Конспект (3 часть) (Конспект лекций 4302), страница 3

Так как в рассматриваемом случае Δεпл1, по модулю больше Δεпл2, то знак εпл.ост совпадает со знаком Δεпл1 Это означает, что остаточные пластические деформации представляют собой деформации укорочения.

Деформации конструкций от сварки

Деформации и перемещения в зоне сварных соединений

Сварка вызывает искажение размеров и формы элементов свар­ных конструкций, их укорочение, изгиб, потерю устойчивости, закручивание. Эти искажения выражаются в перемещениях, кото­рые зависят от формы сварной конструкции, расположения швов в ней, толщины металла. Многообразные виды перемещений свар­ных конструкций порождаются относительно небольшим числом видов деформаций и перемещений, возникающих в зоне сварных соединений. Деформации и перемещения в зоне сварных соединений зависят от количества теплоты, вводимого при сварке, рас­пределения температур, свойств свариваемого металла.

Один из наиболее простых расчетных приемов определения пере­мещений сварных конструкций состоит в выделении двух самостоя­тельных этапов расчета. На первом находят деформации и переме­щения в зоне сварных соединений — эту часть называют термо­механической частью задачи, а на втором методами сопротивления , материалов или теории упругости определяют перемещения в кон­струкции, используя результаты, полученные на первом этапе. Эту часть называют деформационной частью задачи. Удобство такого приема состоит в том, что одни и те же результаты термомеха­нической части задачи, полученные один раз расчетным или экс­периментальным путем, могут затем многократно использоваться при решении деформационных задач для самых разнообразных видов конструкций.

Рис. 8.1. Сварная пластина с остаточными пластическими дефор­мациями

Различают пять основных видов деформаций и перемещений в зоне сварных соединений.

1. Продольные остаточные пластические деформации .создающие так называе-

мую усадочную силу В гл. 7 при определении

продольных напряжений по методу Г. А. Николаева на рис. 7.8, в была получена эпюра остаточных пластических деформаций Чтобы установить зависимость между усадочной силой рассмотрим более подробно состояние сваренной пластины.

Разрежем пластину шириной 2 Б на продольные полоски, чтобы освободить каждую из них от имеющихся напряжений (рис. 8.1, Концы полос расположатся так, как показано на рис. 8.1, Полоски, находящиеся за пределами зоны пласти-

ческих деформаций, будут иметь начальную длину Полоски

внутри этой зоны будут короче, потому что они имеют остаточную пластическую деформацию которую берут со знаком минус.

Укорочение Концы полос будут геометрически

повторять характер эпюры на рис.Приложим к уко-

роченным полосам растягивающие силы р, образующие в полосках напряжения чтобы длина всех полос стала одинаковой и равной

(8.1)

«Склеим» между собой полоски. При этом они образуют целую пластину с напряжениями „ , по концам в пределах зоны пла­стических деформаций. Остальная часть ширины будет свободна от напряжений. В действительности к торцам сваренной пластины никаких сил не приложено, поэтому уравновесим силы равными им по значению и противоположными по направлению Интеграл от распределенной нагрузки —р, взятый в пределах зоны пластических деформаций 2ЬП, даст некоторую силу, кото­рая называется Фиктивной усадочной силой Рус. Поскольку _,или

(8.2)

где — толщина пластины.

вызовет по всей ширине равномерное сжатие и сформирует совместно с напряжениями которые образо-

вались в пределах зоны ... при растяжении полосок, эпюру оста­точных собственных напряжений которые были в пластине до ее разрезки на полосы. Укорочение пластины от силы выра­жается величиной

(8.3)

Таким образом, если пренебречь влиянием характера распре­деления сил по торцам пластины и заменить их силой , то бу­дем иметь пластину, нагруженную по концам швов. Собственные напряжения в разных точках по ширине могут быть определены по общему правилу вычисления напряжений в пластине, имеющей остаточные пластические деформации укорочения

(8.4)

и в формуле (8.4) отрицательны. Напряжения

показаны в сечении пластины на рис. 8.1, Как видим, определе­ние усадочной силы сводится к определению эпюры остаточных пластических деформаций которая может быть найдена

различными расчетными методами. Для исключения погрешностей, вызываемых различными допущениями в расчетных методах, уса- дочную силу часто определяют экспериментально. Для этого достаточно измерить длины полосок до сварки и после разрезки пластины, как это было изложено в гл. 7 при определении оста­точных напряжений. По разности показаний нужно найти измене­ние длины полосок . а затем определить где Б — длина базы измерения. По формуле (8.2) вычисляют Можно измерить изменение длины пластины в результате сварки на какой-либо начальной базе а затем воспользоваться форму­лой (8.3) для вычисления

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.

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 ат 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

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, схлаждая 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.