Конспект (часть 4) (Конспект лекций 4302), страница 4

балки силой Р (рис. 8.27, а), имеющей зоны 1 и 2 (рис. 8.27, б) с остаточными растягивающими напряжениями, близкими к рабочие напряжения вызывают пластическую деформацию

в зоне 2 и она выключается из восприятия нагрузки. Прогиб балки при этом нагружения происходит так, как если бы сечение балки было без зоны 2 (рис. 8.27, в). При этом . Поэтому при

приложении нагрузки возникает прогиб а при

снятии нагрузки, когда пластических деформаций не будет, произойдет выпрямление

даст

остаточную деформацию.

МЕТОДЫ УМЕНЬШЕНИЯ СВАРОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ,

НАПРЯЖЕНИЙ И ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Характерные случаи вредного влияния сварочных напряжений, деформаций и перемещений

Собственные напряжения и пластические деформации. Остаточ­ные напряжения и деформации могут влиять на получение и сохра­нение точных размеров и форм сварных конструкций, а также на их прочность и работоспособность.

1. Перераспределение сил и напряжений в деталях в процессе механической обработки вызывает изменение их размеров и форм.

2. С течением времени происходит небольшая релаксация напря­жений и превращения нестабильных составляющих структуры металла, если они имеются. Возникают дополнительные переме­щения.

3. В процессе изготовления, транспортировки, монтажа и экс­плуатации сварных деталей с остаточными напряжениями собствен­ные напряжения складываются с напряжениями от различных внешних нагрузок. Из-за этого происходят пластические деформа­ции, которые дополнительно возрастают при неблагоприятных температурных условиях и изменяют размеры деталей.

4. Растягивающие остаточные напряжения снижают вибрацион­ную прочность сварных конструкций. Если они действуют в зонах, где есть концентрация напряжений и неоднородность механических свойств, то там в первую очередь возникают разрушения от уста­лости. Степень отрицательного влияния растягивающих напряже­ний зависит от уровня эксплуатационных напряжений и коэффи­циента концентрации напряжений. Чем выше рабочие напряжения

и чем выше концентрация напряжений, тем меньше доля влияния растягивающих напряжений, и, наоборот, при невысоких рабочих напряжениях и малых концентрациях напряжений относительное отрицательное влияние растягивающих остаточных напряжений обнаруживается сильнее. Объясняется это тем, что остаточные напряжения взаимно уравновешены, и если произошла пластиче­ская деформация, в результате которой они понизились, то соб­ственные напряжения самопроизвольно не восстанавливаются. Поэтому при высоких рабочих напряжениях и высокой концентра­ции напряжений на первых же циклах нагрузки возникают пла­стические деформации от суммы рабочих и остаточных напряже­ний. Кроме того, значительная концентрация напряжений по своему влиянию превалирует над собственными напряжениями. При небольшой концентрации напряжений остаточные растягивающие напряжения сохраняют свой высокий уровень в процессе эксплуа­тации и увеличивают средние напряжения цикла, тем самым пони­жая выносливость.

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.

6. Сжимающие остаточ­ные напряжения понижают местную устойчивость тонкостенных элементов свар­ных конструкций. Присуммировании 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: :

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

1. Перемещения свариваемых деталей создают деформации в зоне кристаллизующегося металла и могут привести к образова­нию горячих трещин

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.

3.Например, после

Их и 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 поузловой 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 пропеллерность. Толщина платиков должна быть увеличена, чтобы после

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

. 5. Некоторые виды перемещений изменяют геометрические характеристики 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.

В летательных аппаратах, судах, энергетических установ­ках перемещения, искажающие поверхности,

1. которые обтекаются потоками газа или жидкости, увеличивают сопротивление потоку. В деталях машин и механизмов искажения размеров вызывают увеличение сил трения или даже заклинивание.

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.

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

-

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,

расширяясь, вызовет рас­тяжение вдоль шва и сжа­тие поперек шва (рис. 9.3, б). Такая схема на­пряжений благоприятна для протекания пластиче­ских деформаций в на­правлении вдоль шва, что как раз необходимо

для . снятия остаточных растя­гивающих напряжений.

Перемещая зоны нагрева, как показано стрелкой на рис. 9.3, а, 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, но для правки Конструкций такой прием используют широко .