23-03-2020-Глава 7 Сварочные деформации и напряжения (841337), страница 11

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 11)

Продольное смещение возникает за счет различного удлинения кромок шва от нагрева в процессе сварки. Это происходит при сварке встык листов разной толщины или ширины, а также при сварке втавр (рис. 7.46). 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. 7.46. 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. 7.47а). Вначале анализируем местные деформации в зоне шва без учета закреплений (рис. 7.47б). 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. Перемещения каждой балки можно выразить через действующие на нее силовые факторы с помощью закона Гука. Таким образом, остается шесть неизвестных (по три на каждую балку). Их можно найти из шести уравнений стыковки балок: трех уравнений равновесия шва: , , и трех уравнений совместности перемещений балок: , , .

Рис. 7.47. Расчет перемещений в сварном узле

7.14. Закручивание сварных конструкций

Винтовое закручивание сварных профилей с длинными продольными швами может возникнуть в результате потери устойчивости (см. рис. 7.40б) или вследствие продольного смещения свариваемых кромок (см. рис. 7.46). 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. 7.48, а).

Угол закручивания пропорционален смещению. Для профиля с произвольным замкнутым сечением

, (7.62)

где A^* - площадь замкнутого контура в сечении, ограниченного линиями, проведенными посередине толщины окружающих контур листов (рис. 7.48б). Для коробчатого сечения с несколькими продольными швами угол закручивания зависит также от направления и порядка укладки этих швов.

Рис. 7.48. Закручивание замкнутого профиля от смещения кромок

При сварке рам причиной закручивания может стать неравномерная по длине шва поперечная усадка (см. разделы 7.14 и 7.15). Уменьшение этого закручивания возможно за счет выбора рациональной последовательности и направления сварки.

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

7.15. 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. 7.49).

Рис. 9.49. 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 друг с другом под углом. Следующие участки пластин также изгибаются и дополнительно расходятся. Поэтому расхождение кромок нарастает с ускорением по мере сварки шва.

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. 7.50).

Рис. 7.50. 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 (зона T на рис. 7.50). Еще более горячий металл вблизи сварочной ванны 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 7.8). Эта зона превращения находится на некотором расстоянии позади сварочной ванны (зона S на рис. 7.50). 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.

Во время сварки могут происходить все перечисленные явления, и зазор между кромками при этом изменяется сложным образом. Расчет изменения зазора, особенно на начальном участке шва, целесообразно проводить с помощью МКЭ на компьютере. Расчет позволяет разработать меры поддержания зазора в заданных пределах. Следует иметь в виду, что сухари и скобы, скрепляющие пластины, способны зафиксировать их только на первых дециметрах движения сварочного источника. При длине шва более полуметра никакие механические приспособления не способны преодолеть возникающие силы, действуют только изменение режима сварки, а также сопутствующие подогревы и охлаждения различных зон свариваемых деталей.

Кроме изменения сварочного зазора, серьезной проблемой является высокий уровень временных и остаточных напряжений. Условия охлаждения при электрошлаковой сварке таковы, что вначале остывают поверхности сварного соединения, и, в последнюю очередь, металл в середине толщины. Этот металл оказывается как бы в жесткой камере, поэтому при остывании в нем возникают трехосные растягивающие напряжения, причем компоненты напряжений могут существенно превышать предел текучести металла. Эти напряжения при неправильно выбранной технологии сварки могут привести к образованию продольных трещин в шве, вплоть до его полного разрушения.

Остаточные напряжения могут впоследствии суммироваться с рабочими и вызвать хрупкое разрушение при эксплуатации. Термическая обработка крупных деталей для снятия остаточных напряжений является весьма длительной операцией и по стоимости может превосходить саму сварку.

7.16. Влияние сварочных напряжений, деформаций и перемещений на технологию производства и качество сварных конструкций

7.16.1. Влияние на технологию производства

Как правило, деформационные процессы приводят к усложнению производства. Ряд дополнительных проблем возникает непосредственно в процессе сварки. Кроме отмеченных в разделе 7.27 трудностей, связанных с изменением ширины разделки (эти явления возникают при электрошлаковой сварке и при первом проходе дуговой сварки), при сварке тонких листов встык бывает трудно обеспечить правильное взаимное расположение свариваемых кромок.

Расширение при нагреве вызывает временные сжимающие напряжения в зоне сварки. В результате происходит потеря устойчивости, а также смещение кромок, приводящие к прожогам и нарушениям требуемой формы сварного соединения. Основные меры борьбы с этими явлениями – зажимные приспособления. Зажимные планки должны быть установлены как можно ближе к шву, но при этом надо оставить место для прохождения сварочной горелки.

Потеря устойчивости происходит до начала плавления шва, при достаточно высоких поперечных сжимающих напряжениях, близких к пределу текучести металла. Из условия устойчивости, допустимое расстояние от края листа до зажимного приспособления (рис. 7.51)

. (7.63)

Для низкоуглеродистой стали это соответствует .

Рис. 7.51. Потеря устойчивости тонких листов в процессе сварки

При сварке тонколистовых обечаек в процессе нагрева увеличивается длина окружности шва, что приводит к большим радиальным перемещениям. За счет отхода кромок от подкладки возникает излишняя выпуклость шва с обратной стороны. С лицевой стороны образуется «домик» - угловое перемещение кромок β углом наружу. При неодинаковых перемещениях кромок образуется ступенька Δ_z. Для уменьшения этих искажений используют прижимной ролик, движущийся вместе со сварочной головкой впереди нее.

Изменение формы и размеров от сварочных перемещений создает серьезные проблемы при сварке сложных пространственных конструкций с большим количеством привариваемых деталей. Требуются сложные зажимные приспособления и прихватка деталей перед сваркой.

Характеристики

Список файлов лекций