книги / Сварные конструкции

случае P = 44 тс) вызовет в крайних частях элемента, находя­ щихся в упругом состоянии, напряжение, равное

Суммарное напряжение в этих участках с учетом и остаточных напряжений по эпюре на рис. 5.1, б будет равно

omln = —240 + 2200 = 1960 кгс/см2 (196 МПа).

Эпюра распределения напряжений для этого случая представ­ лена на рис. 5.1, в.

При разгрузке деформации элемента происходят упруго во всех его частях, поэтому при разгрузке и средняя часть будет оказывать сопротивление. В связи с этим уменьшение растягива­ ющих напряжений произойдет на величину

ний (рис. 5.1, г), которые в этом случае будут равны для средней части ашах = 2400 — 20 00 = 400 кгс/см2 (40 МПа); для крайних частей omln = 1960 — 2000 = —40 кгс/см2 (—4 МПа).

Таким образом, в результате нагрузки и разгрузки элемента, имеющего уравновешенные сварочные напряжения, начальные остаточные напряжения значительно уменьшаются. При этом чем больше прикладываемое внешнее усилие, тем в большей сте­ пени уменьшаются внутренние напряжения. И если величина внешнего усилия будет создавать в элементе напряжения, равные пределу текучести по всему сечению, то при разгрузке внутрен­ ние напряжения будут полностью сняты.

Так, для того же примера, нагружение внешним усилием Р => = 52,8 тс вызовет в крайних частях элемента напряжения

аг — -Jr- = - = 2640 кгс/см8 (264 МПа).

Суммарное напряжение в крайних частях при этом будет <тт1п = —240 + 2640 = 2400 кгс/см2 (240 МПа).

В этом случае напряжения равны пределу текучести по всему сечению элемента, т. е. весь материал находится в пластическом состоянии и дальнейшего роста нагрузки допустить на элемент уже нельзя.

Попутно можно отметить, что то же по величине усилие Р =

=52,8 тс могло бы вызвать состояние текучести по всему сечению

идля элемента, не имеющего внутренних напряжений

Поэтому по условиям достижения предельных напряжений, равных пределу текучести, элементы, имеющие начальные свароч­ ные напряжения, и элементы, не имеющие этих начальных (взаимно уравновешенных) напряжений, находятся в одинаковых условиях.

Ввиду того, что при разгрузке сопротивление деформациям сжатия оказывается всеми частями сечения, снижение напряже­ ний произойдет по всему сечению на величину

ст2 = -у- = J r ~ = 2400 кгс/см2 (240 МПа).

Суммарные напряжения при этом будут

^шах = ^min = 2400 2400 = 0.

Таким образом, из приведенного примера видно, что внутрен* ние уравновешенные в сечении сварочные напряжения не отра­ жаются на работоспособности элемента, поэтому они и не учиты­ ваются при проектировании сварных конструкций, точно так же, как они не учитываются и при проектировании клепаных конструк­ ций, создаваемых тоже из элементов с начальными остаточными напряжениями (созданными прокаткой, литьем, холодным дефор­ мированием и другими методами, применяемыми при изготовле­ нии элементов конструкций).

Совсем иначе процесс суммирования внутренних напряжений с напряжениями от внешней нагрузки проходит в конструкциях из хрупких материалов, разрушение которых происходит без пластических деформаций. В этом случае сварочные напряжения могут складываться с напряжениями от внешней нагрузки по всему сечению детали и вызывать преждевременное ее разрушение.

Так же будут складываться с напряжениями от внешних сил и напряжения реактивные, не уравновешенные в сечении. Поэтому они опасны для прочности сварных конструкций.

Все сказанное полностью подтверждается опытом эксплуатации сварных конструкций, а также специальными опытами по опре­ делению прочности различно напряженных сварных элементов.

Наличие значительных пластических деформаций при разру­ шении статической нагрузкой само по себе уже свидетельствует о том, что к моменту разрушения образцы не могут иметь суще­ ственных различий в начальном напряженном состоянии.

В то же время известно, что сварочные напряжения снижают прочность конструкций из хрупких материалов, неспособных

давать пластические деформации. Следовательно, в конструкциях из малоуглеродистых и низколегированных сталей внутренне уравновешенные сварочные напряжения могут снизить прочность сварного соединения лишь в том случае, если материал сварного соединения будет приведен в абсолютно хрупкое состояние, т. е. практически полностью потеряет способность пластически де­ формироваться. Такое состояние материала может иметь место при температурах ниже критической температуры хрупкости, значение которой зависит от формы образца. В этом случае сва­ рочные напряжения, суммируясь с напряжениями от внешней нагрузки, приведут к снижению величины разрушающей нагрузки. Однако если этим исключительно тяжелым условиям работы предшествовала работа конструкции в более легких условиях (например, при положительной температуре), то снижения раз­ рушающей нагрузки не произойдет вследствие смягчения остроты концентратора напряжений за счет пластических деформаций, происходящих при предшествующих нагружениях. Этим и объяс­ няется то обстоятельство, что в реальных конструкциях при ста­ тических нагрузках практически не наблюдается снижения проч­ ности от действия остаточных напряжений.

