книга1 с (Часть полезной книги), страница 8

232

5. Остаточные растягивающие напряжения могут понижать статическую прочность сварных соединений. Степень влияния зависит от свойств металла, его деформационной способности, уровня концентрации напряжений, предварительной пластической дефор­мации металла. Если металл при рассматриваемой температуре мало чувствителен к концентрации напряжений и не испытал большой предварительной пластической деформации, то остаточные растягивающие напряжения не влияют на статическую прочность. В противном случае даже сами собственные напряжения могут вызвать самопроизвольные разрушения. Статическая прочность высокопрочных сталей с невысоким KiJe? при наличии остаточных напряжений, близких к а_т, и острых концентраторов может суще­ственно снижаться. Стали невысокой прочности, находясь в области температур вязкого состояния металла, практически нечувстви­тельны к остаточным напряжениям. Исключение составляют слу­чаи, когда в процессе сварки возникают очень большие пластиче­ские деформации, например в корне многослойного шва значитель­ной толщины. Из-за пластической деформации металл изменяет свои свойства и имеет низкую деформационную способность. Стали невысокой прочности, находясь в области температур хрупкого или полухрупкого состояния, особенно если они испытали в про­цессе сварки деформационное старение, становятся крайне чув­ствительными к растягивающим остаточным напряжениям (см. гл. 5). На рис. 9.1 показано резкое падение прочности сварных образцов по мере перехода в область температур хрупкого состояния металла. Образец состоит из двух собранных с очень малым зазо­ром пластин, к которым тавровым соединением приварены с двух сторон ребра длиной 220 мм и толщиной 16 мм. В ребре в зоне, расположенной у стыка пластин, возникают деформационное ста­рение и высокие остаточные напряжения.

Остаточные напряжения, возникающие в глубине металла при сварке деталей толщиной более 150—200 мм, могут быть растяги-

вающими по всем направлениям. В этом случае, несмотря на высо­кий уровень отдельных компонентов напряжений, пластическая деформация не будет возникать вследствие малой интенсивности напряжений:

(9.1)

так как разности напряжений, входящие в формулу, малы. Возни­кает так называемая жесткая схема напряжений, при которой отдельные компоненты могут существенно превышать уровень предела текучести металла. Кроме того, металл большой толщины менее однороден, чем тонкий; в нем могут быть скопления неметал­лических включений, рыхлоты. Разрушение может произойти.

в_е, мпа

когда напряжения достиг­нут критического уровня, который зависит от харак­тера скопления микро- и макродефектов и свойств металла.

Т, "С -60

Рис. 9.1. Изменение предела прочности свар­ных крестовых образцов в зависимости от температуры

6. Сжимающие остаточ­
ные напряжения понижают
местную устойчивость тон­
костенных элементов свар­
ных конструкций. При
суммировании рабочих и

остаточных напряжений потеря устойчивости может возникнуть при нагрузках меньше расчетных, а в некоторых случаях — даже от остаточных напряжений.

1. Коррозионное растрескивание, а иногда и процессы корро­зии усиливаются под влиянием остаточных растягивающих напря­жений как первого, так и более высоких родов.

2. Как будет рассмотрено в гл. 10, остаточные растягивающие напряжения являются необходимым условием появления так назы­ваемых холодных трещин в закаливающихся сталях. Они возни­кают непосредственно после сварки в процессе вылеживания свар­ных конструкций.

3. Остаточные напряжения являются носителями энергии упру­гой деформации. При одноосных напряжениях энергия, запасен­ная в единице объема, пропорциональна квадрату напряжения: :

(9.2)

Так как напряжения максимальны в зоне сварных соединений, то значительная часть энергии сосредоточена там. Начавшееся по каким-либо причинам разрушение в дальнейшем поддержива­ется энергией остаточных напряжений. Трещина может распростра­ниться на значительную длину, сделав невозможным последующий ремонт разрушившейся детали. Энергия остаточных напряжений усиливает динамику процесса разрушения, увеличивает скорость

233

движения трещин и способствует переходу от вязкого разрушения к хрупкому.

Перемещения, вызываемые сваркой. Отрицательное влияние перемещений может обнаруживаться непосредственно в процессе изготовления сварной конструкции.

сварки тонких листов

1. Перемещения свариваемых деталей создают деформации в зоне кристаллизующегося металла и могут привести к образова­нию горячих трещин (см. гл. 10).

