому укорочению сжатых участков, препятствующих ■свободному образованию продольной усадки, т. е. свободному укарочению активных зон сварных швов. После определения активных зон всех параллельных швов, активных внутренних усилий в этих швах и реактивного напряжения осево-

ГО сжатия 02, определяем величину остаточного укорочения кон­струкции от продольной усадки по фюірмуле (М7)

Д 1 = г%1 = ^1,

где 02 — остаточное реактивное напряжение осевого сжатия кон­струкции в кГ/см2, а Є2 — относительное упругое укоро­чение сжатых волокон;

Е — модуль упругости в кГ/см2

/ — длина или вы'сота. конструкции перед сваркой. iB сварных конструкциях. первой группы силовое ноле внут­ренних усилий, остаточных сварочных напряжений, поле свароч­ных деформаций будет однородным и распределение остаточных напряжений в каждом поперечном сечении сварной конструкции, кроме концевых участков, одинаковое.

іПо экспериментальным данным величина продольной усадки сварных конструкций этой группы в среднем составляет около 1 ьмм на 1 пог. м длины или высоты конструкции, - если попереч­ные размеры ее граней или стенок не превышают 500—600 мм, - а толщина металла не превышает,15 мм. С увеличением попереч­ных габаритных размеров продольная усадка приобретает мест­ный характер в обл'асти каждого шва. Наличие поперечных сты­ков, диафрагм или поперечных ребер жесткости тоже уменьшает длину конструкции примерно 1 мм на каждый стык или на при­варенный поперечным швом элемент.

Вторую группу составляют сварные соединения и сварные конструкции, у которых параллельные швы одинакового сечения несимметрично расположены относительно центральной оси кон­струкции, либо симметрично расположенные параллельные швы имеют различное сечение. В этих конструкциях центр тяжести поперечных сечений активных зон параллельных швоїв смещен относительно центральной оси конструкции. Ввиду внецентрен - ного расположения равнодействующей активных внутренних усилий параллельных швов, продольная усадка, помимо сжатия, вызывает явление поперечного изгиба и приводит к образованию в сварной конструкции остаточного прогиба.

Простейшим представителем этой группы сварных изделий по характеру остаточной деформации является пластина с на­плавленным на ее кромку валиком. Типичные представители сварных конструкций второй группы: сварной тавр (фиіг. 99, а),, обечайка или труба, сваренная одним продольным швом (фиг. 99, б), хребтовая балка вагонной рамы, составленная из двух 2-образных профилей (фиг. 99, в) и др.

Остаточные активные внутренние усилия, действующие по линии швов, и реактивное напряжение осевого сжатия 02 onpe-j деляются на основании допущения, что в процессе св-арки кон­струкция удерживается от поперечного изгиба условными боко­выми связями. Таким образом определение активных зон осевых активных (Внутренних усилий всех швов и реактивного напряже­ния осевого сжатия 02 «производится так, 'как указано выше для сварных конструкций первой группы.

Дальнейший расчет сварочных деформаций и напряжений в сварных конструкциях второй (группы состоит из определения изгибающего момента от действия остаточных внутренних уси­лий, остаточного прогиба конструкции и распределения оста­точных напряжений в поперечном сечении конструкции.

Результирующий изгибающий момент от действия остаточ­ных внутренних осевых усилий сварной конструкции можно най­ти двумя способами: 1) путем геометрического сложения мо­ментов от всех остаточных активных и реактивных внутренних

усилий сварных швов и 2) .путем определения эквивалентного1 момента от условного суммарного начального осевого усилия Р0 всех параллельных швов относительно центра тяжести попе­речного сечения сварной конструкции.

В плоских сварных конструкциях результирующий момент от действия остаточных внутренних усилий параллельных швов, легко определяется как алгебраическая сумма моментов от этих усилий при помощи выражений, подобных форму­ле (122).

В пространственных конструкциях (сварные тавры, трубы и др.) івместо вычисления результирующего момента путем сложе­ния моментов от остаточных внутренних усилий, в целях умень­шения вычислительных операций, удобнее воспользоваться вы­числением эквивалентного момента от условного начального' осевого усилия Ро, івзятоіго относительно центра тяжести попе-* речного сечения конструкции.

Для определения начального усилия нескольких параллель­ных шівов необходимо найти равнодействующую R активных внутренних усилий этих швов и реактивное напряжение осевого сжатия 02, вызываемое в сварной конструкции действием актив­ных внутренних усилий. Затем определим начальное усилие по выражению P0 = o0llFc= (аН-аг)^/^, где 2FC представляет сумму активных зон параллельных швов.