Анализ результатов всех исследований показал, что при ста­ тической нагрузке низкая температура и высокие концентраторы напряжений сами по себе весьма существенно влияют на прочность элементов, значительно снижая ее. Поэтому, хотя проявление отрицательного влияния остаточных напряжений тоже возможно, все же степень этого влияния ничтожно мала по сравнению с дру­ гими факторами и с ней поэтому практически можно не считаться.

Таким образом, для конструкций эксплуатирующихся при низких температурах, снятие сварочных напряжений с целью повышения их прочности оказывается бесполезным. Предупре­ дить возможное в этих условиях снижение прочности можно лишь устранением концентраторов напряжений.

Пластические деформации при ударном разрушении оказы­ ваются по величине не меньшими, чем при статическом разрушении.

Таким образом, на основании тех же соображений, можно заключить, что общая оценка влияния остаточных напряжен й на прочность при ударе должна быть такой же, как при статиче­ ской нагрузке. Наличие пластических деформаций при ударном разрушении также свидетельствует о том, что разницы в напряжен­ ном состоянии отдельных образцов к моменту разрушения суще­ ствовать уже не должно, поэтому остаточные напряжения не могут оказывать влияния на прочность.

При вибрационной нагрузке разрушение не сопровождается пластическими деформациями. В связи с этим предел выносливо­ сти элементов конструкций в значительной степени зависит от концентрации напряжений, а также от местного изменения свойств металла, которое возможно при различных технологических воз­ действиях в процессе изготовления конструкций. По тем же

причинам влияние остаточных напряжений при вибрационной на­ грузке должно проявляться более заметно, чем при статической нагрузке и ударе, при которых значительные пластические де­ формации, происходящие в процессе нагружения, устраняют остаточные напряжения.

Результаты вибрационных испытаний показали, что при отсутствии концентраторов напряжений остаточные сварочные напряжения не снижают вибрационную прочность образцов из малоуглеродистой и низколегированной стали.

При этом отжиг уничтожает остаточные напряжения, однако влияет отрицательно, понижая предел выносливости.

Понижение вибрационной прочности после отжига связано с общим пониже­ нием прочностных свойств как основ­ ного металла, так и металла шва, что выражается также и в соответствующем снижении предела прочности и предела текучести.

При наличии концентрации напря­ жений остаточные напряжения прояв­

сварных швов компенсирует отрицательное действие растяги­ вающих остаточных напряжений. Поэтому отжиг образца, унич­ тожающий упрочняющее влияние наклепа, приводит к сни­ жению вибрационной прочности. Предварительное растяжение, которое значительно повышает вибрационную прочность, следует прежде всего рассматривать не как меру снятия напряжений (так как положительное влияние предварительного растяжения в равной мере проявляется как при наличии остаточных напряже­ ний, так и без них), а как метод упрочнения, связанный с появле­ нием местных пластических деформаций. Местные пластические деформации при растяжении создают упрочнение металла в наи­ более напряженном участке и, кроме того, приводят к некоторому изменению формы переходов, смягчая их резкость. Последнее для образцов с высокой концентрацией напряжений может иметь весьма существенное значение. Кроме того, местные пластические деформации от внешней нагрузки приводят также и к снижению остаточных напряжений.

Как отмечалось выше, в обычных условиях влияние растяги­ вающих остаточных напряжений в районе шва всегда компенси­ руется упрочняющим влиянием местных пластических деформа­ ций. Но в некоторых случаях, например при сварке жестко за­ крепленных деталей или когда остаточные напряжения созданы другими методами, районы действия остаточных напряжений и концентрации местных пластических деформаций могут быть отделены друг от друга. Если при этом действие внешней нагрузки будет в большей степени сконцентрировано в районе действия остаточных растягивающих напряжений, а участки, в которых произошли местные пластические деформации, будут располо­ жены в слабо работающей зоне элемента конструкции, то благо­ приятное влияние местных пластических деформаций не будет уже компенсировать отрицательное действие остаточных напря­ жений. В этом случае произойдет снижение предела выносливости, определяемое суммированием остаточных напряжений с напряже­ ниями от внешней нагрузки и изменением характеристики цикла суммарных напряжений. Это может быть подтверждено резуль­ татами испытания крестовых образцов, приведенными в табл. 5.1.

