td21 (1) (Лекции в формате Word), страница 2

Рассмотрим вначале процесс однопроходной сварки кольцевых стыков труб. На стадии нагрева происходит расширение свариваемых кромок, в том числе в направлении вдоль шва. При этом длина и радиус окружности нагретой части трубы увеличиваются. Распределение радиальных перемещений по длине трубы имеет максимум в зоне шва (кривая 1 на рис. 44). К концу нагрева сварочные напряжения в зоне шва близки к нулю, так как при высокой температуре металл имеет низкий предел текучести. Сварка фиксирует излом продольной образующей трубы в зоне шва β, который называют угловой деформацией.

Рис. 44. Эпюры радиальных перемещений точек на оси А-А

1 - при максимальном нагреве, 2 – после полного остывания

При остывании происходят перемещения в обратном направлении, при этом угловая деформация сохраняется (кривая 2 на рис. 44). В результате после полного остывания в шве наблюдается распределение поперечных напряжений, характерное для изгиба. У внутренней поверхности трубы возникает растяжение, а у внешней – сжатие. Уровень остаточных напряжений у внутренней поверхности трубы близок к пределу текучести металла при нормальной температуре.

Такой же характер имеет распределение напряжений после укладки первого валика при многопроходной сварке (эпюра 1 на рис. 45). При укладке нескольких последующих валиков происходит прогрев всего шва до высокой температуры, при которой предел текучести металла и сварочные напряжения от укладки предыдущих валиков снижаются. В этом случае все уложенные валики остывают совместно, поэтому распределение напряжений сохраняет тот вид, который был получен после сварки первого валика.

Рис. 45. Эпюры напряжений после укладки первого, четвертого, шестого и пятнадцатого валиков шва

На рис. 45 представлены эпюры распределения напряжений после укладки различного числа валиков шва. Номер кривой соответствует номеру последнего уложенного валика. Видно, что эпюра после укладки 4 валиков шва полностью аналогична эпюре от первого валика.

При большей толщине стенки трубы последние валики не обеспечивают прогрева корня шва до той температуры, при которой предел текучести металла близок к нулю. В результате напряжения от укладки предыдущих валиков частично сохраняются и взаимодействуют с напряжениями от последующих валиков, при этом характер эпюр изменяется (кривые 6 и 15 на рис. 45). Наибольшие изменения проявляются в корне шва. Максимальный уровень напряжений. Максимум напряжений при этом перемещается в глубь сечения и снижается по отношению к пределу текучести.

У наружной стороны шва распределение напряжений изменяется слабее. Весь участок сечения шва, который последний валик прогревает до высокой температуры, имеет распределение напряжений, аналогичное распределению при однопроходной сварке.

25. Определение перемещений в сложных сварных узлах

Если свариваемые детали являются частями сложного узла и уже прикреплены к другим деталям, то для расчета перемещений необходимо решить сложную статически неопределимую задачу. Для упрощения ее решения применяют метод расчленения.

1. Рассчитывают местные деформации и напряжения в зоне шва без учета влияния на них внешних нагрузок и условий закрепления свариваемых деталей, выражая результат расчета в виде сил и перемещений, действующих на всю конструкцию.

2. Проводят расчет общих перемещений всей конструкции, учитывая как внешние нагрузки и закрепления, так и факторы, возникшие в результате местных деформаций и напряжений в зоне шва.

Этот метод был описан выше в разделе 5 и применен для расчета перемещений в балочных конструкциях. Известно пять видов местных деформаций и напряжений, каждому из которых соответствует фактор, учитываемый при расчете общих перемещений:

1. продольную усадку учитывают введением усадочной силы P_ус;

2. поперечную усадку учитывают введением перемещения Δ_поп;

3. угловую деформацию описывают углом β;

4. перемещения из плоскости листов обозначают w;

5. продольное смещение краев шва Δ_x.

Первые четыре вида были описаны выше (продольная усадка – в разделах 4 -- 9, 11, 16 –18, 22; поперечная усадка в разделах 10 – 18; угловая деформация в разделах 13, 15; перемещения из плоскости листов в разделах 19 – 23).

Продольное смещение возникает за счет различного удлинения кромок шва в процессе сварки. Это происходит при сварке листов разной толщины или ширины, а также при сварке втавр (рис. 46). Если свариваемые кромки были перед сваркой совмещены, но не скреплены прихватками, то их продольное смещение, даже небольшое, фиксируется сваркой и накапливается по мере продвижения сварочного источника.

Рис. 46. Накопление продольного смещения краев шва по мере сварки

Рассмотрим пример расчета перемещений в сварном узле. Две пластины, уже вваренные в жесткую конструкцию, соединяются многопроходным угловым нахлесточным швом (рис. 47,а). Вначале анализируем местные деформации в зоне шва без учета закреплений (рис. 47,б). Поперечная усадка при многопроходной сварке вызывает поперечное укорочение Δ_поп и угловую деформацию β.