Определив условное начальное усилие Р0 и приложив его в центре тяжести активных зон параллельных швов, находим из -

гибающий момент от условного начального усилия по формуле (206)

М = Р0Уо-

где уо — расстояние от центра тяжести сечения активных зон, т. е. от точки приложения усилия Ро, до центра тяже­сти поперечного сечения сварной конструкции. Остаточный прогиб f сварной конструкции определим по об­щеизвестной формуле

f — ш2 ' 8EJ 9

где / — длина или высота сварной - конструкции;

J—момент инерции ее поперечного сечения.

Распределение остаточных напряжений в поперечном сечении ■конструкции найдем путем сложения напряжений от осевого к от изгибающего действия внутренних усилий.

Третью группу составляют те сварные конструкции, у кото­рых реактивные напряжения осевого сжатия 02 в тонколистовых: элементах достигают критических значений, и эти элементы те­ряют устойчивость, а в конструкции наблюдаем искривления запроектированных форм. К третьей группе относятся также конструкции первой и второй групп, у которых в тонколистовых элементах реактивные напряжения сжатия достигают высоких значений.

На фиг. 100 показаны некоторые сварные конструкции, у ко­торых часто наблюдается потеря устойчивости тонколистовых элементов.

Реактивное напряжение сжатия 02 в листе, приваренном по контуру к дверцам (фиг. 100, г), определяется как геометриче­ская сумма реактивных напряжений от действия внутренних усилий, направленных™ двум координатным осям,

°2 = V°l + °2r

где ах — реактивные напряжения сжатия по оси х;

Gy — реактивное напряжение сжатия от внутренних усилий по оси у.

Критическое напряжение сжатия окр, »при - котором сжатые пластины теряют устойчивость (фиг. 101), определяется по формуле

°кр ~ ^ 12 (1 — (j.3) /г2’

где k — коэффициент, зависящий от отношения длины пластины I 'К ее ширине h и от характера закрепления кромок. пластины; б —толщина 'пластины в см;

Е —модуль упругости;

|х=Ю,3 — коэффициент Пуассона для стали.

Значения коэффициента k для двух случаев закрепления кромок. пластин приведены ниже [30]:

для пластины, опертой четырьмя кромками (фиг. 101, а):

l/h 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,4

k 8,41 5,14 4,20 4,0 4,13 4,47 4,20 4,04 4,00 4,13

для пластины, опертой тремя кромками (фиг. 101,6):

l/h 0,5 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,5 3

k 4,40 1,44 1,14 0,95 0,84 0,75 0,70 0,61 0,56

Следует заметить, что разработка расчетов (на устойчивость как листовых элементов, так и всей сварной конструкции в на­стоящее время находится /по. ка только в начальной стадии. Ха­рактер влияния закрепления. кромок сжатых листовых элемен­тов, которые в еварных конструкциях осуществляют сварные швы, исследован мало. В некоторых случаях сугубо ориентиро­вочно подсчитывают критические напряжения для сжатых листо­вых элементов по формуле (225), пользуясь коэффициентами, рекомендуемыми для пластин с опертыми. кромками*.

Определив критическое напряжение СЖАТИЯ Окр в тонколис­товых элементах по формуле (255), сопоставляем это значение с остаточным реактивным напряжением осевого сжатия 02 от действия остаточных внутренних усилий.

Чем выше Окр, тем устойчивее данный листовой элемент или пластина. Чтобы не было. потери устойчивости, рекомендуется брать запас на устойчивость не ниже 1,7, т. е. соблюдать усло­вие

^кр 1,7о2.

В сварных конструкциях для предотвращения потери устой­чивости сжатыми листовыми элементами увеличивают их жест­кость путем увеличения толщины листов или увеличения коли­чества іребер жесткости, повышая этим значение оКр •

Эффективным технологическим. мероприятием против потери устойчивости тонколистовыми элементами при сварке является предварительное растяжение их и сварка в растянутом состоя­нии, Этим уменьшается остаточное напряжение сжатия о2 и уст­раняется потеря устойчивости.

Приведенные краткие указания по методике расчета остаточ­ных деформаций и напряжений в указанных группах сварных конструкций не исчерпывают многообразия конструктивных форм, встречающихся при изготовлении сварных конструкций. Несомненно, в сложных конструкциях возникает необходимость одновременного применения разных расчетных приемов и раз­работки новых расчетных вариантов.

Однако независимо от вида ожидаемых остаточных дефор­маций в сварных соединенных и сварных конструкциях, в первую очередь необходимо определить сечение активных зон сварных швов, величину остаточных активных внутренних усилий, дей­ствующих по линии каждого шва, и реактивное напряжение осевого сжатия 02, зная которые, можно определить деформации и остаточные напряжения в сварных конструкциях для задан­ных режимов сварки*