После сварки все образцы были подвергнуты отжигу для снятия в них сварочных напряжений. Таким образом, в исходном состоя­ нии сварочных напряжений в образцах не было. Остаточные напряжения в них создавались последующей специальной обра­ боткой кромок центральной пластины (пластическим обжатием или нагревом), вызывающей в них (в кромках) местные пластиче­ ские деформации. При данной форме образцов влияние местных пластических деформаций, сосредоточенных на кромках, не могло проявляться, так как напряжения на кромках от внешних на­ грузок были незначительными и возможность появления разру­ шения кромок была исключена. Прочность образцов определя­ лась напряженным состоянием их центральных участков, находя-

щихся в упругом состоянии, в которых остаточные напряжения суммировались с напряжениями от внешней нагрузки. Таким образом, при испытании образцов были созданы условия, при которых действие местных пластических деформаций и остаточ­ ных напряжений было разделено, что позволило оценить влияние остаточных напряжений отдельно от влияния других факторов.

Как видно по результатам испытания, влияние остаточных напряжений в данном случае проявилось достаточно определенно. Растягивающие остаточные напряжения привели к снижению предела выносливости, тогда как сжимающие остаточные напря­ жения привели к его повышению.

Рассмотренные условия испытания крестовых образцов с раз­ личными остаточными напряжениями представляют собой слу­ чай, когда остаточные напряжения оказывают влияние на проч­ ность. При этом влияние остаточных напряжений в зависимости от их знака может быть как отрицательным, так и положительным.

Следует отметить, что в данном случае остаточные напряжения не являлись сварочными, а были вызваны другими технологиче­ скими воздействиями. Проявление остаточных напряжений ока­ залось возможным благодаря искусственному разделению районов их проявления от районов с местными пластическими деформа­ циями, а также благодаря применению образцов с предельно высокой концентрацией напряжений.

В настоящее время считается установленным, что при исполь­ зовании в сварных конструкциях достаточно пластичных мате­ риалов, таких, например, как применяющиеся марки конструк­ ционных сталей, уравновешенные в сечении сварочные напряже­ ния на прочность конструкций не влияют при любых условиях загружения и статической и динамической нагрузками.

Поэтому нет необходимости в этих случаях при изготовлении конструкций применять особые меры для снижения напряжений. Это положение не может быть распространено на изделия из хрупких материалов, для которых сварочные напряжения опасны и могут привести к появлению трещин еще при изготовлении изделий. В таких случаях предотвращение появления внутренних напряжений в процессе изготовления необходимо.

Следует также принимать меры для уменьшения реактивных напряжений в сварных конструкциях, появляющихся при сварке в закреплениях, например, при сварке монтажных стыков.

Необходимость снятия сварочных напряжений может быть оправдана также в случаях, когда требуется высокая точность сохранения размеров сварного изделия в продолжении всего периода его службы. Это, в частности, имеет значение для фунда­ ментов под сложные агрегаты, точность центровки валов которых очень высока. При этом, учитывая, что под действием внешней нагрузки внутренние напряжения могут уменьшаться, следует считаться с возможным изменением размеров изделия вследствие перераспределения напряжений и упругих деформаций. Такое

изменение размеров может произойти и при механической обра­ ботке, при которой удаление напряженных слоев металла также может вызвать перераспределение напряжений.

Таким образом, прибегать к специальным мерам снятия сва­ рочных напряжений следует только в редких случаях.

Уменьшение сварочных деформаций и напряжений может быть в большинстве случаев достигнуто соответствующим выбором последовательности сборки и сварки. Такое решение наиболее рационально, так как в этом случае отпадает необходимость при­ менения дополнительных приемов, усложняющих технологиче­ ский процесс изготовления сварных конструкций.

Однако при изготовлении сварных конструкций не во всех случаях удается избежать необходимости применения некоторых дополнительных мер.

Без применения специальных мер нельзя предотвратить или уменьшить сварочные напряжения. При сварке остаточные на­ пряжения возникают всегда, причем их величина в районе швов, как правило, достигает значений, равных пределу текучести. Следует только отметить, что действительная необходимость пред­ отвращения или снятия сварочных напряжений, как уже было отмечено, встречается сравнительно редко. Более частыми могут быть случаи применения специальных мер по борьбе со свароч­ ными деформациями.

Искажение формы отдельных деталей сильно осложняет изго­ товление сварных конструкций дополнительными трудоемкими операциями по подгонке в местах сопряжений и приводит к уве­ личению непроизводительных затрат. Кроме того, искажение формы элементов конструкции может привести к недопустимым изменениям условий работы и вызвать перенапряжения в отдель­ ных участках.

Так, например, образовавшийся после сварки общий изгиб стержня, работающего на растяжение, приведет к появлению в нем дополнительных напряжений от изгиба. Местные деформации поясов двутавровой балки вызывают перераспределение и местную концентрацию напряжений в отдельных сечениях, при которой максимальные напряжения могут значительно превышать сред­ нюю их величину.