При анализе статически неопределимой конструкции расчленяем ее на две упругие балки, соединенные швом. На каждую балку со стороны другой через шов действуют три силовых фактора: растягивающая сила P, перерезывающая сила Q и изгибающий момент M. Под действием этих факторов в каждой балке появляется перемещения: удлинение Δ и изгиб, приводящий к прогибу w и повороту сечения θ. Эти перемещения можно выразить через силовые факторы с помощью закона Гука. Таким образом, остается шесть неизвестных. Их можно найти из шести уравнений стыковки балок: трех уравнений равновесия шва: , , и трех уравнений совместности перемещений балок: , , .

Рис. 47. Расчет перемещений в сварном узле

26. Закручивание сварных конструкций

Винтовое закручивание сварных профилей с длинными продольными швами может возникнуть в результате потери устойчивости (см. рис. 40,б) или вследствие продольного смещения свариваемых кромок (см. рис. 46). Закручивание от потери устойчивости характерно для сечений с незамкнутым профилем, так как у них невысокая жесткость при кручении. Закручивание от смещения кромок наблюдается при сварке последнего шва замкнутого профиля (рис. 48, а).

Угол закручивания пропорционален смещению. Для профиля с произвольным замкнутым сечением

, (62)

где A^* - площадь замкнутого контура в сечении, ограниченная линиями, проведенными посередине толщины окружающих контур листов (рис. 48,б). Для коробчатого сечения с несколькими продольными швами угол закручивания зависит также от направления и порядка укладки этих швов.

Рис. 48. Закручивание замкнутого профиля от смещения кромок

При сварке рам причиной закручивания может стать неравномерная по длине шва поперечная усадка (см. разделы 14 и 15). Уменьшение этого закручивания возможно за счет выбора рациональной последовательности и направления сварки.

Часто за закручивание ошибочно принимают изгиб в двух плоскостях профиля с несимметричным сечением или потерю устойчивости отдельных листов сечения. Важно правильно определять вид сварочных деформаций для обеспечения точности их расчета и выбора правильных мер по их уменьшению.

27. Временные напряжения и перемещения при сварке

Остаточные напряжения, деформации и перемещения обычно представляют наибольший интерес, поскольку они влияют на эксплуатационные характеристики сварных конструкций. Временные напряжения, деформации и перемещения важны в тех случаях, когда они могут нарушить процесс сварки:

- вызвать недопустимые изменения условий сварки, препятствующие нормальному технологическому процессу;

- вызвать образование дефектов.

Наиболее серьезные проблемы возникают в процессе электрошлаковой сварки пластин большой толщины (до 2-3 метров). Недопустимыми являются как расхождение свариваемых кромок (процесс прерывается из-за вытекания шлаковой ванны, когда расстояние между кромками становится больше ширины формирующих шов ползунов), так их смыкание (прекращается подача сварочной проволоки).

Основные процессы, влияющие на расстояние между кромками:

1. Неравномерное расширение металла в направлении сварки приводит к изгибу свариваемых пластин и расхождению кромок (рис. 49).

Рис. 49. Изгиб узких пластин за счет продольного расширения краев шва

Это явление характерно для узких пластин (ширина которых существенно меньше длины шва), чем шире пластина, тем меньше ее изгиб. В результате изгиба пластины в зоне шва оказываются соединенными под углом. В таком положении они оказываются скрепленными швом, а следующие участки пластин изгибаются и дополнительно расходятся. Поэтому расхождение кромок нарастает с ускорением.

1. Неравномерные поперечные деформации остывающего металла уже заваренного шва. Это явление происходит при сварке пластин любой ширины и связано с действием двух факторов: температурных деформаций и деформаций от структурных превращений. Температурные деформации ведут к сокращению остывающего участка шва вблизи сварочной ванны и к уменьшению расстояния между кромками за счет взаимного поворота пластин (рис. 50).

Рис. 50. Поворот пластин за счет поперечных деформаций металла шва

Наибольший вклад в этот поворот дает быстро остывающая зона позади шва, начиная с температуры порядка 600 °С (T на рис. 50). Более горячий металл имеет низкий предел текучести и его сокращение слабо влияет на поворот пластин. В сталях мартенситного класса происходит превращение аустенита в мартенсит с увеличением объема металла (см. раздел 8). Эта зона превращения находится на некотором расстоянии позади сварочной ванны (S на рис. 50). Вначале расширение этой зоны приводит к дополнительному закрыванию зазора между кромками, но после того, как эта зона перейдет через середину заваренного участка шва, ее расширение будет способствовать расхождению кромок.