2. Во время сварки в ряде случаев возникают перемещения в зоне формирования сварного соединения. При электрошлаковой сварке изменение зазора изменяет скорость сварки. Сварочный зазор может закрываться или открываться в таких пределах, что процесс может даже прерваться. При дуговой, сварке тонкого металла из-за потери устойчивости возникает прожог листов. В результате перемещений при сварке кромки листов смещаются по толщине и образуют ступеньки. При сварке нахлесточных соединений возникшие ранее остаточные перемещения не позво­ляют деталям плотно прилегать друг к другу и сварка углового шва ведется в этом случае по зазору, что приводит к затеканию металла в зазор. Чтобы обеспечить соединение листов, необходимо завышать катет шва. При автоматической сварке угловых швов возможно даже их несплавление. При шовной сварке из-за ранее возникшей волнистости металл набегает впереди роликов и воз­никает непровар.

3. Перемещения элементов при сварке затрудняют последую­щий процесс сборки деталей между собой, а иногда делают ее невоз­можной без проведения дополнительной правки. Например, после

их приходится править, так как

отклонения от плоскости велики и не позволяют проводить каче­ственную сборку. Если тонкостенные оболочки имеют кольцевые швы, выполненные вблизи края, то это приводит к местному изме­нению диаметра и при последующей сборке таких оболочек друг с другом возникает ступенька, что обычно недопустимо. При поузло-вой сварке часто возникают затруднения из-за несовпадения поса­дочных и присоединительных размеров собираемых после сварки узлов вследствие возникших перемещений. Искажения в про­странстве бывают иногда настолько существенны и сложны, что приходится подгонку отдельных мест осуществлять вручную, а в не­которых случаях вынуждены проводить предварительную полную сборку, что уменьшает возможности механизации и автоматиза­ции сварочного производства.

4. Из-за возникающих от сварки перемещений приходится назначать завышенные припуски на механическую обработку, чтобы иметь возможность обработать все предусмотренные черте­жом поверхности. На рис. 9.2, а показан полый вал с угловым изломом 6 в зоне кольцевого шва. При значительной длине вала необходимо увеличить толщину s стенки, чтобы можно было про­вести обточку по всей длине. Рама на рис. 9.2, б имеет пропеллер-ность. Толщина платиков должна быть увеличена, чтобы после

234

механической обработки верхние поверхности всех платиков ле­жали в одной плоскости. Это увеличивает расход металла и время на обработку.

. 5. Некоторые виды перемещений изменяют геометрические ха-рактеристики сечений. Например, появление угла § после выпол­нения поясных швов уменьшает момент инерции двутавровой балки вследствие приближения краев полок к главной оси поперечного сечения. Изгиб колонн от сварки, окружные сокращения оболо­чек от кольцевых швов, уменьшение кривизны в оболочках в ме­стах приварки к ним различных элементов создают при эксплуата­ции более высокие напряжения при тех же нагрузках вследствие появления не учтенных расчетом изгибающих моментов и растя­гивающих напряжений.

Рис. 9.2. Перемещения в сварных деталях, вызывающие увеличе­ние припуска на механическую обработку

1. Начальные перемещения могут вызывать уменьшение устой­чивости, в особенности местной. Общая устойчивость изогнутых колонн, сжатых труб с местными деформациями стенок также несколько снижается.

2. В летательных аппаратах, судах, энергетических установ­ках перемещения, искажающие поверхности, которые обтекаются потоками газа или жидкости, увеличивают сопротивление потоку. В деталях машин и механизмов искажения размеров вызывают увеличение сил трения или даже заклинивание.

8. Значительные отклонения от правильных геометрических
форм нарушают требования технической эстетики, ухудшают
товарный вид таких изделий, как вагоны, автомобили, суда, пред­
меты бытовой техники.

§ 2. Методы уменьшения сварочных напряжений

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

235

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.

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. Это способствует уменьшению максимальных остаточных напряжений. С другой стороны, он расширяет зону пластических деформаций, если тепло-вложение при сварке остается прежним. При подогреве до очень высоких температур, при которых а_т 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 (непрокованном) металле, то в про­цессе последующего остывания и температурного сокращения ме­талла сжимающие напряжения будут уменьшаться и могут перейти даже в растягивающие. При холодной проковке нагрев обычно невелик и можно создать высокие сжимающие напряжения. Про­ковка ведется механизированным инструментом с малыми (до 6— 7 м/с), средними (до 100 м/с) и высокими (более 100 м/с) скоростями движения бойка. Проковка маневренна, в этом ее преимущество перед другими методами. Следует опасаться снижения пластич­ности металла вследствие ее исчерпания при проковке.

При импульсной обработке взрывом используют заряды лен­
точного типа, которые укладывают на обрабатываемые поверхности.
Взрыв, который проводят в специальной камере, создает напряже­
ния 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 прикладываю! так, чтобы в зоне сварки создать растягивающие напряжения. Это

уменьшает остаточные напряжения растяжения и усадочную силу. 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 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, как показано на рис. 9.3, а, то металл,

Рис. 9.3. Схема процесса снижения остаточ­ных напряжений местным нагревом