Таким образом, сварочные деформации оказывают вредное влияние на конструкцию. Они увеличивают трудоемкость изго­ товления и могут привести к снижению прочности сварных кон­ струкций. Поэтому при изготовлении сварных конструкций не­ обходимо принимать меры для предотвращения деформаций или ограничения их величины определенными пределами, при кото­ рых их влияние не будет существенным.

Ниже приведен краткий обзор различных мер, применя­ ющихся с целью предотвращения или уменьшения сварочных деформаций и напряжений.

Выбор последовательности сборки и сварки. При сборке и сварке конструкций по мере скрепления отдельных деталей и формирования поперечного сечения происходит постепенное уве­ личение жесткости. Учитывая, что при этом расположение швов по отношению к центру тяжести формирующегося сечения также меняется, следует ожидать, что деформации, вызываемые сваркой

отдельных швов при разной после­

при котором вначале привариваются поперечные ребра к обшивке, а затем к ним привариваются продольные уголки.

Вариант III представляет собой обычно применяемый метод общей сборки, при котором вначале все элементы собираются и затем производится сварка. При этом в каждом варианте могут быть намечены свои подварианты, в которых имеется своя особая последовательность выполнения швов Д Б и В. В таблице эти подварианты отмечены буквами а и б.

Для каждого такого подварианта (их всего шесть) можно произвести качественную оценку деформаций. При этом общие деформации переборки могут быть выражены стрелкой прогиба продольных уголков, являющихся наиболее жесткими элемен­ тами и характеризующих деформации всей секции. В таблице указаны стрелки прогиба продольных уголков от сварки каждого шва.

В первом варианте центр тяжести шва А расположен ниже центра тяжести сечения уголка (рис. 5.3, б), поэтому сокращение шва вызовет прогиб уголка вверх (f2). При сварке шва Б продоль­ ное сокращение шва также вызовет прогиб уголка вверх (/2).

(рис. 5.3, в). При этом прогиб уголка от сварки шва А будет на­ правлен вниз (—f{). При сварке швов Б условия для образования деформаций будут те же, что и в варианте I (f2).

В варианте III при наличии общей связи всех элементов при сварке швов Б и В прогиб уголка будет создаваться таким же, как и в варианте I ( / 2 и f3), а деформации, производимые сваркой шва Л, будут такие же, как и в варианте II (—/{).

В результате сравнения суммарного прогиба можно устано­ вить, что при варианте II деформации наименьшие, а при варианте I они наибольшие. Вариант III занимает промежуточное положение.

Можно отметить, что для всех вариантов в одинаковой степени порядок сварки швов не изменяет общих деформаций переборки.

Вариант II имеет преимущество по сравнению с вариантом III в отношении общих деформаций переборки, но местные угловые деформации обшивки при варианте III вследствие закрепления кромок будут меньшими, чем при варианте II. Таким образом, выбор того или иного варианта будет определяться тем значением, которое эти деформации будут иметь в конкретных условиях службы изделия или теми возможностями по борьбе с деформа­ циями, которые в данных условиях имеются в распоряжении.

Если учесть, что общий прогиб уголка предотвратить проще, чем местные угловые деформации настила от приварки ребер, то может быть принято решение о выборе варианта III с дополнитель­ ным применением закреплений или обратного выгиба.

Закрепление при сварке. Этот прием относится к числу доста­ точно часто применяемых для уменьшения деформаций изгиба при сварке и заключается в том, что свариваемое изделие при­ крепляется на все время,, сварки к фундаменту, который должен быть достаточно жестким для того, чтобы удерживать изделие. После окончания сварки и полного остывания изделия зажимы удаляются. При этом деформация изделия произойдет, но не­ сколько меньше той, которая имеет место в случае сварки в сво­ бодном состоянии.

Этот способ, однако, не во всех случаях может дать требуемый результат, и применение его поэтому ограничено некоторыми пределами.

Оценка значения этого способа может быть произведена на примере сварки прямолинейного элемента (рис. 5.4). При сварке в свободном состоянии возможен остаточный прогиб элемента со стрелкой f (рис. 5.4, а). При сварке в закреплении, осуществляе­ мом прижимом элемента к жесткой плите нагрузкой Q (рис. 5.4, б), остаточный прогиб элемента будет f3 (рис. 5.4, в).

Действие зажимов равноценно действию нагрузки, прижима­ ющей элемент к плите, которая производит его прогиб со стрел­ кой /, вызывая растяжение в верхнем поясе и сжатие в нижнем. При этом металл в районе верхних поясных швов, находящийся под действием растягивающих сварочных напряжений, достига­ ющих предел текучести (заштрихованный участок поперечного